基于单片机正弦波信号发生器.docx
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基于单片机正弦波信号发生器
目录………………………………………………………………………………1
一、设计要求……………………………………………………………………2
二、设计方案与论证……………………………………………………………2
三、设计原理及电路图(设计原理及流程图)………………………………3
四、元器件清单…………………………………………………………………6
五、元器件识别与检测…………………………………………………………6
六、硬件制作与调试(软件编程与调试……………………………………10
七、设计心得…………………………………………………………………14
八、参考文献…………………………………………………………………15
一、设计要求
本文介绍一种由直接数字频率合成芯片AD9835设计的正弦信号发生器,该芯片支持高达50MHZ的时钟频率,可以产生最高达25MHZ的正弦波形。
通过单片机控制完全可以满足设计所要求的正弦波信号的生成。
本次设计的基于单片机的信号发生器设计就是一个单片机控制系统,对信号发生芯片进行的控制。
通过单片机对信号发生芯片经行精密控制,实现对波形的频率和幅度的控制。
这些控制可以通过键盘设定,这就要求对选择的信号发生芯片,选用的单片机有初步的了解,并对整个系统的结构有个合理的分配。
二、设计方案与论证
方案一:
直接利用单单片机编程产生正弦波
优点:
简化了产生正弦波的硬件和软件,电路结构简单。
缺点:
编程复杂,波形失真较大,不能达到要求输出的高频信号。
方案二:
利用单片机控制直接数字频率合成芯片DDS产生的正弦波,通过单片机,键盘LED数码显示管显示实现波形的数字控制。
优点:
控制简单,波形效果好,频率带宽。
缺点:
硬件电路复杂。
为了满足设计要求,取得较好的效果,显然方案二更为合理。
三、设计原理及电路图
3.1DDS的基本原理
DDS的基本原理是:
在高速存储器中放入正弦函数——相位数据表格,经过查表操作将读出的数据送到高速DAC产生正弦波。
可编程DDS系统原理如图所示:
图1DDS的基本原理图
图2总体设计原理图
3.2AD9835芯片主要技术指标如下:
频率范围:
0.1HZ-10MHZ
频率分辨率:
0.1HZ
频率稳定度:
1*10ˉ7
输出幅度:
0-±10v可调
AD9835的相位累加器为32位,取其高十二位为读取余弦波形存储器的地址。
每一次,时钟使相位累加器的输出也即余弦ROM寻址地址递增频率设定数据K,对应的波形相位变化为△P=2^n*K/232
因此,改变相位累加器设定值K,就可以改变相位值△P,从而改变合成信号频率f。
计算公式:
f=K*fmc/232。
式中fmc=50MHZ,用高稳定度晶体振荡器获得。
1 最低频率为fmin=fmc/232,根据采样定律,重建信号频率最高可达fmc/2,饭通常取最高频率为fmax=fmc/3。 AD9835封装图如下: 图3 3.3信号发生电路 图4 3.4显示电路 显示电路选用LED数码管作为显示器件,且采用动态显示方式。 图5LED显示电路 四、元器件清单 元件序号 型号 主要参数 数量 备注 R1 1/8W碳膜电阻 360Ω 1 R2 1/8W碳膜电阻 3.9KΩ 1 C1、C2 电容器 100uF 2 C3、C4 电容器 0.1uF 2 C5、C6 电容器 0.01uF 2 AD9835 芯片 1 CRYSTAL 晶振 25MHZ 1 AT89LS51 芯片 1 五、元器件识别与检测 路设计与实现过程中难免要对一些电子器件进行识别及检测。 尤其是电阻、电容、电感及二极管和三极管在电子电路是非常常见的,所以对这些元器件进行细致的识别和检测具有重大意义! 