基于单片机多功能智能信号发生器

摘 要　　
   信号发生器是一种能产生模拟电压波形的设备，这些波形能够校验电子电路的设计。信号发生器广泛用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。
　　本次设计所设计的智能信号发生器，是基于ATMEL生产的AT89C51内核的信号发生器，它的特点之处如下：1.可产生正弦波、方波，锯齿波及三角波。2.各种信号的频率范围为10HZ-24MHZ，本信号发生器既可实现产生低频信号，也可实现产生高频信号，产生的信号为特定频率信号。3.硬件主要由单片机和数模转换器DAC0832构成，电路简单，结构紧凑 ，硬件成本较低。4.波形及其参数可由软件设定，程序采用c51语言编译，使编译比较简单。
　　本论文首先对信号发生器进行了概述，然后介绍了单片机的硬件和软件知识。 硬件包括单片机AT89C51、复位电路 、时钟电路 、键盘电路、 DAC0832 、运放4558；软件包括各波形的产生及对硬件的控制程序。
　　
关键词　信号发生器  AT89C51  DAC0832  单片机  原理图 源程序　　
　　
Abstract　　　
　　A signal generator is an instrument for generating analog voltage waveforms and these waveforms can be used to verify the design of electronic circuits，signal generation is widely used in the automatic control and instructional experiment.
　　The paper proposes a design and implementation of a signal generator that use AT89C51 as its major module, which produced by ATMlE Company. There are some special features as follows. (1) The signal generator can generate sine waveforms , saw waveforms, rectangle waveforms and triangle waveforms. (2) It can generate both low and high frequency signals that from 10HZ to 24MHZ. (3) It's hardware includes AT89C51 and D/A chip DAC0832.The circuit is simple and the hardware is low cost. (4) We use the software to adjust the data of the waveforms. We use the 51 languages to compile the program, so it becomes easy to compile it.
　　This paper shows some instruction first. And then tell us some knowledge about the microprocessor and the software. The generator' hardware includes microprocessor AT89C51, reset circuits, clock circuits, keyboard circuits and DA0832; 4558.The software includes the programs for generating waveforms and controlling hard wares.
　　
Keywords：　 signal generator, AT89C51, D/Achip,DA0832，microcontroller, schematic, source program
　
智能信号发生器的背景
对信号发生器的认识
　　信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子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，以及各种频率的方波、三角波、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，还可以对电工和电子产品整进行指数验证、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、相位的检测中都可以得到广泛的应用。
　　信号发生器按其频率的高低，可分为：超低频信号发生器，低频信号发生器，高频信号发生器，超高频信号发生器，微波信号发生器；按产生波形的不同，可分为：正弦波信号发生器，脉冲波函数波信号发生器，任意波信号发生器； 按调制方式的不同，可分为：调频信号发生器（FM）、调幅信号发生器（AM），调相信号发生器（PM），脉冲调制信号发生器；此外，还可以产生两种或多种波形信号发生器。
　　单片机智能信号发生器目前可直接数字合成（DDS），能够产生任意波形的信号，精度高，可程控，便于与其他设备接口构成各种系统。还有基于USB2.0的虚拟波形信号发生器，也可产生任意波形。本次设计设计的是一个可产生正弦波、方波、锯齿波及三角波的智能信号发生器。
　　智能信号发生器可广泛应用于电子信息、机械、交通、地质、航天航空等专业，在教学、科研、生产、工程等诸多领域应用非常广泛
　　
本次设计的信号发生器的简介
　　本次设计以单片机为核心，配以一定的外围电路和软件，实现智能波的产生和输出，从总体上来看设计任务可以分为硬件设计和软件设计，这两者互相结合，不可分离。从时间上来看，硬件设计的绝大部分工作量在最初阶段，到后期往往还要作一些修改。软件设计任务贯穿始终，到中后期基本上都是软件设计任务。
　　硬件设计部分包括1. 单片机的存储器扩展和接口扩展设计。2. 单片机外部模块设计,包括键盘模块、D/A转换模块、信号放大模块和滤波模块设计。
　　软件部分设计 单片机主程序包括初始化和键入值的判定，其他都是软件子程序如D/A转换、智能波的产生函数及输出函数 。
　　
智能信号发生器的单片机背景
　　单片机自20世纪70年代问世以来．以极其高的性能价格比受到人们的重视和关注，所以应用很广，发展很快。单片机的优点是体积小，重量轻，抗干扰能力强，对环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。广大工程技术人员通过学习有关单片机的知识后，
　　也能依靠自己的力量来开发所希望的单片机系统，并可获得较高的经济效益。正因为如此，在我国，单片机已被广泛地应用在工业自动化控制、自动检测、智能仪器仪表、家用电器等各个方面。
　　什么是单片机?单片机就是在一块硅片上集成了微处理器(CPU)，存储器(RAM，ROM，E-PROM)和各种输入、输出接口(定时器／计数器，并行I/O口，串行口，A／D转换器以及脉冲调制器PWM等)，这样一块芯片具有一台计算机的属性，因而被称为单片微型计算机，简称单片机。

