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基于单片机的信号发生器设计

来源: 军玲的小数点
2022-06-17 12:53:04

第1章 绪论

1.1课题研究的背景与意义

  当前科技发展非常迅速,在无线通信领域又有了新的突破,无线通信技术从2G逐渐发展到3G,再由3G逐步发展到4G,而如今已经进入5G时代。有线通信领域也得到飞速发展,如USB通信如今已近发展到了USB3.2,数据传送能力高达10Gbit/S。不管是有线数据传输还是无线数据通信,他们都与频率紧密相关,频率越快,数据传输和数据通信速度就越快。而数据传输与数据通信是否稳定与信号质量的好坏有直接关系,这就要求人们在设计产品时,需要使用信号发射器去检测产品的信号质量,而对于一台质量不错的信号发生器价格高达10多万元,而小微企业本身资金比较紧张,再花高价购买这种信号发生器无疑使企业进入进退两难境地。[1]此外,人们在对通信产品进行维护和检修的时候,也时常需要使用信号发生器进行检测,而一般的信号发生器都比较笨重,非常不利于携带,给维修带来很多麻烦,为此,本系统设计了一套基于单片机的信号发生器,该信号发生器可以输出方波、正弦波、三角波、锯齿波,还可调节信号幅度和频率,体积小,性能稳定,使用方便,这对于微小企业以及通信维护人员而言,具有非常重要的意义。

1.2信号发生器历史研究现状

  信号发生器主要功能是产生不同频率信号,利用这一点,可将其用于调节射频匹配电路。信号发生器在1920年就已经有了,不过当时的信号发生器比较简单,只用于信号的定性分析。[2]大约经过20年代发展,信号发生器的功能得到了增强,逐渐将其用于信号质量的检测上面,可定性的分析一些简单的射频电路,到了上世纪60年代,电子信息技术得到飞速发展,函数信号发生器便在这个时期生产出来了,可利用函数信号发生器产生方波、三角波、锯齿波、正弦波等信号,不过这时的信号发生器产生的波形精度不够高。

  到80年代,电子技术已经进入到了数字时代,数字电路,集成芯片飞速发展。此时的信号发生器内部电路基本采用的是数字电路来实现的,使得信号发生器产生的信号频率和波形的精度得到极大的提高,同时还可实现变频功能。

  而到了上世纪90年代,信号发生器的性能得到了进一步的提升,不仅精度高,而且功能非常丰富,其中最具代表性的信号发生器就是HP公司所设计的HP770S。

  信号发生器发展至今,其技术与性能已经非常成熟,而当前信号发生器做的比较好的还是欧美等一些发达国家,例如,美国的agilnet 、Tektronix以及FLUK这几家公司所生产的信号发生器,在波形输出的质量方面做的非常好,波形失真小,可输出各种不同的波形信号,同时信号频率可达5GHZ,输出电压的幅度也在10V以上[3]。另外,国外发达国家所设计的信号发生器十分稳定,即使在干扰强度比较大的场所,它都能正常工作,能适用各种不同环境。但是在价格方便十分昂贵。

  由于新中国成立比较晚,在电子信息技术方面起步比较晚,但是发展速度非常快,如今,市场上也有各种信号发生器,例如在信号发生器方面做的比较好的国内较知名公司有南京盛普仪器科技有限公司以及华高仪器公司等。SPF120DDS信号发生器就是由南京盛普仪器科技有限公司所研发的,该信号发生器无论是在波形精度还是产品稳定性能方面都做的比较好。HG1600H信号发生器就是由华高仪器公司所研发的,在质量方面也做的比较不错,在价格方面比agilnet 、Tektronix等品牌的信号发生器便宜不少,只需几万块就可以买到。但是在对于一些干扰强度比较大,环境比较恶劣的场合,国内的信号发生器则可能会出现不能使用或者不稳定的情况出现[4]。与外国相技术相比还存在一定的差距。

1.3课题主要研究内容

  本系统设计一款基于单片机的信号发生器,该信号发生器需要输出正弦波、方波、三角波以及锯齿波等信号,可通过按键调节信号的频率以及信号的幅度[5]。研究本系统需从下面几个方向进行入手:

