基于单片机的函数信号发生器答辩PPT 长江大学

基于单片机的多功能函 数信号发生器设计学生: 指导老师: 学 院:电子信息学院 专 业:电气工程及其自动化

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答辩主要内容12 3

研究目的及意义

课题研究内容研究方案的设计与选择

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硬(软)件设计构思总结

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研究目的及意义函数信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用 于物理学、电工学教学实验，电子线路和微机原理、 接口技术实验，自动化测控系统等领域。 目前, 市场上常见的波形发生器多为纯硬件搭接而 成。利用单片机采用程序设计方法来产生 低频信号，其频率底线很低。具有线路 相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率 稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等 优点，并且能够对波形进行细微调整， 改良波形，使其满足系统的要求。只要 对电路稍加修改，调整程序，即可完成 功能升级。

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课题研究内容本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将 采用编程的方法来实现三角波、锯齿波、矩形波、 正弦波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频 率和幅度进行程序的编写，并将所写程序装入单片 机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自 外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中 断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转 换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端 口输出。

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研究方案的设计与选择方案一：采用单片函数发生器(如8038),8038可同时产生正弦 波、方波等，而且方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制 电压，也可以实现数控调整频率，但产生信号的频率稳定度不高。 方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器( VCO)的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达 到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。 方案三：采用单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的 方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下 ，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生 的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。

鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂，频率覆盖 系数难以达标等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。它不仅采 用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定 性和精度的准确性得以保证，而且它使用的几种元器件都是常用的 元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达到最省。

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数/模电路

硬件电路的实现原理与构思如图所示80C51单片机为硬件系统的核心，单片机对键 盘扫描读入键值确定波形与频率，通过显示电路显示频率 值，通过数模转

换器放大电路输出波形，通过示波器可以 观察波形与频率，复位电路用于系统复位重启。数/模转 换电路放大电路

显示电路

单

片 波形输出 键盘电路 机 复位电路

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数/模转换电路AT89C51单片机控制两片DAC0832的原理图：输出

AT89 C51 单片 机

DAC 0832

DAC 0832

基准电压

D/A数模转换器的最大输出电压是由其输入的基准 电压来控制的，所以只要能控制D/A的基准电压便可 以控制输出幅度，实现幅度可调。所以设计用两片 DAC0832来输出信号，第一片D/A用来输出信号，第 二片D/A用来控制第一片D/A的基准电压。

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系统电路原理图

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系统原理分析 按下复位键后系统对8255初始化， PA口用于扫描键盘 状态，PB口用于点亮一个数码管显示当前频率值，PC 口用于选择数码管。

通过扫描键盘将键盘状态通过P0送入单片机，如果扫 描得出无按键按下则返回继续扫描直到有频率选择键 按下，如果扫描得出频率不符即频率切换则重新置计 数初值，更改调用频率选择子程序改变频率，否则不 予改变继续往下执行。

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系统原理分析 单片机通过P2口发出控制信息，一方面控制8255 的PB口、PC口来输出当前频率选择值。 根据键盘扫描值判断波形选择按键是否按下，没 有按下则返回等待，继续扫描直到有波形选择按键 按下。 有键按下但是不符即波形已经切换，则更改波形 选择特征值更改波形调用子程序，根据预先设计好 了的表文件控制DAC0832实现模拟到数字转换输出 相应波形。

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软件设计的构思由于D/A数模转换器输出的最大幅度可以用其基准电压来控制，所以控制第二 片D/A数模转换器输出给第一片D/A数模转换器的电压值就可控制信号幅度。因 此，送入第二片的值是几个固定的值。由于DAC0832内部具有锁存器，所以只需 向第二片D/A送值一次，直到下一次改变信号幅度。

1 幅度控制

单片机内部数据只有0、1之分，所产生的信号也都是离散信号。为了能够让单 片机输出所需的数字信号，我们采用对信号采样、量化的方法来实现由单片机产 生所需信号。在本设计中，对信号的四分之一周期采样19个幅度值，通过反复查 表来输出幅度值，而整个信号是通过正查表和逆向查表来实现的。采样的点越密 ，信号失真度也就越小。两次采样点的输出时间间隔是由定时、计数器来控制， 因此，通过控制不同的计数初值就可以控制整个信号的频率。

2 频率控制

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主程序流程图

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方波仿真

如图为方波图，当“S0”键按下时将产生方波。横坐标为时间轴每小格表示 1.33ms,纵坐标为幅值轴每小格为1.00mv。

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正弦波仿真

如图为正弦波图，当“S1”键按下时将产生正弦波。横

坐标为时间轴每小格表示 1.33ms,纵坐标为幅值轴每小格为1.00mv。

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三角波仿真图

如图为三角波图，当“S2”键按下时将产生三角波 。横坐标为时间轴每小格表 1.33ms,纵坐标为幅值轴每小格为1.00mv。

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总结 这个信号发生器的设计中涉及到一个典型的控制过程。通 过单片机控制数转换器DAC0832等几个芯片产生所需要的电 流，然后使用运算放大器可以将其电流输出线性地转换成电 压输出，通过程序的控制，可以产生一系列有规律的波形。 此设计方案硬件较为简单，主要是由单片机跟DAC0832等 几个芯片构成，连线也较简便。键盘电路为独立未编码结构， 一个键控制一个波形。显示电路主要是由发光二极管构成， 利用发光二极管的导通即发光的特性来显示是哪个波形的输 出，简单易懂。软件程序方面较为复杂一点，此方案主要是 靠程序的控制，主要由4个波形产生的子程序加上有承上启 下作用的主程序构成，程序思路比较清晰。