簡易低頻信號發生器論文摘 要 本系統是基于 stc12c5a60s2單片機的數字式低頻信號發生器。采用 stc12c5a60s2 單片機作為控制核心，外圍采用數字/模擬轉換電路（dac0832）、運放電路（opa2227）、電壓幅度控制電路（pga2311）、按鍵和nokia5110液晶顯示屏模塊等。通過按鍵控制可產生方波、鋸齒波、三角波、正弦波、梯形波等，并能通過鍵盤的改變輸出波的波形、頻率以及幅度，達到人機交互的目的，同時用液晶顯示屏顯示對應波形的名稱、頻率和幅度。其設計簡單、性能優良，可用于多種需要低頻信號源的場所，具有一定的實用性。 關鍵詞： 單片機，信號發生器，d/a 轉換，stc12c5a60s2 dac0832 pga2311abstract the system is based on single-chip digital stc12c5a60s2 low frequency signalgenerator. using stc12c5a60s2 microcontroller as a control core, peripheralconversion circuit (dac0832), op-amp circuits (opa2227), the voltage amplitude control circuit (pga2311), buttons and nokia5110 lcd module. button control can generate a square wave, sawtooth, triangle, sine wave, trapezoidal wave, and the wave through the keyboard to change the output waveform, frequency and amplitude, the purpose of human-computer interaction, while the lcd display with corresponding waveform the name, frequency and amplitude. the design is simple, good performance, can be used for a variety of needs to place low-frequency signal source, has a certain practicality.keywords: microcontroller, signal generator, d / a conversion, stc12c5a60s2、 dac0832、 pga2311目 錄引言11 緒論21.1 信號發生器現狀21.2單片機在低頻信號發生器中的應用22 總體方案設計33 方案論證43.1波形產生電路43.2信號衰減電路43.3可控放大電路43.4濾波電路43.4 控制以及顯示模塊53.4 電源供電以及其它54 硬件電路設計64.1 信號產生及處理電路64.1.1波形產生電路64.1.2 信號衰減電路64.1.3 程控放大電路74.1.4濾波電路74.1.5電源供電以及其它84.2單片機控制部分94.2.1 時鐘電路94.2.2 復位電路94.2.3顯示及按鍵控制電路105、軟件原理115.1程序流程框圖115.1.1主程序流程設計115.1.2外部中斷程序流程設計125.2信號發生器程序126 測試方法及測試結果 206.1 測試使用儀器及型號206.2 測試方法及測試數據206.2.1 輸出波形測試206.2.2輸出波形參數設置213數據誤差分析227 總結分析及結論238 謝辭249 參考文獻2510 附錄26引 言當今是科學技術及儀器設備高度智能化飛速發展的信息社會，電子技術的進步給人們帶來了根本性的轉變。現代電子領域中，單片機的應用正在不斷的走向深入，這必將導致傳統控制與檢測技術的日益革新。單片機構成的儀器具有高可靠性、高性能價格比等特點，在辦公、家電、高智能自動化系統等諸多領域應用極為廣泛，從家庭中電冰箱、電視機到音響汽車，處處可見其應用。因此，單片機技術的發展和應用水平已成為衡量一個國家工業發展水平的重要標準。 信號發生器是一種常用的信號源，廣泛應用于科學研究、生產實踐和教學實驗等領域。