基于单片机的波形发生器设计.doc
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1、摘 要函数发生器是一种用于产生标准信号的电子仪器,它广泛用于工业生产、科研和国防等各个领域中,所以论文选题具有一定的实用意义。本文介在绍了函数发生器的基本概念及原理的基础上,采用AT89C51单片机为核心,完成了简易的DDS函数发生器的硬件设计和软件编程,并通过调试实现了其功能和主要技术指标。在系统的硬件部分,设计了由单片机最小系统为核心、通过接口设计,扩展了DAC转换模块、按键和LED显示模块。其中,采用两片DAC0832实现了全数字化的频率合成器(简称DDS)。系统的软件设计是在keil uVision4的集成开发环境下,采用C语言完成了应用系统软件编程,包括主程序、产生四种常用信号的程序
2、、按键功能和显示子程序等电脑模块;模块化的编程使得程序具有可读性和易于维护的特点。关键词:信号发生器 单片机 keilBased on SCM waveform generator designAbstractFunction generator is used to produce a standard signal electronic instrument, it is widely used in industrial production, scientific research and national defense, and other fields, so the thesi
3、s has certain practical significance. This paper in shaoxing interface the function generator of basic concepts and principles, and on the basis of the AT89C51 microcontroller as the core, the completion of the simple DDS function generator hardware design and software programming, and through the d
4、ebugging realized its function and the main technical indexes. In the system hardware part, designed by single chip minimize system as the core, through the interface design, expanded the DAC conversion module, keys and LED display module. Among them, the two pieces of DAC0832 realized the full digi
5、tal frequency synthesizer (hereinafter referred to as DDS). The software design is in the system of the keil uVision4 integrated development environment, using C language completed application system software programming, including the main program, produce four common signal procedures, key functio
6、ns and display subroutines computer module; Modular programming makes the program has a readable and easy maintenance characteristic.Key words:Signal generator Single-chip microcomputer keilc51第一章 绪 论1.1波形发生器概述函数发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称
7、为函数信号发生器。在通信、广播、电视系统,在工业、农业、生物医学等领域内,函数信号发生器在实验和设备检测中具有十分广泛的用途。1.1.1波形发生器发展情况函数发生器既可以构成独立的信号源,也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。函数发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术,因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源,可使相应系统的检测过程大大简化,降低检测费用并极大地提高检测精度。美国安捷伦生产的33250A型函数任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形,其输出频率范围为1Hz80MHz,而输出幅度为10mVpp10Vpp;该公司生产的8648D射频信号发生器的
