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1、 密级： 学号： 本科生毕业设计（论文）正弦函数信号发生器设计学 院： 信息工程学院 专 业： 电子信息工程 班 级： 10本电信1班 学生姓名： 指导老师： 完成日期： 2014.5.1 学士学位论文原创性申明本人郑重申明：所呈交的设计（论文）是本人在指导老师的指导下独立进行研究，所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本申明的法律后果由本人承担。学位论文作者签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了
2、解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权江西科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保 密 ， 在 年解密后适用本授权书。不保密 。（请在以上相应方框内打“” ）学位论文作者签名（手写）： 指导老师签名（手写）： 签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日摘要函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，并且还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，还能够与其它仪器进行有效通
3、讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。本论文所描述的对象就是通过STC89C52单片机，烧入以数组记录所要产生正弦函数图像的数据，经过DA转换芯片得到自己理想得正弦函数图像。在软件设计上在不增加电路模块的情况下，能通过软件控制来实现对波形的幅度、相位的调节，以至于能更好的达到理想的状态。关键词： STC89C52；单片机；DA转换芯片 AbstractFunction waveform generator with continuous phase transformation, and the frequency stability, etc, no
4、t only can simulate all kinds of complicated signal, but also to the frequency, amplitude, phase shift and waveform dynamically and timely control, and to be able to communicate with other instruments, the composition of automatic test system, therefore, vibration excitation is widely used in automa
5、tic control system, communications and instrumentation field. The object is described by this paper STC89C52 microcontroller, burn-in array to record the need to produce the sine function image data, after DA conversion chip to get their ideal sine function image. In the software design under the co
6、ndition of without any increase in circuit module, can through the software control to realize the adjustment of the amplitude of waveform, phase, so that can better achieve the ideal state.Key word: STC89C52;MCU;DA conversion chip; 目 录第1章 引言11.1波形信号发生器现状及发展前景11.2 本课题研究的目的与意义21.3课题研究方法2第2章 系统应用工具介绍2