1、电阻器 普通电阻一般用四色环来表示电阻器的阻值和误差,靠近电阻器端头的为第一条色环,其余依次为第二、第三、第四条色环。 第一条色环表示第一位数,第二条色环表示第二条数。 先熟记第一、二环每种颜色所代表的数。 可这样记忆: 棕=1,红=2,橙=3,黄=4,绿=5,蓝=6,紫=7,灰=8,白=9,黑=0。 第三条色环表示倍乘,即表式有效数字后应加0的个数。 棕=1,红=2,橙=3,黄=4,绿=5,蓝=6,紫=7,灰=8,白=9,黑=0,金表示有效数字后乘以0.1,银表示有效数字后乘以0.01。 第四条色环表示误差范围。 金: 5%、银: 10%、无色: 20% 精密电阻器一般用五条色环表示,器前三色环表示有效数字,第四色环表示倍乘,最后一色环表示误差,表示误差的色环除金、银、无色之外还有棕(1%)、红(2%)、绿(0.5)、蓝(0.25%)、紫(0.1%)。 对于电阻值的大小可以通过电压表的欧姆当进行测量。 由上便可分辨并检测我们常见的色环电阻。 2、电容器 在各种电子设备中,调谐、耦合、滤波、去耦、隔断直流电、旁路交流电等,都需要用到电容器。 电容容量的基本单位是“法拉”(F),1法拉的1/1000000(百万分之一)是1微法(μF),1微法的1/1000000是1pF(1微微法,或1皮法)。 它们之间的关系是百万(或称10的6次方)进位关系。 我们常用的电容有: 电介电容: 多数在1μF以上,直接用数字表示。 如: 4.7μF、100μF、220μF等等。 这种电容的两极有正负之分,长脚是正极。 瓷片电容: 多数在1μF以下,直接用数字表示。 如: 10、22、0.047、0.1等等,这里要注意的是单位。 凡用整数表示的,单位默认pF;凡用小数表示的,单位默认μF。 如以上例子中,分别是10P、22P、0.047μF、220μF等。 电容的标志方法: (1)直标法: 用字母和数字把型号、规格直接标在外壳上。 (2)文字符号法: 用数字、文字符号有规律的组合来表示容量。 文字符号表示其电容量的单位: P、N、u、m、F等。 和电阻的表示方法相同。 标称允许偏差也和电阻的表示方法相同。 小于10pF的电容,其允许偏差用字母代替: B——±0.1pF,C——±0.2pF,D——±0.5pF,F——±1pF。 (3)色标法: 和电阻的表示方法相同,单位一般为pF。 小型电解电容器的耐压也有用色标法的,位置靠近正极引出线的根部,所表示的意义如下表所示: 颜色黑棕红橙黄绿蓝紫灰 耐压4V6.3V10V16V25V32V40V50V63V 在对电容器的测量中可以通过电压表的测电容当对其量值进行测量。 3、电感器 电感器的种类: 电感器的种类很多,而且分类方法也不一样。 通常按电感器的形式分有固定电感器、可变电感器、微调电感器。 按磁体的性质分,有空心线圈、磁芯线圈。 按结构特点分有单层线圈、多层线圈、蜂房线圈等。 各种电感线圈都具有不同的特点和用途。 但它们都是用漆包线、纱包线、镀银裸铜线,绕在绝缘骨架上、铁芯或磁芯上构成,而且每圈与每圈之间要彼此绝缘。 为适应各种用途的需要,电感线圈做成各式各样的形状。 电感器的主要参数: (1)电感量,电感量的单位为亨利,简称亨,用H表示,毫亨用mH表示;微亨用μH表示。 (1H=103mH=106μH)电感量的大小与线圈的圈数、线圈的直径、线圈内部是否有铁芯或磁芯、线圈的绕制方式有关系,圈数越多,电感量越大;线圈内有铁芯、磁芯的要比同样的空心线圈的电感量大得多。 (2)品质因数(Q值),品质因数是电感线圈的一个主要参数,它反映了线圈质量的高低。 通常也称为Q值。 Q值与构成线圈的导线粗细、绕法、单股线还是多股线有关。 如果线圈的损耗小,Q值就高。 反之,损耗大,则Q值就小。 (3)分布电容,由于线圈每两圈(或每两层)导线可以看成是电容器的两块金属片,导线之间的绝缘材料相当于绝缘介质,即相当于一个很小的电容,这一电容称为线圈的分布电容。 