基于51单片机的波形发生器设计——本科毕业设计摘要

0 下载量 159 浏览量 更新于2024-01-11 收藏 4.51MB DOC 举报
本文介绍了基于51单片机的波形生成器的两种设计方案。波形生成器作为信号源广泛应用于电子工业、自动控制和科学试验等领域。目前国内市场上波形生成器种类匮乏,价格昂贵。因此,为了满足各个领域对波形生成器的需求,本文设计了两种功能齐全、使用方便的波形生成器。 第一种方案是程控波形生成器。该方案采用了89C51单片机和数模转换器DAC0832。波形数据由单片机执行程序产生,并通过定时器定时控制送给DAC转换器进行输出。此外,该方案还扩展了LED显示模块和键盘模块,使得用户与系统之间的交互更加便捷。这种设计方案的优点是能够产生频率、幅值可调的正弦波、三角波、锯齿波和方波四种波形。 第二种方案是硬件波形生成器。该方案同样采用了51单片机,并使用外部RAM存储波形数据。通过单片机的执行程序或从上位机接收波形数据,将波形数据写入外部RAM中,然后由外部电路控制从RAM中取出波形数据送给DAC转换器进行输出。与第一种方案相比,该方案具有产生高频波的能力,并且具有良好的可升级性。 对于软件设计部分,本文采用了Keil C软件,使用C语言进行程序设计。仿真软件Proteus则用于进行系统的仿真和验证。 通过对两种方案的设计和实现,本文所设计的波形生成器能够满足不同领域对波形生成器的需求。无论是在实验、研究还是工业应用方面,本文的设计方案都具备了功能齐全、使用方便的特点。此外,两种方案均能产生频率、幅值可调的正弦波、三角波、锯齿波和方波四种波形。通过使用合适的方案和软硬件设计,本文所设计的波形生成器具有较高的可靠性和稳定性。 综上所述,本文基于51单片机的波形生成器设计有两种方案,分别是程控波形生成器和硬件波形生成器。这两种方案在功能和使用方便性方面各有特色,能够满足不同领域对波形生成器的需求。通过软硬件的设计和实现,本文设计的波形生成器具备了产生频率、幅值可调的正弦波、三角波、锯齿波和方波四种波形的能力。基于Keil C软件和Proteus仿真软件的使用,保证了系统的稳定性和可靠性。
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目 录 1 设计要求 1 1.1 题目要求及分析 1 1.1.1 示意图 1 1.2 设计要求 1 2 波形发生器系统设计方案 2 2.1 方案的设计思路 2 2.2 设计框图及系统介绍 2 2.3 选择合适的设计方案 2 3 主要硬件电路及器件介绍 4 3.1 80C51单片机 4 3.2 DAC0832 5 3.3 数码显示管 6 4 系统的硬件设计 8 4.1 硬件原理框图 8 4.2 89C51系统设计 8 4.3 时钟电路 9 4.4 复位电路 9 4.5 键盘接口电路 10 4.6 数模转换器 11 5 系统软件设计 12 5.1 流程图: 12 5.2 产生波形图 12 5.2.1 正弦波 12 5.2.2 三角波 13 5.2.3 方波 14 6 结论 16 主要参考文献 17 1 设计要求 (1) 系统具有产生正弦波、三角波、方波三种周期性波形的功能。 (2) 用键盘控制上述三种波形(同周期)的生成,以及由基波和它的谐波(5次以下)线性组 合的波形。 (3) 系统具有存储波形功能。 (4) 系统输出波形的频率范围为1Hz~1MHz,重复频率可调,频率步进间隔 100Hz,非正弦波 的频率按照10次谐波来计算。 (5) 系统输出波形幅度范围0~5V。 (6) 系统具有显示输出波形的类型、重复频率和幅度的功能。 2 波形发生器系统设计方案 设计并制作一个波形信号发生器,能够产生正弦波、方波、三角波的波形,其中不使 用DDS和一些专用的波形产生芯片。并让系统的频率范围在1Hz~1MHZ可调节,在频率范 围在1HZ~10KHz时,步进小于或等于10Hz,在频率范围在10KHz~1MHz时,步进小于或等 于100Hz,并且电压在0~5V范围,能够实时的显示波形的类型、频率和幅值。 2.1 方案的设计思路 以AT89C51单片机作为系统的控制核心,其中P0口接DAC0832作为信号输入同时进行数 模转换,P1口用来接键盘,P2口接LED显示器,由程序来控制P0口产生的波形,再由按键 和按键次数控制波形的种类、频率和幅值的大小,并且能够通过按键来控制波形频率值 和幅度值。由运算放大器DAC0832来实现输出电流到电压的转换,即实现数字信号到模拟 信号的转换。另外在LED上显示实时的频率值和幅度值,产生的波形在示波器显示。并且 通过按键来决定波形数据的存储方式,在按键按下后,就把当时的波形所对应的幅度值 、频率值等参数存储下来。 波形的合成:在波形的合成时,通过外部中断高低电平的延时的时间来进行解码,在 采样的时,对正弦波,三角波,方波都只取了20个采样点,因为采样点越少,其频率能 够达到的值就会越大,合成时就是对幅值点进行一个叠加来输出一组波形。 2.2 设计框图及系统介绍 系统主要部分设计框图如下图所示: 图2:框图设计 2.3 选择合适的设计方案 方案一:采用模拟分立元件或单片函数发生器就可以产生正弦波、方波、三角波,方 法简单。通过调整外部元件也可以实现输出频率的改变,但采用模拟元器件造成元件分 散性太大,从而产生的频率稳定性较差、抗干扰能力低、灵活性较差、而且精度低,不 能实现任意波形转换和波形运算输出等方面自主控制功能。 方案二:采用专业的锁相式频率合成方案,这种锁相式频率合成是一种高稳定度和高 精确度的大量离散技术,他能够准确的产生波形,可以很好的解决频率稳定精确的情况 下又要求频率在较大的范围内可调的问题。但是频率受VCO可变频率范围上的影响,高低 频率比无法做到很高,还有其只能产生正弦波或方波,不能满足产生三角波的要求。 方案三:采用AT89C51单片机和数模转换器DAC0832实现波形的产生。波形的产生方法 是用AT89C51单片机执行波形程序,向DAC0832转换器的输入端输入相应的数据,从而在 DA转换电路输出端再通过运放电路转换得到相应的电压波形。在AT89C51的P1口接按键控 制波形的种类和波形的频率,每种波形对应一种按键方式。此方案原理简单,同时适合 操作,实现起来也相对较容易。 经比较,方案三的设计能够更好的实现和完成题目的要求,产生的三种波形和频率可 由按键控制,并通过按键改变来转换不同的波形,也能够在示波器上显示出所要求的波 形。波形的频率步进也可以实现调节,具有线路简单、可行性高、符合设计要求等优点 。在本设计的基础上,加上LED数码显示管,从而能够在LED上显示出频率值、幅度值信 息。输出的波形也较稳定,精度较高,通过滤波电路使得系统的抗干扰性增强,电路简 单,性价比高。综上所述,我们选择了第三种方案。 3 主要硬件电路及器件介绍 3.1 80C51单片机 图3:8051引脚图 80C51单片机按功能划分,由8个部件组成:微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、 程序存储器(ROM