  (1)利用百度、GOOGLE等网络查找信号发生器相关文献,阅读文献,从中了解他人是如何设计信号发生器的,分析他人设计的信号发生器的优缺点,取其精华去其糟粕来设计本系统。

  (2)对系统总体方案进行设计,对系统功能需求进行分析,然后阐述信号发生器的工作原理,并利用单片机完成信号发生器总体方案设计。

  (4)利用proteus软件完成系统硬件电路设计,利用单片机以及系统所选芯片设计出信号发生器的电路图,同时针对系统电路详细阐述各部分电路的工作原理。

  (5)系统软件驱动设计,针对系统中各部分电路,设计出其驱动程序,并完成系统软件功能的调试。

  (6)系统调试,将软件驱动程序生成.hex文件,然后再加载到proteus软件中的单片机上,对系统功能进行调试,完成信号发生器仿真设计[6]

  (7)总结;对本文设计进行总结,总结系统中还存在哪些问题以及需要在方面进行改善。

第2章 系统需求分析与总体方案设计

2.1 系统功能需求分析

  通过对基于单片机的信号发生器课题进行需求分析后,了解到系统需要利用单片机作为主控芯片来设计一个信号发生器,该信号发生器要求可以输出正弦波、方波、三角波信号,同时要求这几种信号的频率和幅度都可调。具体指标要求如下:

  (1)波形频率可在0.1HZ~1MHZ范围内可调;

  (2)波形的幅度可在0.1V~10V范围内可调;

  (3)可通过显示器将正弦波、方波、三角波、锯齿波这几种信号输出。

2.2 信号发生器波形输出工作原理

  无论是方波、正弦波还是三角波都可以看成无数个不同电压点所组成的曲线,而且这些电压点会进周期变化,这便形成了各种信号的频率。频率越快,各种波形的变化周期越短。而单片机输出的都是0和1数字信号,而正弦波、方波、三角波等信号都是模拟信号,因此需要让数字信号输出变成模拟信号,则需要借助DAC转换芯片。将单片机的I/O作为输出接到DAC转换芯片的输入,如果将单片机的8个I/O口作为输出,接到数模转换芯片的8个I/O输入口,这样在模数转换芯片输出端就可以输出27个电压值。这些电压输出值比较小,需要利用运放将其放大,才能使系统输出良好的波形信号[7]。而DAC转换芯片一般都有一个参考电压,通过调节参考电压值,便可以改变波形的幅度;通过调节单片机8位I/O口输出电压的频率便可以调节各种信号波的频率。通过分析后,便明白信号发生器的工作原理。

2.3 系统总体方案设计

  通过信号发生器的工作原理进行分析后,了解到信号发生器发送出去的是模拟信号,而单片机输出的是数字信号,因此在设计信号发生器系统时,需要使用到数模转换芯片,可选择数模转换芯片DAC0832,然后再利用运算放大器将DAC0832输出的电流信号转换成电压信号。这样信号发生器便输出了模拟电压。系统要输出各种波形信号,则要求DAC0832在运放的作用下,在不同时间点输出不同的电压值,再将这些电压值连接起来,便构成了相应的波形信号[8]。而要得到不同的电压值,则单片机需要将8位I/O口接到DAC0832芯片的8位数据信号输入端,单片机通过改变8位I/O口的数字信号,便可以在DAC0832以及运放的作用下,得到不同的电压值,再在时间的作用下形成不同的波形信号。波形信号频率的的变化可通过改变单片机8位I/O输出口的数据变化率来实现。

  波形信号的幅度由DAC0832的参考电压VREF来决定,为了确保VREF的大小可变,本系统使用到了芯片PCF8591,将PCF8591芯片的模拟电压输出端接在DAC0832的VREF上,通过改变PCF8591模拟电压输出值便可改变VREF值,从而改变波形信号的幅度值[9]。而PCF8591的模拟电压输出值则是尤其I2C总行上的数据所决定,利用单片机的I/O口模拟I2C与PCF8591进行通信,那么单片机便可通过I/O口控制VREF电压的变化,从而控制波形的幅度变化[10]。具体的信号发生器方案设计框图如图2-1所示:

  图2-1 信号发生器波形转换方案图

第3章 系统硬件设计

3.1 单片机最小系统

  只有当AT89C52单片机最小系统正常工作之后,才能确保智能家居系统稳定工作。AT89C52单片机最小系统包括晶振电路、复位电路以及电源电路三个部分,其中电源电路则直接使用5V电压VCC给该单片机供电即可[11]。设计出单片机最小电路如图3-1所示:

  图3-1 单片机最小系统

3.1.1 晶振电路设计

  单片机稳定工作则需要稳定的时钟信号,而时钟信号则是由晶振电路产生,因此晶振电路设计的好坏直接影响到最小系统的稳定性[12]。单片机的18脚和19脚为晶振连接输入脚,将晶振X1的两端连接到单片机18和19脚之后便会产生时钟信号,此时的信号会存在不稳定的问题,需要在晶振Y1的两端分别外接一个22PF电容C1、C2到GND,该电容为晶振的匹配电容,晶振匹配了电容之后,那么产生的时钟信号就比较稳定。出现的频偏也是在20PPM的范围内[13]。这样才能确保系统时钟稳定可靠。具体电路如图3-2所示:

  图3-2 晶振电路

3.1.2 复位电路

  最小系统除了晶振电路之外,还需要具备复位电路,单片机上电后,启动的时候,需要复位电路先进行复位,确保系统运行的起始地址一致 ,保证系统工作的稳定性[14],复位是利用电容C3与R1来实现,设计出复位电路如下图3-3所示:

  图3-3 复位电路

  自动复位电路工作原理:系统上电后,VCC电压瞬间变成5V,而电容C3上电前没有存储电量,当上电瞬间,C3没有充电[15],其两端电压是相同的,因此C3的两端电压相同都为5V,右脚接到单片机RES复位引脚,因此,上电瞬间,RES电压为高电平;随着时间的推移,C3电容在电阻R1的作用下不断的进行充电,当电量充满时,则C3电容两端电压就为VCC,因此C3的右脚电压变成低电平,因此单片机的RES引脚也变成低电平,从而使单片机在上电过程中实现了从高电平到低电平转变,其转换时间超过2个机器周期,从而实现自动复位功能。

3.2 波形幅度调节电路设计

  为改变系统输出的波形幅度值,本系统使用到了PCF8591芯片,该芯片是一个8位CMOS数据采集器,该芯片可以将模拟信号转换成数字信号,再通过I2C数据总线将该数字信号发送给单片机;也可以反过来,单片机通过I2C总线将数字信号发送给PCF8591芯片,再由该芯片进行数模转换后,变成模拟电压再由AOUT脚输出。利用这一原理,本系统为了调节信号发生器的幅度值,将单片机P2.0和P2.1模拟I2C与PCF8591通信,这样单片机便可以控制PCF8591的AOUT输出端模拟电压的大小,再将其接入到DAC0832的VREF脚上,便可以控制波形的幅度[16]。具体电路设计如下3-4所示:

  图3-4 波形幅度调节电路

3.3 数模转换电路设计

  信号发生器产生各种波形信号使用到了DAC0832数模转换芯片,该芯片内部集成了一个8位D/A转换器,一个8为DAC寄存器,一个8位输入寄存器以及一个控制电路,其内部采用的是倒T型R-2R电阻网络,将该数模转换芯片与运算放大器LM358一起使用,便可以使运放输出端有28 =256个电压值输出。在不同时间内变换输出不同的电压值,使其产生周期性的变化便能形成相应的波形信号。下 图3-5为DAC0832与运放的内部连接图:

  图3-5 DAC0832与LM358内部连接图

  DAC0832的RFB为反馈脚,其内部含有反馈电阻,因此,在该芯片与运放共同使用时,无需外接放大电阻[17]。VREF为参考DAC0832的参考电压,它能够决定VOUT输出的幅度,Vout与VRFEz之间的关系如公式3-1所示:

   Vout =-VREF x D/256 (3-1)

