1、 密級：密級： 學號：學號： 本本科科生生畢畢業業設設計計（論論文文）正弦函數信號發生器設計正弦函數信號發生器設計學學 院：院： 信息工程學院信息工程學院 專專 業：業： 電子信息工程電子信息工程 班班 級：級： 1010 本電信本電信 1 1 班班 學生姓名：學生姓名： 汪志紅汪志紅 指導老師：指導老師： 張小行張小行 完成日期：完成日期： 2014.5.12014.5.1 學士學位論文原創性申明學士學位論文原創性申明本人鄭重申明：所呈交的設計（論文）是本人在指導老師的指導下獨立進行研究，所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本設計（論文）不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫

2、的成果作品。對本文的研究作出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式表明。本人完全意識到本申明的法律后果由本人承擔。學位論文作者簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 學位論文版權使用授權書學位論文版權使用授權書本學位論文作者完全了解學校有關保留、使用學位論文的規定，同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權江西科技學院江西科技學院可以將本論文的全部或部分內容編入有關數據庫進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。保 密 ， 在 年解密后適用本授權書。本學位論文屬于不保密 。（請在以上相應方框內打“” ）學位論文作者簽名

3、（手寫）： 指導老師簽名（手寫）： 簽字日期： 年 月 日 簽字日期： 年 月 日江西科技學院本科畢業設計(論文)1摘要摘要函數波形發生器具有連續的相位變換、和頻率穩定性等優點，不僅可以模擬各種復雜信號，并且還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態、及時的控制，還能夠與其它儀器進行有效通訊，組成自動測試系統，因此被廣泛用于自動控制系統、震動激勵、通訊和儀器儀表領域。本論文所描述的對象就是通過 STC89C52 單片機，燒入以數組記錄所要產生正弦函數圖像的數據，經過 DA 轉換芯片得到自己理想得正弦函數圖像。在軟件設計上在不增加電路模塊的情況下，能通過軟件控制來實現對波形的幅度、相位的調節，以至于能

4、更好的達到理想的狀態。關鍵詞：關鍵詞： STC89C52；單片機；DA 轉換芯片 江西科技學院本科畢業設計(論文)2AbstractFunction waveform generator with continuous phase transformation, and the frequency stability, etc, not only can simulate all kinds of complicated signal, but also to the frequency, amplitude, phase shift and waveform dynamically and

5、timely control, and to be able to communicate with other instruments, the composition of automatic test system, therefore, vibration excitation is widely used in automatic control system, communications and instrumentation field. The object is described by this paper STC89C52 microcontroller, burn-i

6、n array to record the need to produce the sine function image data, after DA conversion chip to get their ideal sine function image. In the software design under the condition of without any increase in circuit module, can through the software control to realize the adjustment of the amplitude of wa

7、veform, phase, so that can better achieve the ideal state.Key word: STC89C52;MCU;DA conversion chip; 江西科技學院本科畢業設計(論文)3目目 錄錄第第 1 1 章章 引言引言.11.1 波形信號發生器現狀及發展前景.11.2 本課題研究的目的與意義.21.3 課題研究方法.2第第 2 2 章章 系統應用工具介紹系統應用工具介紹.22.1 KEILVISION3 編譯軟件簡介.22.2 PROTUES仿真軟件簡介.3第第 3 3 章章 系統硬件設計系統硬件設計.33.1 整體硬件設計思路.33.2

8、 89C52 單片機簡介.43.3 STC89C52 最小系統.53.3.1 晶振電路.53.3.2 復位電路.63.4 外圍電路設計.63.4.1 按鍵選擇控制電路.63.4.2 DAC0832連接和幅值調節電路.63.4.3 顯示電路.8第第 4 4 章章 系統軟件設計系統軟件設計.84.1 軟件整體設計方案方框圖介紹.84.2 程序設計.94.2.1 程序編寫介紹.94.2.2 KeilVision3 程序編譯.94.3 程序的調試與仿真.12第第 5 5 章章 總結與展望總結與展望.127.1 總結.127.2 展望.12參考文獻參考文獻.13附錄一附錄一 原理圖原理圖.14致致 謝謝