由于分布电容的存在,将使线圈的品质因数Q值下降,为此将导线用多股线或线圈绕成蜂房式。 对天线线圈则采用间绕法,以减少分布电容。 在电感线圈的测量中,用万用表的欧姆档R×10或R×1档,测量电感器的阻值,若为无穷大,表明电感器断路;若电阻很小,表明电感器正常。 4、二极管 根据二极管正向电阻小,反向电阻大的特点可判别二极管的极性。 关键是搞清所用万用表两表笔对应的电池电压极性是什么。 若使用的是指针式万用表,则黑表笔(插入表上的“-”孔中)接的是表内电池的正极,红表笔(插入“+”孔中)是负极。 若使用的是数字万用表则相反,红表笔(插入V.Ω孔)是正极,黑表笔(插入C0M孔)是负极。 但其数字万用表的电阻档不能用来测量二极管,而要用二极管档。 (1)用指针式万用表测试二极管的方法有: 普通二极管的测试。 用万用表的红 表笔接二极管的阴极,黑表笔接二极管的阳极,测得是正向电阻,将红黑表笔对调,测得是反向电阻。 对于锗小功率二极管,正向电阻一般在100~1000Ω之间;对于硅管,一般在几百到几千Ω之间。 反向电阻,无论是硅管还是锗管,一般都在几百千欧姆以上,且硅管比锗管大。 由于二极管是非线性元件,用不同倍率的欧姆档或不同灵敏度的万用表测量时,所得到的数据是不同的,但正、反向电阻相差几百倍的规律不变。 测量时,要根据二极管的功率大小和种类,选择不同倍率的欧姆档。 小功率二极管一般用R×100或R×1k档,中、大功率二极管一般用R×1或R×10档。 发光二极管的测试。 发光二极管可用万用表R×10k档测量其正、反向电阻,当正向电阻小于50kΩ,反向电阻大于200kΩ时均为正常,如正、反向电阻均为无穷大,说明此管已损坏。 普通二极管的极性判别。 用万用表的电阻档,R×1k或R×100档测二极管的电阻值。 如果阻值较小,表明为正向电阻,此时黑表笔所接触的一端为二极管的阳极,红表笔所接触的为二极管的阴极。 如所测的阻值很大,表明为反向电阻值,此时黑表笔所接触的一端为二极管的阴极,红表笔所接触的为二极管的阳极。 (2)用数字式万用表测量二极管有: 极性判别。 将数字万用表置于二极管档 红表笔插入“V.Ω”插孔,黑表笔插入“COM”插孔,这时红表笔接内电源正极,黑表笔接内电源负极。 将两支表笔分别接触二极管的两个电极,如果显示溢出符号“1”,说明二极管处于截止状态;如果显示在1V以下,说明二极管处于正向导通状态,此时红表笔所接的是管子的正极,黑表笔所接的是管子的负极。 好坏的判别。 将数字万用表置于二极管档,红表笔插入“V.Ω”插孔,黑表笔插入“COM”插孔。 当红表笔接二极管的正极,黑表笔接二极管的负极时,显示值在1V以下;当红表笔接二极管的负极,黑表笔接二极管的时正极,显示溢出符号“1”说明被测二极管正常。 若两次测量均显示溢出,表明二极管内部断路。 若两次测量均显示“000”,表明二极管已击穿短路。 5、三极管 晶体三极管是应用最广的电子器件之一,由于它有两种载流子参与导电,所以又称为双极型三极管。 它有两个PN结,按PN结的不同构成,可分为NPN和PNP两大类型。 如按结构划分,有点接触型和面接触型;按材料分有硅管和锗管;按工作频率分有高频管和低频管;按功率分有大功率管、中功率管、小功率管。 由于三极管种类多,参数特性不一,因此在使用时务必分清,不能马虎。 三级管的判别与检测。 (1)型号及外观的一般识别: 国产三极管型号命名通常有五个部分,第一部分是“3”,代表三极管,第二部分通常是A、B、C、D等字母,表示材料和特性,由此便可知此管是硅管还是锗管,是PNP型还是NPN型,从外形上看,金属圆形封装的管子,其管帽较长的几乎都是锗管,在锗管中,又几乎是PNP管居多;其管帽较短的几乎都是硅管,且NPN管居多。 (2)用万用表检测出三极管的型号和管脚。 双极型三极管的测试及性能判断时,要准确地了解三极管的参数,需用专门的测量仪器进行测试,如JT-1晶体管特性图示仪。 