特別是在通信系統的科研實驗中，常常需要用到多種不同頻率和相位的信號，如正弦波、三角波、方波和鋸齒波等，因此多功能信號發生器應用十分廣泛。在數字化時代的今天，經典的由模擬電路組成的信號發生器已經漸漸遠離了人們，取而代之的是電路簡潔、功能多樣、功耗低的數字電路。在以后的時間里，將會有越來越多的數字化的信號發生器運用在各種科學技術領域和工程實踐中，給人們的日常生活帶來更多的便利。 第 1 頁1、 緒論 1.1 信號發生器現狀 信號發生器又稱函數發生器，指用于產生被測電路所需特定參數的電測試信號的儀器。作為當前科研、教學、制造業中一種最常見的通用儀器，市場上常見的信號發生器波形種類有限，輸出波形一般固定為正弦波、三角波、鋸齒波和方波。 傳統的信號發生器作為一種實驗用信號源設備，可以完全利用 555 振蕩電路由硬件搭接而成，但該結構產生信號存在波形失真、操控難、頻率范圍小、結構復雜和體積大等缺陷。在生產實踐和科技研究過程中，如工業、農業、通信、生物醫學等領域常常要用到低頻信號發生器。而由硬件電路構成的低頻信號源因其所需的電阻和電容制作上較難，所以參數的精度難以保證；更因其存在體積大、損耗顯著、漏電等弱點，在實際應用過程中，電路復雜程度會大大增加，性能往往難以令人滿意。 1.2 單片機在低頻信號發生器中的應用 單片機是將中央處理器、存儲器、定時器/計數器、輸入輸出接口等主要計算機部件集成在一塊芯片上，它是在大規模集成電路技術的基礎上發展起來的。和通用微型機相比，單片機主要有以下幾個方面的優勢:（1）使用方便、可靠性高。由于單片機內部功能強，系統擴展方便，因此系統的硬件設計非常簡單。而且單片機采用三總線結構，減少了芯片之間的連線，抗干擾能力強，可靠性高。 （2）體積小、低功耗 單片機把運算器等基本功能部件集成在一塊芯片上，具有較高的集成度，因此單片機應用系統結構簡單、功能全、體積小，適合在強磁場環境下工作；而且所用電源單一，功耗低。 （3）功能強大、擴展性強 為了滿足工業控制要求，一般單片機的指令系統都有極豐富的轉移指令，可以直接對 i/o 口進行各種操作，運算速度快，實時控制功能強。并能方便地擴展外部的 rom、ram 及 i/o 接口，與許多通用的微機接口兼容，方便對應用系統的設計。 （4）性價比較高、易于產品化單片機具有價格便宜、體積小、插接件少、調試安裝簡單等特點，使單片機系統擁有很高的性能價格比。同時單片機開發工具都具有很強的軟硬件調試體系，大大縮短了產品的開發周期，系統易于產品化，大量用于攜帶式產品和家用消費類產品。 低頻信號源采用單片機程序來設計產生，不僅可以有效的改善電路結構復雜、頻率覆蓋系數難以達標、信號頻率不夠穩定等缺點，而且由于采用了軟硬件結合的方式，在硬件電路連接不變的情況下，通過改變程序代碼，就能實現頻率的高低轉換，頻率穩定度高，抗干擾能力強。線路使用的都是常用元器件，構成簡單，價格低廉。 2、總體方案設計 采用軟硬件結合法，軟硬件結合的波形發生器設計方法同時兼具軟硬件設計的優勢：既具有純硬件設計的快速、高性能，同時又具有軟件控制的靈活性、智能性。如以單片機和單片集成函數發生器為核心（如圖2.2）。輔以鍵盤控制、液晶顯示等電路，設計出智能型函數波形發生器，采用軟硬件結合的方法可以實現功能較全、性能更優的波形發生器。該系統通過按鍵控制單片機驅動d/a轉換器輸出相應波形，同時通過按鍵控制程控放大器調節輸出信號幅值，并經過濾波放大后輸出信號，輸出信號的波形、頻率和強度也通過理查德顯示器顯示出來。系統總體框圖如圖2-1：單片機按鍵顯示屏d/a轉換器信號衰減程控放大濾波放大控制輸出系統電源控制增益 圖2-1、系統總體框圖3、方案論證根據設計要求，整個系統包括波形產生電路，信號衰減、程控放大、信號放大電路、參數顯示以及按鍵人機交互等幾個部分組成。3.1、波形產生電路方案一：使用ne555產生方波，同時通過其他相應的模擬電路轉換得到需要的波形方案二：采用單片機和 dac0832 數模轉換器生成波形，由于是軟件濾波，所以可以有效的濾除高次諧波分量，生成的波形不失真。方案二它的特點是在低頻范圍內穩定性好、性能高，操作靈活、體積小、價格便宜。故選擇方案二。