多功能信号发生器毕业论文设计

潍坊科技学院 毕业设计（论文）

论文题目：

系 部： 汽车工程学院 专业班级： 机电一班 学 号： [1**********]0 姓 名： 孙书波 指导教师： 刘华新

汽车工程学院毕业论文评分表

题 目： 多功能信号发生器的设计 学生姓名： 孙书波 学号： 专 业： 机电一体化 班级： 机电一班

②总评分等级：优秀（90-100）、良好（80-89）、中等（70-79）、及格（60-69）、不及格（60以下）。

目录

ABSTRACT . ......................................................... III 第 1 章 绪 论 . .................................................... IV

1.1 课题背景 ............................................... IV 1.2 课题意义 ............................................... IV 第2章 信号发生器的方法研究 . ................................... VI

2.1 2.2 第 3 章 3.1 3.2 3.3 3.3.1 AT89C513.3.2 3.3.3 D/A3.3.4 I/V

；

总体方案设计 . ........................................... VI 模块划分 . ............................................... VI 硬件电路的设计 . ....................................... VIII

基本原理 .............................................. VIII 资源分配 .............................................. VIII 子模块具体设计 .......................................... IX 单片机介绍 . ...................................... IX 按键电路 .............................................. XIII 转换电路的设计 . ..................................... XVI 转换波形输出电路 . ..................................... I

LM324工作原理 . ........................................... I 图3-27 系统信号变换 . ................................... II 双极性输出实现 .......................................... II

多功能信号发生器的设计

摘 要

摘 要：单片微型计算机（简称单片机）作为微型计算机的一个很重要的分支，自它诞生以来至今，以其极高的性能价格比以及一系列人所共识的优点，受到越来越多的工程技术人员的重视。现在，单片机已广泛地应用在机电设备过程控制、自动检测、家用电器和数据处理等各个方面。

本设计使用的是AT89c51单片机构成的发生器，可产生三角波、方波、正弦波等多种特殊波形和任意波形，波形的频率可用程序控制改变。通过键盘控制波形频率的增减以及波形的选择，并用了LCD 显示频率大小。在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换，再通过运放进行波形调整，最后输出波形接在示波器上显示。本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。

关键词：信号发生器；多功能；单片机

Design of multifunction Signal generator

ABSTRACT

Being a main branch of micro-computer and by its advantage of its much higher ratio of property to

price the Single-Chip Micro-Computer (SCMC),since it has been invented up to now ,has attracted more and more engineers and technicians to pay their attentions to its application field. Now, SCMC has been widely used in mechanical and electrical equipment process control, automatic detection, each respects such as household appliances and data processing.

This design USES AT89c51 generator that can produce triangle wave, square wave, sine wave and so on a variety of special waveform and arbitrary waveform and the frequency of the waveform can be changed by program control. Through the keyboard we can control waveform frequency increasing or decreasing of the waveform and choose the size and frequency of the LCD display. We can connect DAC0832 D/A in the output of the micro controller port conversion, and then through the op-amp waveform adjustment we can display the final output waveform on the oscilloscope. This design has the following advantages such as simple circuit, compact structure, low cost and superior performance.

Key words： signal —generator ；multifunction ；single —chip micro-computer

第 1 章 绪 论

1.1 课题背景

信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是电工、电子工业生产和实验中经常使用的电子仪器之一。信号发生器种类较多，性能各有差别，但它们都可以产生不同频率的正弦波、调幅波调频波信号，以及各种频率的三角波、方波、锯齿波和正负脉冲波信号等。利用信号发生器输出的信号，可以对元器件的性能及参数进行测量，还可以对电子产品和电工整进行指数验证、参数调整及性能鉴定。在多数电路传递网络中、电容与电感组合电路，电容与电阻组合电路及信号调制器的频率中都可以得到广泛的应用。

随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。

在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、材料试验、教学实验、机械振动试验、生物医学、动态分析等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。 但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。各类功能的半导体集成芯片的快速生产，使我们研制一种低功耗，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器。

1.2 课题意义

平时常用信号源产生正方波，弦波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的数字信号发生器和模拟信号发生器很难胜任的。便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化也就显得尤为重要。利用单片机的强大功能，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形。

该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，D/A转换，单片机，显示和各模块的连接通信等各个部分要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。

1.3 本课题在国内外的研究现状

多频、调幅、TTL 等的信号发生器需求大。二十一世纪，随着集成电路技术的迅猛发展，出现了很多类型的工作频率可过数GHz 的DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的进一步发展，2003 年，Agilent 的产品 33220A能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M，2005 年的产品N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。从以上的的产品可以看出，函数波形发生器发展是很快。