8、频率覆盖范围更可高达9kHz4GHz。国产SG1060数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形,频率覆盖范围为1Hz60MHz;国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源,同时应用DDS和锁相技术,使频率范围从1MHz1024MHz能精确地分辨到100Hz,它既是一台高精度的扫频源,同时也是一台高精度的标准信号发生器。还有很多其它类型的信号发生器,他们各有各的优点,但是函数发生器总的趋势将向着宽频率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。目前,市场上的信号发生器多种多样,一般按频带分为以下几种:超高频:
9、频率范围1MHz以上,可达几十兆赫兹。高频:几百KHZ到几MHZ。低频:频率范围为几十HZ到几百KHZ。超低频:频率范围为零点几赫兹到几百赫兹。超高频信号发生器,产生波形一般用LC振荡电路。高频、低频和超低频信号发生器,大多使用文氏桥振荡电路,即RC振荡电路,通过改变电容和电阻值,改变频率。用以上原理设计的信号发生器,其输出波形一般只有两种,即正弦波和脉冲波,其零点不可调,而且价格也比较贵,一般在几百元左右。在实际应用中,超低频波和高频波一般是不用的,一般用中高频,即几十HZ到几MHZ。用单片机AT89C51,加上一片DAC0832,就可以做成一个简单的信号发生器,其频率受单片机运行的程序的控
10、制。我们可以把产生各种波形的程序,写在ROM中,装入本机,按用户的选择,运行不同的程序,产生不同的波形。再在DAC0808输出端加上一些电压变换电路,就完成了一个频率、幅值、零点均可调的多功能信号发生器的设计。这样的机器体积小,价格便宜,耗电少,频率适中。1.1.2国内外波形发生器产品比较我国的电子测量技术起步较晚,虽然在一些领域也取得了许多突破性进展,但是与世界先进领先水平相比,仍然存在着很大的差距。因此提到国内外电子测量仪器的研制水平,加强核心技术的研究,对我国发展电子测量技术有着重要的意义。我国的信号发生器起步比较晚,但我国在这一领域取得了很大的发展,国产SG1060数字合成信号发生器能
11、双通道同时输出高分辨率、高精度、高可靠性的各种波形,频率覆盖范围为1Hz60MHz;国产S1000型数字合成扫频信号发生器通过采用新技术、新器件实现高精度、宽频带的扫频源,同时应用DDS和锁相技术,使频率范围从1MHz1024MHz能精确地分辨到100Hz,它既是一台高精度的扫频源,同时也是一台高精度的标准信号发生器。国安捷伦生产的33250A型函数任意波形发生器可以产生稳定、精确和低失真的任意波形,其输出频率范围为1Hz80MHz,而输出幅度为10mVpp10Vpp;该公司生产的8648D射频信号发生器的频率覆盖范围更可高达9kHz4GHz。他们各有各的优点,但是函数发生器总的趋势将向着宽频
12、率覆盖、高频率精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。1.2方案论证与比较1.2.1方案一:用差分放大电路实现三角波到正弦波以及集成运放组成的电路实现函数发生器。波形变换的原理是利用差分放大器的传输特性曲线的非线性,传输特性曲线越对称,线性区域越窄越好;三角波的幅度应正好使晶体接近饱和区域或者截至区域。1.2.2方案二:利用单片机STC90C52RC、PWM和DDS共同实现正弦波、方波,三角波这三种波形的发生,并且频率调节直接由软件实现,幅值调节由外围硬件电路实现以上两种方案综合考虑,选择方案一。第二章 单片机的波形发生器的原理与分析2.1主控器单片机概述单片机是一种集成电路芯片,是采用
13、超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的微型计算机系统,在工业控制领域的广泛应用。从上世纪80年代,由当时的4位、8位单片机,发展到现在的32位300M的高速单片机。本课题主要研究关于STC系列单片机,STC单片机在8位的MCS51内核单片机行列中逐渐被认可,在单片机教学实验系统中普遍应用。由于STC单片机问世时间短,大部分写录器不能支持或仅支持它的部分功能,STC单片机在出厂时已经为用户
14、写入程序做了充分的准备,在单片机内部设计了ISP在线下载模块,使得用户可以自行设计程序下载器但其提供的PC机程序下载软件只能通过Rs232串口下载程序,而目前一般的计算机特别是笔记本大多数没有配置RS232串行接口而只配置了USB串口为此,我们设计了STC单片机程序下载器,它利用F1232BM组成串口转换器,将USB串口虚拟成RS232串121解决了此问题。2.1.1 主要性能 STC90C52RC系列单片机是宏晶科技推出的一款高速、低功耗、超强抗干扰的单片机,指令代码完全兼容传统的8051单片机,12时钟/机器周期和6时钟/机器周期任意选择,并且内部集成了MAX810专用复位电路。STC90
15、C52RC系列单片机具有成本低、性能高的特点,支持ISP(在系统编程)及IAP(在应用编程)技术。使用ISP技术可不需要编程器,而直接在用户系统板上烧录用户程序,修改调试非常方便。利用IAP技术能将内部部分专用Flash当作EEPROM使用,实现停电后保存数据的功能,擦写次数为100000次以上,可省去外接EEPROM(如93C46、24C02等)。而且与传统8051单片机程序兼容,硬件无需改动。电压3.4V-6V,超强抗干扰(电源、复位电路都经过特殊处理)每个I/O口接有二极管箝位保护、超低功耗(正常工作模式4mA-7mA,空闲模式2mA,掉电模式0.5uA)、无法解密(用户程序是用ISP/
16、IAP机制写入,一边校验一边写,无读出命令)、降低EMI(电磁干扰),单片机在运行时自身会产生一些电磁干扰,而该系列单片机具有三大措施来降低EMI:1)可禁止ALE引脚时钟信号输出(由用户程序中指令设定),而传统8051单片机在运行时ALE引脚使终以1/12时钟输出信号。2)6时钟模式(在ISP烧录软件中设定)可使外部晶振或时钟频率低一半,而传统8051单片机为12个时钟一机器周期。3)单片机内部时钟振荡器增益降低一半(在ISP烧录软件将OSDN设为1/2gain),可有效降低单片机时钟高频部分对外界的干扰。如图2.12.1.2 CPU的结构CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组