信号发生器的数模转换背景
数模转换器的功能
　　数模转换器是一种将输入的数字信号转换成模拟信号输出的电路或器件，它被广泛地应用在信号采集和处理、数字通信、自动检测、自动控制和多媒体技术等领域。
　　无论在工业生产还是在科学研究中，常常要对某些系统参数进行采集、加工和控制，它们往往是非电的模拟量，例如声、光、磁、热和机械参数等。为了用电子技术处理这些停息．先要通过传感器把这些非电信号变换为相应的电信号。  
　　 随着数字技术的迅速发展和成熟，尤其是微处理器的迅速发展和广泛应用，使数字信号的大量存储、快速正确地处理和控制成为很容易的事，因而用数字技术处理模拟信号已越来越受到而视。方法是先把模拟电信号变换为数字信号(模数转换)，再利用数字技术对数字技术加工处理，处理结果根据需要再变换为模拟电信号(数模转换)，以适应后面显示或执行机构的要求，实现对模拟信的显示或控制。
　　例如工业生产中常常需要对系统的温度参数进行控制，当采用数字系统实现其功能时，先用热电偶或其他温度传感器把系统温度转换成电压，经放大和滤波等预处理，用模数转换器把它变换成对应的数字量，再送入数字系统处理，根据系统情况和控制要求产生的处理结果用数模转换器变换为模拟电压．用来而控制加热系统的功率、实现对系统温度参数的控制。   
　　综上所述，数模转换器具有和模数转换器相对应的基本功能。模数转换器使数字系统能从模拟电子系统中获取与模拟信号有单值函数关系的数字信息，而数模转换器则可以把数字系统处理的结果变为对应的模拟信号，回送给模拟系统，以实观对模拟系统工作状态的检测和控制。因此，数模转换器是数字电子系统和模拟电子系统之间的常用接口电路。
　　数模转换器的发展经历了电子管、晶体管到集成电路的过程   。 40年代后期，人们开始了数字通信的研究和实践，例如研究脉冲编码调制式通信。它要求发送部分能将所要传送的声音、图像等连续变化的模拟量转换成数字形式发送出去，而信号接收部分要求能把接收到的数字信号还原成声音、图像。于是研制了由电子管组装而成的模数转换器和数模转换器，使这种可靠和经济的数字通信得以实现。随着晶体管工艺的发展和成熟。到50年代后期，转换器中的电子管逐步由晶体管替代，使转换器的体积和重量大大减小。数字计算机的兴起、发展和应用领域的不断扩大，促进了集成电路和转换技术的迅速发展。到60年代中期，构成数模转换器的一些主要功能单元电路，如基准电压源、模拟开关、运算放大器等已制成半导体集成电路。同时薄膜集成电路和厚膜集成电路也有很大发展。
　 70年代初，所有元件那被集成在一个芯片上的单片集成数模转换器研制成功。它标志数模转换器真正达到了工业化大批量生产的阶段。此后，转换器得到迅速发展。性能不断提高。工艺上进一步发展，产生了标准双极型工艺和CMOS工艺结合起来的组合技术CMOS工艺的集成电路，功耗小、集成度高，制成的模拟开关有双向特性。在数模转换器的功能方面，不但有一般功能的，还有为一些特定
　应用领域研制的特殊功能数模转换器，例如用于视频调色显示的视频数模转换器。替代手工调整电位器而设计的数字电位器，专用于把数字化音频信号转换成模拟音频信号的音频数模转换器，脉码调制编码译码系统中用的压扩数模转换器等， D／A转换器有两种输出形式，一种是电压输出形式，即输入的是数字量，而输出为电压。
　另一种是电流输出形式，即输出为电流。在实际应用中如需要电压模拟量的话，对于电流输出的D／A转换器，可在其输出端加运算放大器构成的电流-电压转换电路，将转换器的电流输.