9、.14江西科技學院本科畢業設計(論文)1第第 1 1 章章 引言引言1.1 波形信號發生器現狀及發展前景波形信號發生器現狀及發展前景在此之前的 70 年代，信號發生器有兩種主要類型：脈沖波和正弦波，這兩種波都能夠提供正弦，余弦，方波，三角波幾個標準的波形，如果想要得到更多不同種類的波，你需要更復雜的電路，以及機電一體化方法相結合的使用才能得到理想的波形。當時使用的大多都是用模擬電子技術，而模擬電路子在我們實際的使用過程中是會遭到許多因素的干擾，這類電路生產出的電子產品性能上都不是很穩定，并且制作出來的產品耗能高，整個看上去所用的設計面積大等缺點。如要產生更復雜的信號波形的存在波形發生器，電路結

10、構非常復雜，同時整體儀器看上去就是一龐然大物，給我們在移動過程中帶來很都得麻煩。在這一時間中有的正弦信號發生器，主要有兩個突出的問題，一個是通過電位器用于調節所述輸出頻率的調整來實現，因此很難調整頻率到一個固定值； 還有個是脈沖占空比不能被調整。到了 70 年代后期，由于微處理器這種集成芯片的問世，使得我們的許多行業電子產品都發生了翻天覆地的變化，受到其影響的也有我們的正弦函數信號發生器。當時主要是用軟件編寫程序來對處理器、A/D/和 D/A 等部分的控制得到各種較簡單的波形。越是到了后來由于集成芯片技術的不斷成熟使得我們的波形發生器的功能在不斷的變得更加的豐富。 直到 90 年代末期，在市面

11、上才出現性價比較高的函數發生器設備。這期間具有代表的就是 HP 推出的 HP770S 型號的發生器和 LECROY 公司推出的 9100 型號的任意波形發生器。 到了現在，我們的電子產品包括正弦函數發生器在內，都是向著性價比高體積小使用方法簡單便捷的方向發展。之所以會有這樣高要求，都得力于我們電子集成技術的快速發展所導致的。現在市場上有的信號發生器，能產生波形種類達到了 17 種，產生波形的頻率達到了 500MHz 采樣的頻率達到了 1.25GHz?，F在各種應用軟件開發的高速發展，使得我們相對于原來波形發生器的硬件設計上更加的簡單，波形輸入輸出的穩定性和選擇性都更好。因此在這次的畢業設計中，我

12、就用單片機作為主要的控制系統搭建一個簡單有效的外部電路構成了一個成本低、可靠性強等多樣特點的正弦信號發生器。在強有力的科學技術的推動下，我們過去在實驗室看到的臺式的波形信號發生器，將在不久的將來被淘汰掉。這將是事物發展必然趨勢，將來的儀器即使是在不改變原貌的基礎上功能其他方面都會有很大的進步。過去的類似產品減少了一江西科技學院本科畢業設計(論文)2半。1.2 本課題研究的目的與意義本課題研究的目的與意義本次畢業設計的目的，是以 51 單片機作為基，來實現正弦信號的產生。在制作的過程中，我們能夠了解到更多類型的正弦信號發生器。同樣當前的電子產品的走向也要有一定的前瞻性。正弦信號發生器是我們從事電

13、子行業的人使用最廣泛的信號發生器，主要用于測量電路和系統的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。作為電子技術領域中最基本的電子儀器，廣泛應用于航空航天、通信系統、電子對抗、科研等各個領域中。通過本課題的研究和設計，實際動手的過程中將會把四年所學習的理論知識在本項目中綜合加以運用，特別是在單片機的運用上對大學所學知識有一個系統的鞏固和應用，也為畢業后走上工作崗位積累一定的經驗。1.3 課題研究方法課題研究方法這次課題的采用的是以 51 單片機作為核心的模塊化設計方案，在硬件設計上首先是查找資料確定系統所涉及的電路模塊，并將電路所使用的芯片做詳細的了解，再在 Protues 軟件上畫出系統的原理圖