  上面公式中,D为28 。其大小范围在0~255范围内,D的大小可又单片机的8个I/O口输出的电平决定。 VREF的大小由PCF8591芯片的模拟输出AOUT的大小决定。而PCF8591的AOUT大小由单片机P2.0和P2.1决定。设计出模数转换电路如下图3-6所示:

  图3-6 DAC转换电路

3.4按键中断控制电路设计

  基于单片机的信号发生器要求输出方波、三角波、锯齿波以及正弦波信号,信号的幅度和频率可调,用户可通过系统按键来对信号发生器进行设置。在系统中,设计了8个按键,其功能分别为100HZ频率加按键、1hz频率加按键、-1hz频率减按键、1V电压幅度加按键、0.1V电压幅度加按键、-0.1V电压幅度减按键、波形切换按键、扫频开关按键。为了方便系统设计,采用独立按键设计方法,利用单片机P1口将各按键连接,通过软件将P1口设置成上拉状态[18]。当没有按键按下时,单片机P1口中的所有I/O口检测的到时高电平;当有按键按下时,则该按键对应单片机的I/O口会被拉低,变成低电平。单片机便能检测到,从而调用该按键程序执行相应的功能。具体电路设计如下图3-7所示:

  图3-7按键中断控制电路

3.5电源电路设计

  本系统电路设计是在Proteus仿真软件上设计,该仿真软件有各种电源,可直接调用。无需使用电压转换芯片。在本系统单片机使用5V电压供电,而为了使输出波形幅度为10V,则PCF8591采用10V电压供电,而运算放大器采用±15V供电,直接从仿真软件上取电源即可。

第4章 系统软件设计

4.1 KEIL 软件简介

  完成proteus软件电路图设计之后,接下来需要对单片机编写驱动程序,系统驱动程序的编写是在keil软件平台上完成的,该软件平台功能非常强大,可以支持C语言和汇编两种语言,其内部集成了宏定义,C编译器等,内部含有各种C语言库函数,使用的时候可直接调用这些函数,可以节省大量的项目开发时间,缩短开发周期。该软件目前单片机驱动程序使用最多的一款软件,Keil软件打开后,要先建立工程,然后在工程当中建立一个.c文件,在此文件中编写代码驱动程序,具体如下图4-1所示:

  图4-1软件程序编写界面

4.2 系统主程序设计

  主程序是软件系统中最为重要的程序,因为系统程序是由各个子程序所构成,而子程序的调用全部是在主程序中来实现的,主程序设计的好坏直接能影响到系统的逻辑结构,影响到系统工作的稳定性。在本系统中,系统开始运行后,先会执行主程序,在主程序中对单片机及其外围元件进行初始化设置,完成初始化设置之后,系统就会执行正弦波程序,让信号发生器输出正弦波信号,然后再去检测是否有按键按下,如果有按键按下,系统检测到后,便会执行相应按键的程序,从而改变信号发生器输出的波形。如果没有按键产生,则系统继续保持当前波形输出,然后再继续去访问是否有按键按下,如此循环下去[19]。具体主程序流程图如下图4-2所示:

  图4-2系统主程序流程图

  主程序代码:

  void main()

  {

  uchar key_temp; // 定义一个临时变量

  uchar zhankongbi=50; //占空比设置为50%

  DACconversion(PCF8591,0x42,fudu*2.55); //调用DAC转换函数,输出正弦波

  LCD_Initial(); //对LCD屏进行初始化

  for(k=0;k<128;k++) // 初始化波形类型

  {

  boxing_num[k]=sin_num[k]; //从波形数组里面一一取数值,

  }

  flang=1; //上电后,按键没按下去时,默认标志位为1

  set_time();

  init();

  GotoXY(0,0); //显示起始位置 Y=0,第一行,Y=1 第二行//显示第一行

  if(flang==1)Print(wave1 ); // 根据按键值显示波形类型

  if(flang==2)Print(wave2 ); // 按键按下第1次,切换波形2

  if(flang==3)Print(wave3 ); // 按键按下第2次,切换波形3

  if(flang==4)Print(wave4 ); // 按键按下第3次,切换波形4

  系统上电后,初始化的波形占空比为50%,然后初始化LCD,再输出初始化波形,然后在相应的位置显示出相应的波形点,通过各个点串联成一个波形图,根据按键按下的不同值,输出不同的波形。