当不具备这样的条件时,用万用表也可以粗略判断晶体管性能的好坏。 判别三极管的管脚位置,可用万用表的欧姆档测其阻值加以判别。 在三极管极间电阻的测量中,通过测量三极管极间电阻的大小,可判断管子质量的好坏,也可看出三极管内部是否有短路、断路等损坏情况。 在测量三极管极间电阻时,要注意量程的选择,否则将产生误判或损坏三极管。 测小功率管时,应当用R×1k或R×100k档,不能用R×1或R×10k档,因为前者电流较大,后者电压较高,都可能造成三极管的损坏。 但在测量大功率锗管时,则要用R×1或R×10档。 因它的正、反向电阻较小,用其它档位容易发生误判。 对于质量良好的中、小功率三极管,基极与集电极、基极与发射极正向电阻一般为几百欧姆到几千欧姆,其余的极间电阻都很高,约为几百千欧姆。 硅材料的三极管要比锗材料的三极管的极间电阻高。 当测得正向电阻近似于无穷大时,表明管子内部断路。 测得反向电阻很小或为零时,说明管子已击穿或短路。 ②三极管穿透电流的测量。 对于PNP管,红笔接集电极,黑表笔接发射极,用R×1k档测得阻值应在50Ω以上。 此值越大,说明管子的穿透电流越小,管子的性能优良,若阻值小于25KΩ,说明管子的穿透电流大,工作不稳定并有很大噪声,不宜选用。 对于NPN管,应将表笔对调测试其电阻值,阻值应比PNP管大很多,一般应在几百千欧姆左右。 由此,我们便可对三极管的主要参数进行测量了。 六、硬件制作与调试(软件编程与调试) 软件调试的主要任务是排查错误,错误主要包括逻辑和功能错误,这些错误有些是显性的,而有些是隐形的,可以通过仿真开发系统发现逐步改正。 Proteus软件可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真,用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真。 Proteus支持的微处理芯片包括8051系列、AVR系列、PIC系列、HC11系列及Z80等等。 Proteus可以完成单片机系统原理图电路绘制、PCB设计,更为显著点的特点是可以与uVisions3IDE工具软件结合进行编程仿真调试。 本系统的调试主要以软件为主,其中,系统电路图的绘制和仿真我采用的是Proteus软件,而程序方面,采用的是C语言,用Keil软件将程序写入单片机 函数如下: 七.设计心得 基于单片机的数字电压表使用性强、结构简单、成本低、外接元件少。 在实际应用工作应能好,测量电压准确,精度高。 系统功能、指标达到了课题的预期要求、系统在硬件设计上充分考虑了可扩展性,经过一定的改造,可以增加功能。 本文设计主要实现了简易数字电压表测量一路电压的功能,详细说明了从原理图的设计、电路图的仿真再到软件的调试。 通过本次设计,我对单片机这门课有了进一步的了解。 无论是在硬件连接方面还是在软件编程方面。 本次设计采用了AT89C51单片机芯片,与以往的单片机相比增加了许多新的功能,。 以前在学单片机课程时只是对其理论知识有了初步的理解。 通过这次设计,对它的工作原理有了更深的理解。 通过对电路的调试以及对程序的调试,熟悉了单片机。 八.参考文献 [1]胡健.单片机原理及接口技术.北京: 机械工业出版社,2004年10月 [2]王毓银.数字电路逻辑设计.高等教育出版社,2005年12月 [3]于殿泓、王新年.单片机原理与程序设计实验教程.西安电子科技大学出版社,2007年5月 [4]谢维成、杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计实例.电子工业出版社,2006年3月 [5]李广弟.单片机基础.北京航空航天大学出版社,2007年5月
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