第2章 信号发生器的方法研究

2.1 总体方案设计

信号发生器的实现方法主要有以下几种：

方案一：使用晶体管、运放IC 等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC 产生。早期的函数信号发生器IC 系列，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能单一，频率上限不到300kHz ，无法产生较高频率的信号，频率和占空比不能独立调节。

方案二：利用专用直接数字合成DDS 芯片的函数发生器：能产生任意波形并达到很高的频率, 但成本较高。

方案三：采用AT89C51单片机和DAC0832芯片，直接连键盘和终端显示。此方案主要对AT89C51型号单片机的各个I/O接口充分利用. P1口是连接键盘以及接显示电路,P2口连接DAC0832输出波形. 这样可以充分利用单片机各个接口, 而不在多用其它芯片, 从而降低了系统的成本. 也对按照系统便携式低频信号发生器的要求所完成. 占用空间小, 使用芯片少, 低功耗。

综合考虑，方案三各项性能和指标都优于第一和第二种方案，输出频率更稳定，充分体现了模块化设计的要求，而且器件均为通用器件，在市场上较常见，价格低廉，样品制作成功的可能性更大，所以本设计采用第三种方案。

2.2 模块划分

本次设计所研究的就是对所需要的某种波形输出对应的数字信号，再通过D/A转换器和单片机转换输出一组连续变化的0~5V 的电压脉冲，再通过显示部分显示其频率以及波形。按照波形设定，D/A转换，51单片机连接，键盘控制和显示五个模块进行设计。最后通过系统仿真，做出电路板成品。从而简化人机交互，具体设计模块如图

模块介绍：

1. 波形设定：对波形进行手动设定

2.D/A转换：使用DAC0832把数字信号转换为模拟信号 3. 单片机部分：系统核心

4. 键盘：用按键来控制输出波形的种类和数值的输入 5. 显示部分：显示波形的频率

系统要求便携式低功耗，所以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗。考虑单片机部分（有最小系统，D/A转换，键盘接口，扩展部分显示等部分）的功耗大小，机器体积小，价格便宜，耗电少，频率适中，便于携带。

第 3 章 硬件电路的设计

3.1 基本原理

低频信号发生器系统主要由CPU 、D/A转换电路、电流/电压转换电路、按键和显示电路、电源等电路组成。

其工作原理为当按下第一个按键就会分别出现三角波、锯齿波、方波、正弦波，并且LCD 显示波形数据和频率。

3.2资源分配

①运算放大器采用LM324；

②采用LCD1602显示频率； ③提供12V 、-12V 和5V 电压； ④对于89C51内存分配

⑤主控芯片采用ATMEL 公司的89C51 ⑥8位D/A转换器采用DAC0808；

⑦采用12MHz 的晶振器为89C51提供时钟信号；

P1口的P1.0-P1.4分别与五个按键连接，分别控制锯齿波、三角波、正弦波和方波以及他们频率的调节和占空比，P1.5-P1.7以及P0口与LCD 连接，P2口与DAC0832的DI0-DI7数据输入端相连。P2口的数据采用74LS373进行锁存后经过DAC0808进行D/A转换；

3.3子模块具体设计

3.3.1 AT89C51单片机介绍

AT89C51是一种带4K 字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM —Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

图3-1是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。

图3-1 AT89C51芯片

它的管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚„„第40脚。

其中有32个脚可用于各种控制，比如控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口”。

AT89C51单片机的功能： 1．主要特性：

·与MCS-51 兼容 ·全静态工作：0Hz-24Hz ·全静态工作：0Hz-24Hz ·4K字节可编程闪烁存储器 ·128*8位内部RAM ·5个中断源 寿命：1000写/擦循环 ·32可编程I/O线 ·可编程串行通道 ·两个16位定时器/计数器 数据保留时间：10年

2．管脚说明（图3-2）：

图3-2 AT89C51管脚分布

VCC ：供电电压，

·GND：接地。 ·P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每个脚可吸收8TTL 门电流。当

P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。在FIASH 编程时，因为P0口是原码输入口，当FIASH 进行校验时，P0输出原码，所以P0外部必须被拉高。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。

·P1口：P1口为一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O接口，P1口缓冲器能够

接收输出4TTL 门电流。P1口管脚写入1后，其内部上拉为高，可用作输 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O接口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL 门电流，当P2口被写“1”时，其管脚因为内部上拉电阻拉高，作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，·它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的

内容。P2口在FLASH 编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

入，被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。

·P3口：P3口是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，能够接收4个输出TTL 门·P3口管脚备选功能：