3.2、信號衰減電路由于pga2311的供電電壓為正負5伏，為提高信號的可調節性能，故在pga2311輸入前增加信號衰減電路方案一：使用無源衰減網絡，通過電阻衰減后接入到pga2311的輸入端 方案二：有源衰減網絡，經過電阻衰減后通過電壓跟隨器接入到pga2311的輸入端 方案二電壓跟隨器的帶負載能力強，可忽略pga2311輸入電阻的影響，因此選用此方案。3.3、可控放大電路方案一：通過改變運算放大器的反饋電阻來調節信號放大倍數，以此來調節輸出信號幅度，實現輸出信號幅度可控的功能方案二：采用程控放大器芯片，通過單片機控制來實現信號輸出可控的功能。方案二可通過按鍵來控制增益來實現，增益控制方便，同時可以顯示輸出幅度。因此選用此方案。34、濾波電路方案一：用無源元件(r、l 和c)組成帶通濾波電路，此方法雖然成本低，但通帶內的信號有能量損耗，負載效應比較明顯，使用電感元件時容易引起電磁感應，系統不穩定，效果較差。方案二：運用rc及運放搭建二階巴特沃斯帶通濾波器，集成度高，反應動作迅速，多級級聯時相互影響較小，且幅頻響應在通帶中具有最大平坦度。方案二的有源濾波器比無源濾波器設計更為靈活，且具有良好的隔離性能，系統穩定，體積小，因此選用此方案。3.5、控制以及顯示模塊控制器cpu選用宏晶公司的stc12c5a60s2單片機，顯示模塊選用nokia5110來顯示輸出信號的波形、幅度以及頻率等3.6、電源供電以及其它由于單片機和dac0832的工作電壓是5v，程控放大器的工作電壓也是v供電，故需要添加穩壓電路；同時為達到輸出信號足夠大以及信號源的輸出能力在后級添加了一些輔助電路。4、硬件電路分析與設計硬件電路分為單片機控制以及顯示電路和信號產生電路兩個部分4.1、信號產生及處理電路4.1.1、波形產生電路這里采用stc12c5a60s2單片機控制 dac0832 數模轉換器通過運算放大器生成波形。dac0832是8分辨率的電流型d/a轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個da芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優點，在單片機應用系統中得到廣泛的應用。d/a轉換器由8位輸入鎖存器、8位dac寄存器、8位d/a轉換電路及轉換控制電路構成。dac0832 與反相比例放大器相連，實現電流到電壓的轉換，電路如圖4-1所示：圖4-1 dac0832波形產生路因此輸出模擬信號的極性與參考電壓的極性相反，數字量與模擬量的轉換關系為 ： - 4-14.1.2、信號衰減電路由于程控放大芯片pga2311的供電電壓為v，測試時發現最大不失真輸出信號為5.1vpp，該芯片最大增益為31.5db,即幅度放大39倍左右，又因為dac0832的波形產生電路輸出的波形幅度為3vpp；故衰減倍數為： - 4-2實際電路如圖4-2如下：圖4-2、信號衰減電路4.1.3、可控放大電路采用程控放大器芯片，通過單片機控制來實現信號輸出可控的功能。這里選用ti公司的pga2311芯片，該芯片為+/-5v 立體聲音頻音量控制控制，其增益帶寬積為10mhz，增益范圍為+31.5db到 -95.5db每0.5db調節的芯片，符合該設計要求，其增益計算公式為： - 4-3其中n的值為0-255；pga2311的應用電路如圖4-3所示： 圖4-3、pga2311應用電路4.1.4、濾波電路運用rc及運放搭建二階巴特沃斯帶通濾波器，集成度高，反應動作迅速，多級級聯時相互影響較小，且幅頻響應在通帶中具有最大平坦度。2階有源低通濾波器電路，運放選擇opa2227，它在增益為1倍時帶寬為10mhz，能夠用于搭建此電路。由opa2227構成的2階有源低通濾波器電路如下所示: 圖4-4、2階有源低通濾電路其中計算公式如下： - 4-4 - 4-54.1.5、電源供電以及其它由于單片機和dac0832的工作電壓是5v，程控放大器的工作電壓也是v供電，故需要添加穩壓電路；同時為達到輸出信號足夠大以及信號源的輸出能力在后級添加了一些輔助電路。其中電源穩壓芯片采用三端穩壓管lm7805、lm7905，其中電路如下： 圖4-5、電源穩壓電路 同時后級需要添加的放大電路如下： 圖4-6、信號放大電路4.2、單片機控制部分該部分包含單片機的最小系統、按鍵和lcd液晶顯示等模塊。單片機最小系統包括：單片機、時鐘電路和復位電路等4.2.1時鐘電路 單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩和外部振蕩方式。