14、。在軟件設計方面是在 KeilVision3 編譯軟件進行程序編寫的，在編寫時是將系統的程序分為主程序和子程序兩塊組成，子程序可以看做我們的系統的小模塊，主程序是控制大體的方向并調用子程序來實現工作控制。最后系統的軟件跟硬件都確定后再在 Protues 軟件上進行系統仿真，根據系統仿真的結果進行相應的調試工作。第第 2 2 章章 系統應用工具介紹系統應用工具介紹2.1 KeilVision3 編譯軟件簡介編譯軟件簡介Keil 公司是從事電子單片機行業的我們必須知道的軟件。他是一款專門為單片機 C 語言開發打造的編譯軟件,因為現在的單片機編程當中我們都是以 C 語言作為主要的編譯語言，這與 C

15、語言的結構性、可讀性等方面相對于匯編語言來說有很大的優勢所促就的。C 語言比起匯編語言，在可維護性、功能上、結構性、可讀性這些方面都是有著明顯的優勢，同時比起匯編語言來說自我感覺 C 語言更加容易讀懂跟運用。本次課題我采用的是 KeilVision3 版本，這是一款是 ARM 公司在收購了 Keil公司后新推出的 Keil 軟件版本。在這版本的軟件中他秉承了之前版本的優點，有江西科技學院本科畢業設計(論文)3十分豐富的函數庫以及十分強大的集成開發調試工具。還支持 ARM7、ARM9 和Cortex-M3 核處理器，自動配置啟動代碼，集成 Flash 燒寫模塊，強大的 Simulation 設備

16、模擬，性能分析等功能。2.2 protues 仿真軟件簡介仿真軟件簡介Protues 是由英國 Labcenter 公司開發的嵌入式系統仿真軟件，該軟件主要是由三大部分組合而成。第一部分是原理圖設計工具 ISIS(Intelligent Schematic Input System） ，這個工具為制圖者提供大量的元器件如基本的電容、電阻、二極管三級管、微控制器、繼電器、激勵源、門電路等各種常見型號應有盡有。對于個別特別的元件我們還可以自己設計加入原有的庫中使用，這不僅豐富了我們的元件庫還提高我們的工作效率。除此之外還為我們提供了許多的虛擬的測試儀器，如常見的電壓表、電流表、示波器等測試儀器。能

17、夠幫助我們在后面進行元件混合模式 SPICE 仿真時提供檢測結果和運行結果。第二部分是元件混合模式 SPICE 仿真，這部分主要是對我們設計整個系統進行仿真。這是要我們軟件和硬件的結合才能完成。這部分能夠實現單片機與外圍電路的共同仿真、數字和模擬電路的仿真、I2C 調試器、SPI 調試器、鍵盤和 LCD系統等電路及模塊的仿真。不僅如此他還能實現對當下主流單片機系統仿真，這也是成為這款軟件的亮點所在。由于他的存在使得電子產品的成功率比原來提高了不少，并且還能通過仿真結果來修正自己電路設計或者是軟件設計上出現的問題。第三部分 IPCB 設計，這是對設計電路生成 PCB 板設計，可以根據設計者電子器