·P3.0 RXD（串行输入口） ·P3.1 TXD（串行输出口） ·P3.2 /INT0（外部中断0） ·P3.3 /INT1（外部中断1） ·P3.4 T0（记时器0外部输入） ·P3.5 T1（记时器1外部输入）

·P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） ·P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） ·RST：复位输入。

·ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地

位字节。

在FLASH 编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE 脉冲。如想禁止ALE 的输出可在SFR8EH 地址上置0。

·PSEN：外部程序存储器的选通信号。

·XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 ·XTAL2：反向振荡器的输出。 3．振荡器特性：

XTAL1和XTAL2为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4．芯片擦除：

在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 5. 复位电路（图3-3）：

MCS-51 单片机的复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，目的是使CPU 和系统中其他部件处于一个特定范围的初始状态，并从这个状态开始工作。但单片机自身不能自动复位，必须配合相应的外部电路才能实现。

电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。

图3-3 复位电路

（1）复位电路的基本功能：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定，去掉复位信号。为可靠起见，电源稳定后还需要延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。

单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，使用斯密特触发器用来抑制噪声，它的

输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路分为上电自动复位电路和按键复位电路两种。

图3-4 复位电路

（2）单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC ＝0000H ，这表明程序从0000H 地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM 为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM 区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值，见表1。

值得指出的是，记住一些特殊功能寄存器复位后的主要状态，对于了解单

片机的初态，减少应用程序中的初始化部分是十分必要的。 说明：表中符号*为随机状态。

3.3.2 按键电路

一、人机交互接口的设计

所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交互信息的输入/输出设备的接口[8]。这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和打印机等。他们是计算机应用系统中必不可少的输入、输出设备，是控制系统与操作人员之间的交互窗口。一个安全可靠的控制系统必须具有方便的交互功能。操作人员可以通过系统显示的内容，及时掌握生产情况，并可通过键盘输入数据，传递命令，对计算机应用系统进行人工干扰，使其随时能按照操作人员的意图工作。

二、键盘设计需要解决的几个问题 1. 按键的确认

键盘是按键开关的集合，每一个按键就是一个开关量输入。键的闭合与否，取决于机械弹性开关的通、断状态。反应在电压上就是呈现出高电平或低电平，若高电平表示断开，那么低电平键表示闭合。所以，通过电平状态的检测，便可确定相应按键是否已被按下。

2. 重键与连击

实际按键操作中，若无意中同时或先后按下两个或者以上的键，系统确

定哪个键操作是有效的，完全取决设计者的意图。如视按下时间最长者为有效键，或认为最先按下的键为当前的按键，也可以将最后释放的键看成是输入键。不过单片机控制系统的资源有限，交互能力不强，通常总是采用单键按下有效，多键同时按下无效的原则。

有时，由于操作人员按键动作不够熟练，会使一次按键产生多次击键的效果，及重键的情形。为消除重键的影响，编制程序时可以将键的释放作为按键的结束。等键释放电平后再转去执行相应的功能程序，以防止一次击键多次执行的错误发生。

3. 按键防抖动技术

消除按键盘抖动有两种方法：硬件消抖和软件消抖。 硬件消抖是通过在按键输出电路上加一定的线路来消除抖动，一般采用触发器或单稳态电路。如图3-17所示。软件消抖是利用延时来跳过抖动过程。

图3-17 单稳态硬件消抖电路

键盘的结构形式一般有两种：独立式键盘与矩阵式键盘。独立式键盘就是各按键相互独立，每个按键各接一根I/O口线，每根I/O口线上的按键都不会影响。矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，键位设置在行列的交点上。例如4×4的行、列结构可组成16个键的键盘，比一个键位用一根I/O口线的独立式键盘少了一半的I/O口线。

图3-18 独立式键盘

通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下：

如上图所示，1602的八位数据端接单片机的P1口，其三个使能端RS 、RW 、E 分别接单片机的P1.5—P1.7。通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。

3.3.3

D/A转换电路的设计

DAC0832是8位D/A转换器，转换时间为1us 。利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形以及不规则波形。 1.DAC0832主要性能： ◆输入为8位；

◆采用CMOS 工艺，所有引脚的逻辑电平与TTL 兼容； ◆转换时间：1us ； ◆精度：1LSB ； ◆分辨率：8位；

◆单一电源：5—15V ，功耗20mw ； ◆参考电压：-10—+10V；

下面是芯片电路原理图

3-20

图3-20 DAC0832电路原理图

如图3-20所示，待转换的8位数字量由芯片的8位数据输入线D0～D7输入，经DAC0832转换后，通过2个电流输出端IOUT1和IOUT2输出，IOUT1

是逻辑电平为"1" 的各位输出电流之和，IOUT2是逻辑电平为"0" 的各位输出电流之和。另外，ILE

、

控制信号

和

、

、

和

是控制转换的控制信号。

为低电平，

输

用来控制8位A/D转换器。当

入负脉冲时，则在LE 产生正脉冲；其中LE 为高电平时，DAC 寄存器的输入与输出的状态一致，LE 负跳变，输入寄存器内容存入DAC 寄存器。

DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC 寄存器和8位D/A转换电路组成。输入寄存器和DAC 寄存器作为双缓冲，因为在CPU 数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU 执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。