7、2.1 KeilVision3 编译软件简介22.2 protues仿真软件简介3第3章 系统硬件设计33.1 整体硬件设计思路33.2 89C52单片机简介43.3 STC89C52最小系统53.3.1 晶振电路53.3.2 复位电路63.4外围电路设计63.4.1 按键选择控制电路63.4.2 DAC0832连接和幅值调节电路63.4.3 显示电路8第4章 系统软件设计84.1软件整体设计方案方框图介绍84.2程序设计94.2.1 程序编写介绍94.2.2 KeilVision3 程序编译94.3程序的调试与仿真12第5章 总结与展望127.1 总结127.2 展望12参考文献13附录一
8、原理图14致 谢14第1章 引言1.1波形信号发生器现状及发展前景在此之前的70年代，信号发生器有两种主要类型：脉冲波和正弦波，这两种波都能够提供正弦，余弦，方波，三角波几个标准的波形，如果想要得到更多不同种类的波，你需要更复杂的电路，以及机电一体化方法相结合的使用才能得到理想的波形。当时使用的大多都是用模拟电子技术，而模拟电路子在我们实际的使用过程中是会遭到许多因素的干扰，这类电路生产出的电子产品性能上都不是很稳定，并且制作出来的产品耗能高，整个看上去所用的设计面积大等缺点。如要产生更复杂的信号波形的存在波形发生器，电路结构非常复杂，同时整体仪器看上去就是一庞然大物，给我们在移动过程中带来很
9、都得麻烦。在这一时间中有的正弦信号发生器，主要有两个突出的问题，一个是通过电位器用于调节所述输出频率的调整来实现，因此很难调整频率到一个固定值； 还有个是脉冲占空比不能被调整。到了 70 年代后期，由于微处理器这种集成芯片的问世，使得我们的许多行业电子产品都发生了翻天覆地的变化，受到其影响的也有我们的正弦函数信号发生器。当时主要是用软件编写程序来对处理器、A/D/和 D/A等部分的控制得到各种较简单的波形。越是到了后来由于集成芯片技术的不断成熟使得我们的波形发生器的功能在不断的变得更加的丰富。 直到90 年代末期，在市面上才出现性价比较高的函数发生器设备。这期间具有代表的就是HP推出的HP77
10、0S型号的发生器和LECROY公司推出的9100型号的任意波形发生器。 到了现在，我们的电子产品包括正弦函数发生器在内，都是向着性价比高体积小使用方法简单便捷的方向发展。之所以会有这样高要求，都得力于我们电子集成技术的快速发展所导致的。现在市场上有的信号发生器，能产生波形种类达到了17种，产生波形的频率达到了500MHz采样的频率达到了1.25GHz。现在各种应用软件开发的高速发展，使得我们相对于原来波形发生器的硬件设计上更加的简单，波形输入输出的稳定性和选择性都更好。因此在这次的毕业设计中，我就用单片机作为主要的控制系统搭建一个简单有效的外部电路构成了一个成本低、可靠性强等多样特点的正弦信号
11、发生器。在强有力的科学技术的推动下，我们过去在实验室看到的台式的波形信号发生器，将在不久的将来被淘汰掉。这将是事物发展必然趋势，将来的仪器即使是在不改变原貌的基础上功能其他方面都会有很大的进步。过去的类似产品减少了一半。1.2 本课题研究的目的与意义本次毕业设计的目的，是以51单片机作为基，来实现正弦信号的产生。在制作的过程中，我们能够了解到更多类型的正弦信号发生器。同样当前的电子产品的走向也要有一定的前瞻性。正弦信号发生器是我们从事电子行业的人使用最广泛的信号发生器，主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天、通信系统
12、、电子对抗、科研等各个领域中。通过本课题的研究和设计，实际动手的过程中将会把四年所学习的理论知识在本项目中综合加以运用，特别是在单片机的运用上对大学所学知识有一个系统的巩固和应用，也为毕业后走上工作岗位积累一定的经验。1.3课题研究方法这次课题的采用的是以51单片机作为核心的模块化设计方案，在硬件设计上首先是查找资料确定系统所涉及的电路模块，并将电路所使用的芯片做详细的了解，再在Protues软件上画出系统的原理图。在软件设计方面是在KeilVision3 编译软件进行程序编写的，在编写时是将系统的程序分为主程序和子程序两块组成，子程序可以看做我们的系统的小模块，主程序是控制大体的方向并调用子
13、程序来实现工作控制。最后系统的软件跟硬件都确定后再在Protues软件上进行系统仿真，根据系统仿真的结果进行相应的调试工作。第2章 系统应用工具介绍2.1 KeilVision3 编译软件简介Keil公司是从事电子单片机行业的我们必须知道的软件。他是一款专门为单片机C语言开发打造的编译软件,因为现在的单片机编程当中我们都是以C语言作为主要的编译语言，这与C语言的结构性、可读性等方面相对于汇编语言来说有很大的优势所促就的。C语言比起汇编语言，在可维护性、功能上、结构性、可读性这些方面都是有着明显的优势，同时比起汇编语言来说自我感觉C语言更加容易读懂跟运用。本次课题我采用的是KeilVision3