18、件的需要，對電路板的大小和元器件的放置、電路的走向等問題的系統設置。這款軟件還有個特點是能夠實現第三方軟件的編譯和調試，如我們本次設計所用到的 Keil C Vision3 編譯軟件。在安裝這款軟件時只要電腦普通的硬件配置就能實現軟件的安裝?？偟膩碚f這款軟件的功能是十分的強大，是電子項目開發者的利器為其縮短產品開發的周期。第第 3 3 章章 系統硬件設計系統硬件設計3.1 整體硬件設計思路整體硬件設計思路在硬件上我是以 STC89C52 為控制芯片，由按鍵模塊來進行波形的選擇和調江西科技學院本科畢業設計(論文)4節正弦波的頻率，同時用顯示模塊來顯示調節的大小，再由數模轉換模塊將數字式信號轉換成

19、模擬信號，經過放大器放大后輸出達到使用者自身需要的波型。硬件設計圖如 3.1 所示；圖 3.1 硬件設計流圖3.2 89C52 單片機簡介單片機簡介單片機是從上世紀80年代發展起來的，在現在的生活中我們其實不難發現他的存在，他被人們稱作微型的計算機。因為他體積小、價格便宜、耗能低、運用簡單便捷等優點，在我們現在所用的電子儀器中都使用到了單片機。比如我們的手機、電視機、電磁爐、風扇等電子儀器中都用到了單片機。雖然他們的稱號都是一樣的但是在業界內，還有的將他們分為嵌入式的微處理器、微控制器、嵌入式的微控制器。這些稱號都是根據他在實際的運用中的特殊性人們才將他們進行如此詳細的劃分的。然而現在使用最為

20、之廣泛的就是改進后的80c52這款單片機了。本次設計也是選擇單片機作為核心控制處理芯片。 現在生產 51 系列的單片機很多，但是現今人們最為熟悉的是 ATMEL 公司的和 Intel 公司產品。雖然我們知道單片機這是從國外引進的，但是隨著時間的沉淀我們國家深圳宏晶公司也有了國有的自主產品，在市面上我們統稱為 STC 單片機。本次的設計也是采用了該公司的 STC89C52 這款單片機，他整體上和其他的單片機在外形上基本一樣的管腳（如圖 4.1 所示） ，一樣也都是具有 32 個 8 位的 I/O 地址線、定時計數器等基本功能，但是他也有不一樣的地方：按鍵選擇模塊STC89C52控制芯片控制顯示模

21、塊數模轉換模塊（DAC0832）正弦波顯示江西科技學院本科畢業設計(論文)5圖 3.2 STC89C52 實物引腳圖擁有 8K 的 Flash 存儲單元和 512 字節的 RAM,芯片還有 4K 的 EPROM。最好的是他可以直接的使用串口從電腦中燒入應用程序。比起其他的單品機而言，節省了一個專業的程序燒入器。他具有一個強大的 7 向量 4 級的中斷結構，因為我們平常的 51 系列的都是采用 5 向量 2 級的中斷結構，并且還能夠處理全雙工的串行口工作模式。在待機的模式下，他的微處理器是處于不工作的狀態的，除此之外的其他部分如中斷、計時、隨即存儲等還是工作的。在掉電的模式下，靜態存儲器的數據將

22、被保存不會丟失，內部的時鐘振蕩器被凍結停止工作，相應的單片機里的寄存器部分也會停止工作。雖然掉電的模式下有這幾個部分停止工作，但當下個中斷或者復位信號到來時會回復工作。3.3 STC89C52 最小系統最小系統單品機最小系統是有兩個部分組成，一是由晶振電路，二是復位電路。在現有的晶振電路中分為外部晶振和內部晶振，外部的晶振又分為有源晶振和無源兩種，在本次設計中采用的是外部無源晶振電路。復位電路在本系統中采取的按鍵復位的方案進行手動控制。3.3.1 晶振電路針對普通的單片機而言晶振頻率達到24M 以上時，單片機就會產生程序跑亂現象是整個系統的工作處于混亂狀態。為了防止這樣的事情發生，通常都是采用

