基于單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、課程設(shè)計(jì)（論文）用紙 波形發(fā)生器設(shè)計(jì)摘要此次設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器可產(chǎn)生5種波形，分別是正弦波、方波、三角波、梯形波、鋸齒波，以AT89C51單片機(jī)為核心，利用DAC0832完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，以獨(dú)立式按鍵方式來(lái)選擇要產(chǎn)生的波形，并用示波器觀察波形，側(cè)重于硬件設(shè)計(jì)。關(guān)鍵字：AT89C51單片機(jī) DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器 獨(dú)立式按鍵 波形發(fā)生器目 錄緒論31硬件電路設(shè)計(jì)41.1波形發(fā)生器的系統(tǒng)框圖41.2 AT89C51單片機(jī)介紹4 1.3 DAC0832的基礎(chǔ)知識(shí)5 1.3.1 D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)5 1.3.2 DAC0832外形及引腳功能5 1.3.3 DAC0832芯片的功能和工作方式6 1.4復(fù)位電

2、路設(shè)計(jì)7 1.5輸入鍵盤電路的設(shè)計(jì)7 1.6運(yùn)放電路81.7鎖存器的作用91.8波形發(fā)生器的硬件電路圖92軟件部分設(shè)計(jì)112.1設(shè)計(jì)思路11 2.2總體方框圖11總結(jié)12參考文獻(xiàn)13緒論 波形發(fā)生器也稱函數(shù)發(fā)生器，作為一種常用的信號(hào)源，廣泛應(yīng)用于各種電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中。目前，市場(chǎng)上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒波，正弦波，方波，三角波等波形。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是一種能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路。波形發(fā)生器作為一種常用的信號(hào)源,是現(xiàn)代測(cè)試領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一。在研制、生產(chǎn)、測(cè)試和維修各種電子元件、部件以及整機(jī)設(shè)備時(shí)

3、，都學(xué)要有信號(hào)源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號(hào)，并加到被測(cè)器件或設(shè)備上，然后用其他儀器觀察、測(cè)量被測(cè)儀器的輸出響應(yīng)，以分析確定它們的性能參數(shù)。 信號(hào)發(fā)生器是電子測(cè)量領(lǐng)域中最基本、應(yīng)用最廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號(hào),因而廣泛用于通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可以很方便地構(gòu)成各種信號(hào)波形發(fā)生器。用集成電路實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形發(fā)生器與其它信號(hào)波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。本次設(shè)計(jì)要求如下： 設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、梯形波、鋸齒波的波形發(fā)生器。以單片機(jī)為核心，利用數(shù)摸轉(zhuǎn)換芯片0832完成數(shù)摸轉(zhuǎn)

4、換;以按鍵來(lái)選擇要產(chǎn)生的波形;用示波器觀察波形。具體要求如下：1) 掌握單片機(jī)的工作原理與接口設(shè)計(jì)。2) 完成硬件設(shè)計(jì), 包括硬件選擇及硬件原理圖繪制。3) 完成軟件設(shè)計(jì),繪制程序流程圖。1、硬件電路設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)： 采用AT89C51單片機(jī)和DAC0832芯片。對(duì)AT89C51單片機(jī)的各個(gè)I/O口充分利用。P1鏈接鍵盤，P0口鏈接DAC0832進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，鏈接74LS377鎖存器。1.1 波形發(fā)生器的系統(tǒng)框圖 多種波形發(fā)生器由AT89C51單片機(jī)、按鍵開關(guān)、D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832、運(yùn)放等部分組成。系統(tǒng)框圖如圖1-1-1所示 按鍵開關(guān)DAC0832AT89C51 運(yùn) 放 輸出波形 圖1-

5、1-1 波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖 1.2 AT89C51單片機(jī)介紹 AT89C51單片機(jī)是以8051核構(gòu)成，它和8051系列單片機(jī)是兼容的系列。在應(yīng)用中，只要用相同引腳的AT89C51單片機(jī)就可以直接取代51單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)內(nèi)含F(xiàn)lash存儲(chǔ)器，因此在系統(tǒng)開發(fā)過(guò)程中可以十分容易的進(jìn)行程序修改，反復(fù)進(jìn)行修改，在很大程度上縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期，保證用戶的系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)，并且可以隨用戶的需要和發(fā)展，使系統(tǒng)不斷追隨用戶的最新要求。 AT89C51是一種帶4K字節(jié)Flash存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)。由于將多功能的8位C

6、PU和閃存存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片上，AT89C51單片機(jī)是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除的只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活且廉價(jià)的方案?，F(xiàn)在AT89S51/52已經(jīng)取代了AT89C51/52。 AT89C51單片機(jī)有40條引腳，與其他51系列單片機(jī)引腳是兼容的。這四十條引腳可以分為I/O端口線、電源線、控制線、外接晶體線四部分。其封裝形式有兩種：雙列直插封裝（DIP）形式和方形封裝形式，如圖1-2-1所示 圖1-2-1 AT89C51封裝和引腳分配圖（a） 雙列直插式封裝；（b）