14、版本，这是一款是ARM公司在收购了Keil公司后新推出的Keil软件版本。在这版本的软件中他秉承了之前版本的优点，有十分丰富的函数库以及十分强大的集成开发调试工具。还支持ARM7、ARM9和Cortex-M3核处理器，自动配置启动代码，集成Flash烧写模块，强大的 Simulation设备模拟，性能分析等功能。2.2 protues仿真软件简介Protues 是由英国Labcenter公司开发的嵌入式系统仿真软件，该软件主要是由三大部分组合而成。第一部分是原理图设计工具ISIS(Intelligent Schematic Input System），这个工具为制图者提供大量的元器件如基本的电
15、容、电阻、二极管三级管、微控制器、继电器、激励源、门电路等各种常见型号应有尽有。对于个别特别的元件我们还可以自己设计加入原有的库中使用，这不仅丰富了我们的元件库还提高我们的工作效率。除此之外还为我们提供了许多的虚拟的测试仪器，如常见的电压表、电流表、示波器等测试仪器。能够帮助我们在后面进行元件混合模式SPICE仿真时提供检测结果和运行结果。第二部分是元件混合模式SPICE仿真，这部分主要是对我们设计整个系统进行仿真。这是要我们软件和硬件的结合才能完成。这部分能够实现单片机与外围电路的共同仿真、数字和模拟电路的仿真、I2C调试器、SPI调试器、键盘和LCD系统等电路及模块的仿真。不仅如此他还能实
16、现对当下主流单片机系统仿真，这也是成为这款软件的亮点所在。由于他的存在使得电子产品的成功率比原来提高了不少，并且还能通过仿真结果来修正自己电路设计或者是软件设计上出现的问题。第三部分IPCB设计，这是对设计电路生成PCB板设计，可以根据设计者电子器件的需要，对电路板的大小和元器件的放置、电路的走向等问题的系统设置。这款软件还有个特点是能够实现第三方软件的编译和调试，如我们本次设计所用到的Keil C Vision3编译软件。在安装这款软件时只要电脑普通的硬件配置就能实现软件的安装。总的来说这款软件的功能是十分的强大，是电子项目开发者的利器为其缩短产品开发的周期。第3章 系统硬件设计3.1 整体
17、硬件设计思路在硬件上我是以STC89C52为控制芯片，由按键模块来进行波形的选择和调节正弦波的频率，同时用显示模块来显示调节的大小，再由数模转换模块将数字式信号转换成模拟信号，经过放大器放大后输出达到使用者自身需要的波型。硬件设计图如3.1所示；图3.1 硬件设计流图3.2 89C52单片机简介单片机是从上世纪80年代发展起来的，在现在的生活中我们其实不难发现他的存在，他被人们称作微型的计算机。因为他体积小、价格便宜、耗能低、运用简单便捷等优点，在我们现在所用的电子仪器中都使用到了单片机。比如我们的手机、电视机、电磁炉、风扇等电子仪器中都用到了单片机。虽然他们的称号都是一样的但是在业界内，还有
18、的将他们分为嵌入式的微处理器、微控制器、嵌入式的微控制器。这些称号都是根据他在实际的运用中的特殊性人们才将他们进行如此详细的划分的。然而现在使用最为之广泛的就是改进后的80c52这款单片机了。本次设计也是选择单片机作为核心控制处理芯片。 现在生产51系列的单片机很多，但是现今人们最为熟悉的是ATMEL公司的和Intel公司产品。虽然我们知道单片机这是从国外引进的，但是随着时间的沉淀我们国家深圳宏晶公司也有了国有的自主产品，在市面上我们统称为STC单片机。本次的设计也是采用了该公司的STC89C52这款单片机，他整体上和其他的单片机在外形上基本一样的管脚（如图4.1所示），一样也都是具有32个8
19、位的I/O地址线、定时计数器等基本功能，但是他也有不一样的地方：图3.2 STC89C52实物引脚图l 拥有8K的Flash存储单元和512字节的RAM,芯片还有4K的EPROM。最好的是他可以直接的使用串口从电脑中烧入应用程序。比起其他的单品机而言，节省了一个专业的程序烧入器。l 他具有一个强大的7向量4级的中断结构，因为我们平常的51系列的都是采用5向量2级的中断结构，并且还能够处理全双工的串行口工作模式。l 在待机的模式下，他的微处理器是处于不工作的状态的，除此之外的其他部分如中断、计时、随即存储等还是工作的。l 在掉电的模式下，静态存储器的数据将被保存不会丢失，内部的时钟振荡器被冻结停