23、12M 頻率的晶振來構成外部電路。當晶振直接的接入到 XTAL1和 XTAL2時，外部電路產生的時鐘信號發生諧波現象，降低了時鐘振蕩器的穩定性進而影響整個系統的運行。為了使這個問題得到解決，采用電容的濾波特性，就如圖3.3所示在晶振的兩端上分別接個接地的瓷片電容來減小諧波。江西科技學院本科畢業設計(論文)6圖 3.3 晶振電路圖3.3.2 復位電路復位電路是就相當與電腦的重啟鍵一樣，當我們按下這鍵時我們的系統程序就會從頭開始運行。之所以設置這樣的電路，是為了防止我們在程序運行時出現了跑飛情況時，能讓內部的運行程序從頭開始運行讓單片機做控制工作。其復位電路中采用 RC 的組合，目的是為了讓 MC

24、U 的 RST 腳的持續高電平在兩個機器周期內這樣才能起到復位的功能。圖 3.4 復位電路圖3.4 外圍電路設計外圍電路設計3.4.1 按鍵選擇控制電路為了豐富本次設計的內容，在能產生出正弦信號的同時，還在給該系統添加新的波形信號。添加的波形有方波、鋸齒波、三角波三種，在按鍵上連接得端口是P1.0-P1.3 口來進行波形的選擇，具體如下圖 3.5 所示；江西科技學院本科畢業設計(論文)7圖 3.5 按鍵電路圖3.4.2 DAC0832 連接和幅值調節電路數模轉換模塊和幅值調節的電路上，本次設計采用的是 DAC0832 這型號的芯片，數字波形信號是由單片機的 P2 口輸出直接的傳輸給數模轉換芯片

25、，幅值的調節部分是對芯片的參考電壓的調節達到調節輸出波形幅值的。電路連接如圖 3.6所示。芯片引腳功能介紹：引 腳功 能非 CS片選信號接口，低電平有效非 WR1寫信號接口，低電平有效非 WR2輔助寫信號接口，這接口是和 XFER 接口結合使用的，當同為低電平時就會把鎖存器里的數據發到芯片寄存器中。如果該接口的電平為高電時，寄存器的數據就會被鎖存起來。非 XFER傳送控制接口，低電平有效。該接口和 WR2 結合使用。BYTE1/非 RYTE2字節順序控制接口，高電平時 8 位鎖存器全開放，為低電平時 8位鎖存器關閉。DI0-DI7八位數據輸入端IOUT1/ IOUT2電流的轉換輸出值 1/電流

26、的轉換輸出值 2RFB反饋電阻接口VREF參考電壓輸入AGND/DGND模擬地線/數字地線江西科技學院本科畢業設計(論文)8圖 3.6 數模轉換模塊電路3.4.3 顯示電路顯示的部分采用的是簡單化的方案，就由一個 LED 數碼管來對系統工作情況的顯示。LED 數碼管得通常分為共陽極和共陰極兩種，內部結構如圖 3.所示，他是由八段 LED 燈管拼接成的整體，這種數碼管功耗低、價格便宜、使用時間長的特點很受市場歡迎，在現在的顯示裝置中大多都采用該類型的顯示管。在實際的運用中還要配備驅動電路，但是單品機的 I/O 口就具備這樣的驅動能力，只要將接口對應的管腳進行編碼就能進行對應的顯示。單片機與數碼顯

27、示管的連接電路如圖 3.7 所示，用 P0 口作為控制端口，因為該類單片機的端口特性，在作為數據控制端時都要在其端口上接上拉電阻。 圖 3.7 顯示電路圖圖 3.8 LED 數碼管江西科技學院本科畢業設計(論文)9第第 4 4 章章 系統軟件設計系統軟件設計4.1 軟件整體設計方案方框圖介紹軟件整體設計方案方框圖介紹給單片機燒入程序后，通過外部的按鍵來控制程序的開始。這就是相當于我們整個課題的電源開關一樣，相應的顯示部分也會產生變化進行個提示程序開始執行。當程序執行完成后我們能從示波器上看到相應的波形。開始初始化變量和端口掃描按鍵Switch(x)執行正弦波關閉正弦波4.2 程序設計程序設計4