DAC0832通常使用的是电压信号, 但是DAC0832输出的是电流信号，这就需要由运算放大器组成的电路实现转换。其中有输出电压各自极性固定的单位性输出和在随动系统中输出电压有正负极性的双极性输出两种输出方式。

DAC0832同CPU 的接口如图3-21所示.DAC0832作为微处理器的一个端口，

用地址92H 的选通作为和

。

和的控制信号，微处理器的写信号直接来控制

图3-21 DAC0832和CPU 连接电路

本系统D/A转换电路图3-22

图3-22 D/A转换电路图

3.3.4 I/V转换波形输出电路

如图3-23所示为两级运算放大器组成的模拟电压输出电路。从第一个运放输出为单极性模拟电压，从第二个运放输出为双极性模拟电压。

图3-23 I/V转换波形发生电路

一、LM324简介

LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装。包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外, 四组运放相互独立。每一组运算放大器可用下图所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo ”为输出端。两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同。 LM324工作原理

（管脚功能如图9所示）

图9 LM324管脚图

在此项目中用了LM324的三组运放，分别置于第一级输出，第一、二级之间，第二级输出。

原理图

电压变换原理图如图3-27所示

图3-27 系统信号变换 双极性输出实现

若D/A转换器输出为双极性，如图4所示。

Vo ut2

图7 D/A转换器双极性输出电路

结 论

通过本次设计研究我发现，技术工艺是衡量一个企业是否具有先进性，是否具备市场竞争力是否能不断领先于竞争者的重要指标依据。用87C51无需扩展程序存储器和数据存储器。用LED 作为显示器，波形可通过示波器进行显示，单片机接上D/A转换芯片即可，这样硬件很快就能设计出了。 但是功能键要有扫描程序才行呀，我真的感到很难。自己又查阅了一些资料，在自己的努力下，程序也一点一滴的写好了。这次是我的第一次做这么复杂的设计，尽管经历了不少的艰辛，但在设计过程中, 自学了单片机原理这门课程, 在老师和同学的帮助下, 对单片机的认识有了进一步的认识和使用，我也积累了一些设计的经验。在学习单片机的时候, 首先要理解其工作原理和工作时序, 那样才能对所要做的设计进行编程。

随着我国信号发生器市场的迅猛发展，与之相关的核心生产技术应用与研发必将成为业内企业关注的焦点。了解国内外信号发生器生产核心技术的研发动向、工艺设备、技术应用及趋势对于企业提升产品技术规格，提高市场竞争力十分关键。本实验设计的多功能信号发生器性能非常优越，在电子领域的应用非常广泛，很值得研究。

最后谢谢老师和帮助我的同学们。未来的路还很长，我还需多加努力。

致 谢

感谢我的指导刘华新老师对我们悉心的指导，感谢老师给我们的帮助。在此次设计过程中，我通过与同学交流经验和自学，并查阅大量有关资料，向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在这次设计中我懂得了许多东西，通知这次设计也培养了我独立工作的能力，同时增强了自己工作能力的信心，相信这次设计会对我今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了自我动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中的艰难和成功时的喜悦。虽然这次设计做的不是很理想，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获，这些收获使我终身受益。再次感谢在本次毕业设计中给予过我帮助的所有老师与同学。

参 考 文 献

［1］高成发.GPS 测量[M].北京：人民交通出版社，1999.10-80

［2］胡伍生，高成发.GPS 测量原理与应用[M]. 北京：人民交通出版社，2002.52-98 ［3］穆兰. 单片微型计算机原理及接口技术. 北京:机械工业出版社,1995 ［4］房小翠，王金凤. 单片机使用系统设计技术. 北京：国防工业出版社，1999 ［5］张毅刚.MCS-51单片机应用设计. 哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1990 ［6］蒋智勇. 单片微型计算机原理及接口技术. 沈阳:辽宁科学技术出版设,1992 ［7］韩全立，王建明. 单片机控制技术及应用. 北京：电子工业出版社，2004 ［8］徐仁贵. 微型计算机借口技术及应用. 北京：机械工业出版社，1995

［9］何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，1990