D／A转换部分
　在单片机的实时控制和智能仪表等应用系统中，控制或测量对象的有关变量，往往是一些连续变化的模拟量，如温度、压力、流量、速度等物理量。这些模拟量必须转换成数字量后才能输入到单片机中进行处理。单片机处理的结果，也常常需要转换为模拟信号。若输入的是非电信号，还需经过传感器转换成模拟电信号。实现模拟量转换成数字量的器件称为模数转换器(ADC)，数字量转换成模拟量的器件称为数模转换器(DAC)。

信号发生器的总体硬件结构及原理    
    
     信号发生器的硬件结构主要由AT89C51、复位电路、时钟电路、数模转换电路DAC0832及运算放大器4558六部分构成。其中单片机AT89C51的程序存储器 存放软件程序，程序包括正弦波三角波锯齿波矩形波的产生程序及对波形的频率输入程序，还有对键盘和DAC0832的控制程序。打开信号发生器后，单片机程序请求用户从键盘上输入波形所对应的键号值及波形所对应的频率值。像1号键对应正弦波输出、2号对应三角波输出，3号对应矩尺波输出、4号对应矩形波输出。例如若想得到1KHZ的正弦波 ，则需按下1号键，等待程序要求输入正弦波的频率，再按下1K键。这些波形参数通过键盘由单片机的P1口进入，被存放在AT89C51的数据存储器内，单片机调用波形程序后，由P0口输出波形进入数模转换器的P1口，数模转换器将信号波由数字形式转换为模拟的形式，由数摸转换器输出的波是电流型的，而用来显示波形的示波器是电压型的仪器，所以在数模转换器以后需要添加运算放大器将电流型的信号转换成电压型的信号，同时放大信号，以便于在示波器中观察。

　　目  录
　　
　　摘 要 I
　　Abstract II
　　第1章 绪论 1
　　1.1智能信号发生器的背景 1
　　1.1.1对信号发生器的认识 1
　　1.1.2 本次设计的信号发生器的简介 1
　　1.2 智能信号发生器的单片机背景 2
　　1.3 信号发生器的数模转换背景 2
　　1.3.1数模转换器的功能 2
　　1.3 D／A转换部分 4
　　1.3.1 D／A转换器概述 4
　　1.3. 2主要技术指标 5
　　第2章 智能信号发生器的硬件设计 6
　　2.1 信号发生器的总体硬件结构及原理 6
　　2.2 存储器的结构 7
　　2.3 并行I/O口 9
　　2.4时钟电路 10
　　2.5 复位操作 10
　　2.6复位电路 11
　　2.7键盘输入电路 12
　　2.7.1键盘输入应解决的问题 12
　　2.7.2键盘的编码 15
　　2.8  D/A转换电路 16
　　2.8.1 D／A转换器的工作原理 16
　　2.8.2  AT89C51与8位DAC0832的接口 17
　　第3章 智能信号发生器的软件设计 20
　　3.1 软件总程序流程介绍 20
　　3.2系统软件设计 21
　　3.2.1 主程序 21
　　3.2.2键盘输入程序 21
　　3.3 频率的控制 23
　　3.4 三角波程序原理 24
　　3.5 矩形波程序原理 24
　　3.6 正弦波程序 24
　　结 论 27
　　参考文献 28
　　程序框图 29
　　protel总体原理图 30
　　源程序 31
　　致谢 41
　　毕业设计（论文）成绩评定表 42