20、止工作，相应的单片机里的寄存器部分也会停止工作。虽然掉电的模式下有这几个部分停止工作，但当下个中断或者复位信号到来时会回复工作。3.3 STC89C52最小系统单品机最小系统是有两个部分组成，一是由晶振电路，二是复位电路。在现有的晶振电路中分为外部晶振和内部晶振，外部的晶振又分为有源晶振和无源两种，在本次设计中采用的是外部无源晶振电路。复位电路在本系统中采取的按键复位的方案进行手动控制。3.3.1 晶振电路针对普通的单片机而言晶振频率达到24M以上时，单片机就会产生程序跑乱现象是整个系统的工作处于混乱状态。为了防止这样的事情发生，通常都是采用12M频率的晶振来构成外部电路。当晶振直接的接入到X
21、TAL1和 XTAL2时，外部电路产生的时钟信号发生谐波现象，降低了时钟振荡器的稳定性进而影响整个系统的运行。为了使这个问题得到解决，采用电容的滤波特性，就如图3.3所示在晶振的两端上分别接个接地的瓷片电容来减小谐波。图3.3晶振电路图3.3.2 复位电路复位电路是就相当与电脑的重启键一样，当我们按下这键时我们的系统程序就会从头开始运行。之所以设置这样的电路，是为了防止我们在程序运行时出现了跑飞情况时，能让内部的运行程序从头开始运行让单片机做控制工作。其复位电路中采用RC 的组合，目的是为了让MCU的RST脚的持续高电平在两个机器周期内这样才能起到复位的功能。图3.4复位电路图3.4外围电路设
22、计3.4.1 按键选择控制电路为了丰富本次设计的内容，在能产生出正弦信号的同时，还在给该系统添加新的波形信号。添加的波形有方波、锯齿波、三角波三种，在按键上连接得端口是P1.0-P1.3口来进行波形的选择，具体如下图3.5所示；图3.5按键电路图3.4.2 DAC0832连接和幅值调节电路数模转换模块和幅值调节的电路上，本次设计采用的是DAC0832这型号的芯片，数字波形信号是由单片机的P2口输出直接的传输给数模转换芯片，幅值的调节部分是对芯片的参考电压的调节达到调节输出波形幅值的。电路连接如图3.6所示。芯片引脚功能介绍：引 脚功 能非CS片选信号接口，低电平有效非WR1写信号接口，低电平有
23、效非WR2辅助写信号接口，这接口是和XFER接口结合使用的，当同为低电平时就会把锁存器里的数据发到芯片寄存器中。如果该接口的电平为高电时，寄存器的数据就会被锁存起来。非XFER传送控制接口，低电平有效。该接口和WR2结合使用。BYTE1/非RYTE2字节顺序控制接口，高电平时8位锁存器全开放，为低电平时8位锁存器关闭。DI0-DI7八位数据输入端IOUT1/ IOUT2电流的转换输出值1/电流的转换输出值2RFB反馈电阻接口VREF参考电压输入AGND/DGND模拟地线/数字地线图3.6数模转换模块电路3.4.3 显示电路显示的部分采用的是简单化的方案，就由一个LED数码管来对系统工作情况的显
24、示。LED数码管得通常分为共阳极和共阴极两种，内部结构如图3.所示，他是由八段LED灯管拼接成的整体，这种数码管功耗低、价格便宜、使用时间长的特点很受市场欢迎，在现在的显示装置中大多都采用该类型的显示管。在实际的运用中还要配备驱动电路，但是单品机的I/O口就具备这样的驱动能力，只要将接口对应的管脚进行编码就能进行对应的显示。单片机与数码显示管的连接电路如图3.7所示，用P0口作为控制端口，因为该类单片机的端口特性，在作为数据控制端时都要在其端口上接上拉电阻。 图3.7显示电路图图3.8 LED数码管第4章 系统软件设计4.1软件整体设计方案方框图介绍给单片机烧入程序后，通过外部的按键来控制程序
25、的开始。这就是相当于我们整个课题的电源开关一样，相应的显示部分也会产生变化进行个提示程序开始执行。当程序执行完成后我们能从示波器上看到相应的波形。4.2程序设计4.2.1 程序编写介绍正弦波的软件设计，首先由正弦波的特性知道一个周期是360度，每个角度都有对应的电压值，我们在程序运行在设计这些电压值时最好是有360个电压点，但是我们的存储单元是二进制的存储空间与360最为接近的是256，所以将360度电压值等分为256个。其次我们就将这些电压值预存在数组中，电压值的大小是通过事先计算得到的。当系统要求输出正弦波时，程序会调用这个数组将其依次输出。进行波形幅度调节时，就是将数组内的预存值增加减小