4.3按键扫描程序设计

  本系统是通过按键来改变信号发生器的波形,系统一共有八个按键,按下不同按键时,系统需要输出不同的波形。定义按键6为波形切换按键,按键0为100HZ频率增加按键,按键1为1HZ频率增加按键,按键2为1HZ频率减按键,按键3位1V幅度增加按键,按键4为0.1V幅度增加按键,按键5为0.1V幅度减小按键,按键7位扫频按键,flang为标志位,用于判断按键6按下的次数当flang为1是默认输出正弦波;当flang为2时,输出三角波;当flang为3时输出锯齿波;当flang为4时,输出方波;当flang为5时,则会令flang=1,输出正弦波[20]。因此,当有按键按下时,系统调用按键程序会去判断是哪个按键按下,如果是按键6按下,表示需要切换信号发生器的输出波形,令flang+1,然后判断flang的值,再输出相应的波形信号。当是0按键按下时,则系统会在原有的波形上,改变其输出频率,使频率增加100HZ;当按下的是1按键,则将频率增加1HZ;当2按键按下,则将频率减小1HZ;当按键3按下时,表示要在原有波形的基础上增加1V的波形幅度;当4按键按下,则幅度增加0.1V;当5按键按下,则幅度减小0.1V;当7按键按下,则进行扫频。当执行完按键程序后,返回系统主程序。具体流程如下图4-3所示:

  图4-3按键控制流程图

  第5章 软件仿真与调试

5.1 proteus仿真软件简介

  基于单片机的信号发生器设计是在仿真软件proteus上实现的,该仿真软件集成了很多芯片模型,在使用各芯片时,只需要在系统中将芯片的模型调用出来即可,可对51单片机、PIC单片机、MSP430等单片机进行仿真,其仿真结果与实际输出结果保持高度一致。使用该软件可以从理论上判断电路是否设计正确,从而实验所造成的成本。利用该软件,可以搭建一些比较复杂的电路,可通过软件上的各种工具分析出电路的实际波形,实际的工作过程[21]。对于电路设计人员而言具有非常重要的意义。

  利用proteus仿真软件时,将基于单片机信号发生器所需要的元件放入原理图设计框中,然后通过线将各芯片连接起来,完成硬件电路的原理图制作,基于单片机的信号发生器原理图设计如图5-1所示:

  图5-1 仿真原理图

5.2 proteus仿真调试

  当完成proteus软件电路设计之后,需要将信号发生器的驱动程序.hex文件加载到AT89C52单片机当中,操作如下:选中单片机AT89C52,双击左键,会弹出下面图5-2所示的界面:

  图5-2双击单片机后弹出的界面

  在该界面当中,找到program File,然后单击右边文件夹打开的图标,然后找到系统软件.hex驱动程序,并选中,具体如下图5-3所示:

  图5-3 选中信号发生器.hex

  选中了信号发生器.hex文件后,单击打开,这样该文件就加载到了单片机AT89C52芯片中。然后就可以对系统进行仿真了。仿真时,单击仿真软件左下角的三角形,具体如下图5-4所示:

  图5-4仿真开始操作图

  对系统电路进行仿真调试时,发现仿真后,没有波形输出,检查硬件电路图的焊接情况,也没有发现什么问题,再在keil软件上检查代码驱动程序,发现代码驱动程序中的8位数据I/O口设置有问题,驱动程序中用的是单片机的P2口,而实际电路中使用的是P3口,将代码更改成P2口后,再生成.hex文件,再将其导入到proteus仿真软件的单片机当中,再运行后,得到波形图,通过波形切换或者频率调节,幅度调节按键后,可以正常输出所需的波形。很好的完成了本课题信号发生器的功能设计。

5.3 proteus仿真结果展示

  在proteus软件上,单击仿真按钮后,便会产生幅度为5V频率为100HZ的正弦波信号,具体实物如图5-5所示:

  图5-5 正弦波波形图

  按下波形切换按键后,正弦波信号会变成三角波信号,具体仿真结果如图5-6所示:

  图5-6 三角波信号

  再按一下波形切换按键后,三角波信号会变成锯齿波信号,具体如仿真结果如图5-7所示:

  图5-7 锯齿波信号

  再按一下波形切换按键后,仿真软件上会输出方波信号,同时LCD1602显示上也会提示当前波形为方波信号,幅度为5V,频率为100KHZ,具体波形如图5-8所示:

  图5-8锯齿波信号转换成方波信号

  按下100HZ按键后,该方波信号频率就会增加变成200HZ,并在LCD1602上显示出来,具体仿真结果如图5-9所示:

  图5-9 频率调节仿真结果

  通过波形切换按键将系统波形调成正弦波后,按下1HZ频率加按键后,显示屏上会显示当前的频率为201HZ。具体如下图5-10所示:

  图5-10 正弦波1HZ频率加按键操作结果图

  按2次1HZ频率减按键后,显示屏上显示出频率为199HZ,具体仿真结果如下图5-11

  图5-11 正弦波1HZ频率减按键操作结果图

  按2次1V幅度调节按键,波形幅度由原来的5V变成现在的7V,具体实验效果如图5-12所示:

  图5-12 按两次1V调幅按键后仿真效果图

  在幅度为3.7V电压下,调节-0.1V按键后,在显示屏上会显示幅度电压为3.6,波形幅度也会相应减少0.1V,具体结果如下图5-13所示:

  图5-13 按-0.1V幅度调节按钮仿真图

  按+0.1V幅度调节按钮后,波形幅度会增加0.1V,同时显示器上会显示3.7V幅度具体仿真结果如下图5-14所示:

  图5-14 按+0.1V按键后仿真效果图

  通过上述仿真试验后,确定了系统可以完成频率、幅度、波形的变换功能。达到了课题中的任务目标,很好的完成了课题任务要求。

第6章 总结

  本系统是设计一款基于单片机的信号发生器,该发生器采用AT89C52单片机作为主控芯片,将单片机P2.0和P2.1模拟成I2C与PCF8591的I2C接口进行通信,实现数模转换,使之产生模拟的幅度信号,再将该信号作为DAC0832的VREF信号,从而确保系统最终输出的信号幅度在0.1V~10V范围内;单片机通过其P3口与DAC0832的8位数字口相连,再将DAC0832的模拟电流输出口与LM358运放构成放大电路,从而使系统最后输出模拟电压信号,单片机通过改变P3口的数据便可以改变系统最后的信号波形。通过调节系统中的频率调节、幅度调节、波形调节、扫频等按键后,信号发生器便会产生用户所需要的信号,很好的完成可本次毕业设计,实现了课题中的所有功能

  虽然本次毕业设计很好的完成了课题所要求的功能,但是该信号发生器的出频率范围比较窄,主要是单片机AT89C52的运行速度比较慢,使得系统输出的波形信号频率比较小。如果要使信号发生器产生更高的频率,则在后期可以惦使用STM32单片机或者ARM芯片来实现。

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  致谢:转眼就要毕业了,就要离开生活4年的母校踏上社会,在此我要感谢的的毕业设计指导老师,感谢你在我做毕业设计期间给我的帮助和鼓励,让我从一个不会做设计的小白,到现在懵懵懂懂可以做点东西,增强了我的自信,在做毕设期间,遇到了各种问题,你给与了指点,更重要的是你让我学会了如何查找资料,如何借助工具和论坛,让我有了解决问题的方向和思路,并培养了我的自律能力,谢谢你。

  我还要感谢大学的同学、朋友以及任课老师们,正是因为有你们的陪伴,让我大学生活充满了阳光和欢乐,让我学会了很多专业知识,培养了我的自学自律能力,谢谢你们。

  最后我要感谢我亲爱的父母,感谢多年来的养育之恩,感谢多年来在我背后默默的付出与支持。我不会让你们失望,谢谢你们

  仿真原理图

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