時鐘電路如圖4-7所示圖4-7、 時鐘部分電路圖在引腳xtal1和xtal2外接晶體振蕩器或陶瓷諧振蕩器，構成了內部振蕩方式。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自積振蕩，并產生振蕩時鐘脈沖。晶振通常選用6mhz、12mhz、或24mhz。4.2.2單片機的復位狀態當mcs-5l系列單片機的復位引腳rst(全稱reset)出現2個機器周期以上的高電平時，根據應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電復位要求接通電源后，自動實現復位操作。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。上電后，由于電容c3的充電和反相門的作用，使rst持續一段時間的高電平。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵k后松開，也能使rst為一段時間的高電平，從而實現上電或開關復位的操作。復位電路如圖4-8圖4-8、 復位電路單片機的復位操作使單片機進入初始化狀態，其中包括使程序計數器pc0000h，這表明程序從0000h地址單元開始執行。單片機冷啟動后，片內ram為隨機值，運行中的復位操作不改變片內ram區中的內容，21個特殊功能寄存器復位后的狀態為確定值統復位是任何微機系統執行的第一步，使整個控制芯片回到默認的硬件狀態下。51單片機的復位是由reset引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過24個振蕩周期后，51單片機即進入芯片內部復位狀態，而且一直在此狀態下等待，直到reset引腳轉為低電平后，才檢查ea引腳是高電平或低電平，若為高電平則執行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執行外部程序。51單片機在系統復位時，將其內部的一些重要寄存器設置為特定的值，至于內部ram內部的數據則不變。由時鐘電路、復位電路以及單片機還有電源構成最小系統，最小系統電路如圖4-9所示： 圖4-9單片機最小系統4.2.3顯示及按鍵控制電路 本系統根據鍵盤和lcd完成人機交互，通過按鍵控制波形的產生以及波形、頻率和幅度的改變，通過lcd顯示實時的信號，波形幅度以及信號頻率。達到智能控制的效果，顯示模塊采用nokia5110顯示屏。采用外部中斷實現切換功能，具體電路如圖4-10：圖4-10、顯示及按鍵控制電路5、軟件原理系統軟件由主程序和產生波形的子程序組成，軟件設計主要是產生各種波形的子程序的編程，通過編程可得到各種波形。周期的改變可采用插入延時子程序的方法來實現。主程序的產生波形，波形的切換，頻率和幅度的改變通過外部中斷控制.5.1、程序流程框圖5.1.1、主程序和幾種常用波形子程序的流程圖如圖5-1所示。讀取波形選擇開關狀態開 始控制da輸出對應波形值初 始 化波形判別延時圖5-1、主程序流程圖利用8位d/a轉換器dac0832,可以將8位數字量轉換成模擬量輸出。數字量輸入的范圍為0255，對應的模擬量輸出的范圍在vref-到vref+之間。根據這一特性，可以利用單片機的并行口輸出的數字量，產生常用的波形。各種波形的數字量利用matlab將波形均勻取樣后，得到等間隔時刻的y方向上的二進制數值，然后依次輸出后經d/a轉換得到。5.1.2、外部中斷程序控制波形、幅值、頻率的改變。 通過增加相關標志位來知道選擇改變的是幅值、頻率，波形通過單獨按鍵切換，中斷程序流程圖5-2如下： 進入按鍵掃描循環n、n進中斷 若有按下改變相關參數lcd顯示關閉輸出判斷相關按鍵是否按下y顯示屏顯示輸出參數出中斷相關芯片初始化是否退出按鍵掃描圖5-2、中斷程序流程框圖5.2信號發生器程序 在確定編程思路以后將各部分的程序及各子程序編好，使用 keil 進行編譯，根據提示的錯誤對程序進行修改。具體程序如下：#include #include #include font_code.c#include lcd5510_v2.