17、成。运算器运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心。它可以对半字节、单字节等数据进行操作。例如,能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算,完成与、或、异或、求反、循环等逻辑操作,操作结果的状态信息送至状态寄存器。运算器还包含有一个布尔处理器,用于处理位操作。它以进位标志位C为累加器,可执行置位、复位、取反、位判断转移,可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行数据传送等操作,还可以完成进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。程序计数器PCPC是一个16位的计数器,用于存放一条要执行的指令地址,寻址范围为64KB,PC有自动加1功能,即完成一条指令
18、的执行后,其内容自动加1。指令寄存器指令寄存器用于存放指令代码,CPU执行指令时,由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器,由指令译码器译码后由控制电路产生相应的控制信号,完成指令功能。(1)输入/输出引脚(I/O口线)P0.0P0.7:P0口8位双向I/O口,占3932脚;P1.0P1.7:P1口8位准双向I/O口,占18脚;P2.0P2.7:P2口8位准双向I/O口,占2128脚;P3.0P3.7:P3口8位准双向I/O口,占1017脚;(2)控制口线PSEN(29脚):外部程序存储器读选通信号。ALE/PROG(30脚):地址锁存允许/编程信号。EA/VPP(31脚):外部程序存储器地
19、址允许/固化编程电压输入端。RST/VPD(9脚):RST是复位信号输入端,VPD是备用电源输入端。(3)电源及其它VCC(40脚):电源端+5V。GND(20脚):接地端。XTAL1、XTAL2(1918脚):时钟电路引脚。当使用内部时钟时,这两个引脚端外接石英晶体和微调电容。当使用外部时钟时,用于外接外部时钟源。2.1.3程序存储器与数据存储器90系列单片机可寻址的内部和外部程序存储器总空间为64KB。每个外部程序和数据存储器可寻址范围高达64KB。它没有采用程序存储器分区的方法,64KB的地址空间是统一的。数据存储器在物理上和逻辑上都分为两个地址空间:一个为256字节的内部数据存储空间,
20、一个为64KB外部数据存储空间。2.1.4 多功能I/O口STC90C52RC共有4个8位的并行I/O口:P0、P1、P2、P3端口。 P0口的功能:P0口有两种功能:第一,P0口可以作为通用的I/O接口使用,P0.7-P0.0用于传送CPU输入/输出数据。输出数据时可以得到锁存,不需要外接专用锁存器,输入数据可以得到缓冲。第二,P0.7-P0.0在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器低8位地址,然后传送CPU对片外存储器的读写。P1口的功能:P1口的功能仅用于传递I/O输入/输出数据。P2口的功能:P2口既能作为通用的I/O口使用,也能作为地址总线用于输出片外存储器的高8位地址。P3口的
21、功能:P3口既能作为通用的I/O口使用,也能做控制用,每个引脚都不同。2.1.5时钟电路单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到:内部振荡和外部振荡方式。如图,在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器,构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益的反相放大器,当外接晶振后,就构成了自激振荡,并产生振动时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ、24MHZ。2.1.6复位电路复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连,斯密特触发器用来抑制噪声,在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次,然后才能得到内部复位操作所需要的信号。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两
22、种方式。2.2 PWM波原理跟踪控制技术在电力电子领域中发挥着重要的作用。由于跟踪型的PWM控制技术具有响应速度快,控制精度高,鲁棒性强等优点,而且属于闭环bang-bang控制,所以该方法在电力电子变换电路中得到广泛应用。目前大量应用的逆变电路中,绝大部分是PWM型逆变电路。可以说PWM控制技术正是有赖于在逆变电路中的应用,才发展的比较成熟,才确定了它在电力电子技术中的重要地位。PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要的波形(含形状和幅值)。在采样控制理论中有一个重要的结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同
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