28、.2.1 程序編寫介紹正弦波的軟件設計，首先由正弦波的特性知道一個周期是 360 度，每個角度都有對應的電壓值，我們在程序運行在設計這些電壓值時最好是有 360 個電壓點，但是我們的存儲單元是二進制的存儲空間與 360 最為接近的是 256，所以將 360 度電壓值等分為 256 個。其次我們就將這些電壓值預存在數組中，電壓值的大小是通過事先計算得到的。當系統要求輸出正弦波時，程序會調用這個數組將其依次輸出。進行波形幅度調節時，就是將數組內的預存值增加減小的過程。頻率的調節是對單位時間內波形周期多少的調節的過程。本程序的編寫方法如下：第一、在程序的設計上首先是對函數的聲明和變量的定義。江西科技

29、學院本科畢業設計(論文)10第二、進行主程序的編寫。 （具體見附錄）第三、進行子程序的編寫。本次設計的子程序由延時主程序、顯示子程序、正弦波子程序、方波子程序、鋸齒波子程序、三角波子程序構成的。（具體見附錄）4.2.2 KeilVision3 程序編譯下面介紹如何在 KEIL 開發環境新建一個工程項目，進行運用程序的編寫。圖 4.1 KEIL3 軟件窗口圖第一步：選擇工程按鍵 Project，新建一個工程 New Project ，在在彈出的方框中選擇 ATMEL 公司，并在該公司下面選擇 AT89C52 型單片江西科技學院本科畢業設計(論文)11圖 4.2 新建工程項目圖 4.3 芯片選擇第

30、二步：編寫工程名稱，并選擇工程的存儲目錄圖 4.4 工程命名對話框江西科技學院本科畢業設計(論文)12第三步：新建一個文本文件，并設置后綴名為“.C”文件，然后保存，添加到工程中。圖 4.5 添加源文件對話框4.3 程序的調試與仿真程序的調試與仿真關于程序的調試是在 Protues 軟件上進行系統仿真調試，在我們進行仿真調試時首先是將在 Keil 編譯器上生成的.Hex 程序控制文件加入到 Protues 軟件上進行仿真，最后經過調節選擇按鈕，得到相應的波形。該設計系統的波形可通過 Protues軟件上虛擬的示波器來觀察。如果在調試的過程中出現問題，如是波形顯示不正常首先要做的就是對硬件的檢測

31、，在對其做完檢測后確定其沒有問題，再對我們的控制程序不進行分模塊的檢測直到最后查出問題為止。第第 5 5 章章 總結與展望總結與展望7.1 總結總結從設計資料的整理到現在系統的成型經過了對我來說是一個艱難又有意義的事情。雖然最終達到了設計的效果，但是其中的收獲還是很大的。我在這次畢業設計中發現了自身很多的問題，首先剛拿到這個題目的時候感覺很簡單，但是當我真正著手開始的時候卻無從下手，面臨最大的困難就是對單片機的寄存器和各種傳感器基礎知識的理解不深和掌握不夠，使得我不得不花精力去重新復習單片機和 C 語言以及匯編語言基礎知識，如中斷、計時器等難點。也了解了相關芯片的運用，如 DAC0832 數模轉換芯片的工作原理和各管腳端口的作用。為以后在對芯片運用上積累了一定的經驗。在設計的期間還得感謝指導老師和同學的幫助，是在電路和軟件的運用上給予我很多意見。特別是在 Keil 軟件的編譯上，我知道江西科技學院本科畢業設計(論文)13怎么較靈活的運用 C 語言編寫程序，使我摒棄了之前全篇的編寫模式改用模塊拼接的方式編寫程序。7.2 展望展望本文的研究雖然實現了基本的功能，但是后續的優化工作永無止境，還有許