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define delaynop(); _nop_();_nop_();_nop_();_nop_();sbit zcen=p00;sbit cs1=p01;sbit sdi=p02;sbit sclk=p03;sbit mute=p05;sbit cs=p06;sbit wr=p07;sbit key1=p15;sbit key2=p16;sbit key3=p17;sbit key4=p31;sbit key5=p32;/外部中斷管腳uint t=0;uchar wave=0 ,select=0,voltage=212;uchar sig59=sine ,square ,triang ,serrat ,trapez ;/顯示輸出波形數組uchar sele59=out ,vpp ,freq , . vpp, hz ;uchar code sine100= 128,133,138,142,147,152,156,161,165,169,173,177,181,184,187,190,193,195,197, 199,201,202,203,204,205,205,205,204,203,202,201,199,197,195,193,190,187,184, 181,177,173,169,165,161,156,152,147,142,138,133,128,123,118,114,109,104,100, 95,91,87,83,79,75,72,69,66,63,61,59,57,55,54,53,52,51,51,51,52,53,54,55,57,59, 61,63,66,69,72,75,79,83,87,91,95,100,104,109,114,118,123 ;/正弦波對應輸出數組100個點uchar code square20=51,51,51,51,51,51,51,51,51,51, 205,205,205,205,205,205,205,205,205,205;/方波輸出數組uchar code triang50=51,57,64,70,77,83,90,96,102,109,115,122,128,134,141,147,154,160,167,173,179,186,192,199,205, 205,199,192,186,179,173,166,160,154,147,141,134,128,122,115,109,102,96,89,83,77,70,64,57,51;/三角波輸出數組uchar code serrat50=205,202,199,196,192,189,186,183,180,177,174,170,167,164,161,158,155,152,148,145,142,139,136,133,130,126, 123,120,117,114,111,108,104,101,98,95,92,89,86,82,79,76,73,70,67,64,60,57,54,51;/鋸齒波輸出數組uchar code trapez50=205,196,187,178,169,160,151,142,133,123,114,105,96,87,78,69,60,51,51,51,51,51,51,51,51,51,51, 51,51,51,51,51,51,51,60,69,78,87,96,105,114,123,133,142,151,160,169,178,187,196;/梯形波對應數組void delay() /延時函數，根據t的值改變輸出波形周期 uint i;for(i=t;i0;i-)_nop_(); void delayms(uchar n)/延時函數，用來進行相關延時 uchar i, j; for(;n0;n-) for(j=0;j110;j+) for(i=0;i212)for(i=0;ivoltage-212;i+) v=v*1.060;else for(i=0;i2) select=0; lcd_prints(7, 3,seleselect); switch(select) case 1:if(key2=0)&(voltage249) /輸出波形幅度值控制 delayms(200); if(key2=0)&(voltage170) /幅值減 