26、的过程。频率的调节是对单位时间内波形周期多少的调节的过程。本程序的编写方法如下：第一、 在程序的设计上首先是对函数的声明和变量的定义。第二、 进行主程序的编写。（具体见附录）第三、 进行子程序的编写。本次设计的子程序由延时主程序、显示子程序、正弦波子程序、方波子程序、锯齿波子程序、三角波子程序构成的。（具体见附录）4.2.2 KeilVision3 程序编译下面介绍如何在KEIL开发环境新建一个工程项目，进行运用程序的编写。图4.1 KEIL3软件窗口图第一步：选择工程按键Project，新建一个工程New Project ，在在弹出的方框中选择ATMEL公司，并在该公司下面选择AT89C52
27、型单片图4.2 新建工程项目图4.3 芯片选择第二步：编写工程名称，并选择工程的存储目录图4.4 工程命名对话框第三步：新建一个文本文件，并设置后缀名为“.C”文件，然后保存，添加到工程中。图4.5 添加源文件对话框4.3程序的调试与仿真关于程序的调试是在Protues软件上进行系统仿真调试，在我们进行仿真调试时首先是将在Keil编译器上生成的.Hex程序控制文件加入到Protues软件上进行仿真，最后经过调节选择按钮，得到相应的波形。该设计系统的波形可通过Protues软件上虚拟的示波器来观察。如果在调试的过程中出现问题，如是波形显示不正常首先要做的就是对硬件的检测，在对其做完检测后确定其没
28、有问题，再对我们的控制程序不进行分模块的检测直到最后查出问题为止。第5章 总结与展望7.1 总结从设计资料的整理到现在系统的成型经过了对我来说是一个艰难又有意义的事情。虽然最终达到了设计的效果，但是其中的收获还是很大的。我在这次毕业设计中发现了自身很多的问题，首先刚拿到这个题目的时候感觉很简单，但是当我真正着手开始的时候却无从下手，面临最大的困难就是对单片机的寄存器和各种传感器基础知识的理解不深和掌握不够，使得我不得不花精力去重新复习单片机和C语言以及汇编语言基础知识，如中断、计时器等难点。也了解了相关芯片的运用，如DAC0832数模转换芯片的工作原理和各管脚端口的作用。为以后在对芯片运用上积
29、累了一定的经验。在设计的期间还得感谢指导老师和同学的帮助，是在电路和软件的运用上给予我很多意见。特别是在Keil软件的编译上，我知道怎么较灵活的运用C语言编写程序，使我摒弃了之前全篇的编写模式改用模块拼接的方式编写程序。7.2 展望本文的研究虽然实现了基本的功能，但是后续的优化工作永无止境，还有许多有待进一步深入探讨的后续工作。比如我们就现在设计的系统而言，要是在系统上添加一个显示的模块就可以看到显示的波形、波形的参数等，这会令我们很快的调节到理想的波形信号这方面的技术还有待加强和努力。参考文献1 李瀚孙. 简明电路分析. 北京：高等教育出版社，2002.2 燕思远. 工程电路分析. 南京：东
30、南大学出版社，2001.3 李勋. 单片机使用教程M. 北京：北京航空航空大学出版社，2000.4 何立民. 单片机高级教程M. 北京：北京航空航天大学出版社，2000.5 王忠飞，胥芳MCS-51 单片机原理及嵌入式系统应用M西安：西安电子科技大学出版社，2007P268-2736 谢宜仁.单片机实用技术问答M.北京：人民邮电出版社，2003.7 沈红卫. 单片机应用系统设计实例与分析M北京：北京航空航天大学出版社，2003.8李生东. Protel DXP电路设计教程M.北京：电子工业出版社，2006.9张伟.电子设计与制版Protel DXP入门与提高M.北京：人民邮电出版社.10戴佳等
31、.51单片机C语言应用程序设计实例精讲（第2版）.北京：电子工业出版社，2008.11丁明亮，唐前辉.51单片机应用设计与仿真基于Keil C与Pretues.北京:北京航空航天大学出版社，2009附录一 原理图致 谢毕业论文的写作是一个很漫长的过程，从去年十二月份开始考虑选题，理清思路，到后来查阅论文，搜集资料，直到现在这篇文章的最终成型，前后近半年的时间，这无疑是我迄今为止花费力气最大的一次写作。但是毕业论文的写作又是一个很愉快的过程，因为在这个过程中，有许许多多人给了我很大的帮助，我也在这个过程中系统地梳理、总结了大学四年所学的相关知识，对于电子设计也有了更加深刻的理解和认识。 在论文写作的过程中，张老师也给我提供了大量的资料，使得这篇文章得以进一步充实。而在初稿完成直到现在正式成型的这段时间里，张老师的谦虚、诚恳、耐心、细致、严谨更是让我深受感动，也让我深感惭愧。还要感谢大学四年来所有教过我的老师们，是他们把我一步一步地领进了电子学的大门，也是他们在这四年里，教会我了如何去发现问题，如何去思考问题，把一个懵懂无知的我变成了一个对电子充满热爱的人。最后谢谢在场的给位能来听我的论文答辩，谢谢！ 汪 志 红 2014 年 5 月 1 日