delayms(200); if(key3=0)&(voltage170)voltage-; vpp_value();lcd_prints(5, 5,sele3);/顯示幅度值break; case 2: if(key2=0)&(t0) /輸出信號周頻控制 delayms(200); if(key2=0)&(t0) /周期減 t=t-1; if(key3=0)&(t1900) /周期加 delayms(200); if(key3=0)&(t4)wave=0; freq_value(); lcd5510show();/顯示輸出幅度 void pga2311()uchar x,vol,i; mute=1; zcen=1;cs1=0;for(x=0;x2;x+) vol=voltage;for(i=0;i8;i+) sdi=vol&0x80;sclk=0;sclk=1;vol99)n=0; p2=sinen+; delay(); break; case 1:if(n19)n=0; p2=squaren+; delay(); break; case 2:if(n49)n=0; p2=triangn+; delay(); break; case 3:if(n49)n=0; p2=serratn+; delay(); break; case 4:if(n49)n=0; p2=trapezn+; delay(); break; void int0(void) interrupt 0 /外部中斷0函數 select=1; delayms(100); lcd_prints(7, 3,seleselect); while(select0) keyscan(); lcd5510show_out() ; /顯示信號所有參數 pga2311(); /pga2311使能6、 測試方法及測試結果6.1、測試使用儀器及型號測試儀器序號名稱、型號、規格數量備注1gdp-3303型直流穩壓電源12rigol dm3058型萬用表13rigol d02s22型數字存儲示波器16.2、測試方法及測試數據6.2.1輸出波形測試在整個系統連通的情況下，給系統提供v工作電壓，用示波器觀察測量輸出信號波形，觀察到的波形如下圖：圖6-1、輸出正弦波波形 圖6-2、輸出方波波形圖6-3、輸出三角波波形 圖6-4、 輸出鋸齒波波形圖6-5、輸出梯形波波形6.2.1輸出波形參數設置在整個系統連通的情況下，給系統提供v工作電壓，用示波器觀察測量輸出信號波形的頻率和幅度，這里以正弦波作為測量對象，其中四種波形只測量一組：其中測量頻率是3.08vpp的情況下測量值，頻率對應單位為hz,幅度測量是在輸出頻率最大的情況下測量的,幅度對應單位為vpp表2 波形參數測試f0(理論值：hz)f0(測量值)v0（理論值）v0（測量值）5050.25634640100100.2789760199198.8833820220220.3880860281280.91.2201.180442442.52.1032.04621621.23.0803.12690689.64.9094.88890892.87.8427.681250125010.47010.2表3 其它波形輸出參數測量波形f0(理論值)f0(測量值)v0（理論值）v0（測量值）方波806481173.083.12三角波303030303.083.08鋸齒波294129423.083.04梯形波272927253.083.126.3、數據誤差分析 通過上述測試，可分析本系統引入誤差的因素主要有以下幾個方面：（1） 電路中所用到的電阻及電容值的實際值與標稱值有所出入；（2） 電路設計過程中，數字電路部分對模擬電路產生了一定的影響；（3） 程序進行數據處理有一定的計算誤差，校準精度不夠；（4） 運算放大器的非線性誤差；（5） 儀器測量時的誤差及人為因素讀數時造成的誤差。7、總結分析與結論經過將近將近半個學期的單片機課程設計，我也完成了簡易信號發生器的設計，頻率精度誤差小于0.5%,以及幅度誤差也低于2%，輸出幅度也能夠從300mv-25.6v之間每0.5db一級可調，比較好的的完成了任務，但是也有許多不足之處。在本次設計的過程中，我發現很多的問題，對于單片機設計，其硬件電路是比較簡單的，主要是解決程序設計的問題，而程序設計是一個很靈活的東西，它反映了你解決問題的邏輯思維和創新能力，它才是一個設計的靈魂所在。因此在整個設