7、方形封裝 1.3 DAC0832的基礎(chǔ)知識(shí) D/A轉(zhuǎn)換器是將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量，它需要對(duì)每一位代碼按其權(quán)值大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，然后對(duì)模擬量進(jìn)行相加，從而實(shí)現(xiàn)D/A轉(zhuǎn)換。DAC0832是8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換芯片，該芯片因價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。 1.3.1 D/A轉(zhuǎn)換器的指標(biāo)（1）分辨率：D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸出電壓的分辨率。輸入位數(shù)越多，分辨率越高。（2）轉(zhuǎn)換誤差：D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)際輸出的模擬量與理論輸出的模擬量之差。如相對(duì)誤差不大于1/2LSB,當(dāng)D/A為8位轉(zhuǎn)換器、參考電壓為VRER 時(shí)，1/2LSB=1/256VREF 。（3）轉(zhuǎn)換建立時(shí)間：D/A轉(zhuǎn)換器輸入

8、數(shù)字量從開始變化到輸出端得到穩(wěn)定輸出之間的時(shí)間。轉(zhuǎn)換建立時(shí)間越小，轉(zhuǎn)換實(shí)時(shí)性越好。 1.3.2 DAC0832外形及引腳功能 （1）（WR1）：輸入寄存器的寫選通信號(hào)。負(fù)脈沖圖1-3-1 DAC0832外形引腳圖 有效（脈寬應(yīng)大于500ns有效）。由ILE、（CS）、（WR1）的邏輯組合產(chǎn)生（LE1），當(dāng)(LE1)為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，(LE1)的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)所存。（2）AGND：模擬地，模擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地。（3）DI0DI7：數(shù)據(jù)輸入線。TTL電平，有效時(shí)間應(yīng)大于90ns，否則鎖存器的數(shù)據(jù)會(huì)出錯(cuò)。（4）VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線（-10V+10V）。（5）R

9、FB：反饋信號(hào)輸入線，芯片內(nèi)部有反饋電阻，改變RFB端外接電阻值可以調(diào)整裝換滿量程精度。（6）DGND：數(shù)字信號(hào)地。（7）IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。當(dāng)輸入全為1時(shí)IOUT1最大。（8）IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1之和為一常數(shù)。（9）（XFER）：數(shù)據(jù)傳輸控制信號(hào)輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。（10）（WR2）：DAC寄存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由（WR2）、（XFER）的邏輯組合產(chǎn)生（LE2），當(dāng)（LE2）為高電平時(shí)，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，（LE2）的負(fù)跳變時(shí)，將數(shù)據(jù)鎖存器的

10、內(nèi)容寫入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。（11）ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效。（12）VCC ：電源輸入線 （+5+15V）。 1.3.3 DAC0832芯片的功能和工作方式（1）功能：DAC0832芯片為8位D/A轉(zhuǎn)換器，內(nèi)部由兩個(gè)8位寄存器和一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器組成。采用兩級(jí)寄存器（輸入寄存器和輸出寄存器），可以實(shí)現(xiàn)兩級(jí)緩存操作，以單緩沖、雙緩沖或直通方式工作。轉(zhuǎn)換時(shí)間短，約為1us。輸出可以為電流或電壓形式（有外接運(yùn)放進(jìn)行轉(zhuǎn)換），可有單電源+5+15V供電。（2）工作方式 DAC0832工作方式如表3-3-1所示，當(dāng)（CS）為低電平，（WR1）為下降沿，ILE為高電平，（

11、WR2）為任意信號(hào)時(shí)，（LE1）為脈沖下降沿，將待轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)D0D7存入輸入寄存器；當(dāng)（CS）為低電平，（WR2）為下降沿，ILE為高電平，（XFER）為低電平時(shí)，（LE2）為脈沖下降沿，將輸入寄存器內(nèi)容存入DAC寄存器；（CS）為低電平，（WR1）、（WR2）為低電平，ILE為高電平，（XFER）為低電平時(shí)，（LE1）、（LE2）為低電平，DAC0832處于直通工作方式。 表3-3-1 DAC0832工作方式表（CS）(WR1)(WR2)ILE(XFER)(LE1)(LE2)工作方式Lâû Hûâ ûD0D7存入輸出寄存器Lû

12、6;â Lûâ輸入內(nèi)容存入DAC寄存器L L L H LL L直通工作方式1.4 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)的復(fù)位電路相當(dāng)于計(jì)算機(jī)重啟。一般復(fù)位需要8us的時(shí)間。復(fù)位電路圖如圖3-4-1所示 圖1-4-1 AT89C51外圍復(fù)位電路 復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)典型的外圍電路，只需在單片機(jī)的RST引腳上加上高電平，時(shí)間不少于8us即可。1.5 輸入鍵盤電路的設(shè)計(jì) 在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)人對(duì)系統(tǒng)的操作控制和向系統(tǒng)輸入?yún)?shù)，需要為系統(tǒng)設(shè)置按鍵，從而實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。鍵盤是一組（通常多于8個(gè)）按鍵集合。鍵盤使用按鍵一般都是具有一對(duì)常開觸電的按鈕開關(guān)，平時(shí)不按鍵時(shí)，觸電處于斷開狀態(tài)，

13、只有當(dāng)按下鍵時(shí)，觸點(diǎn)才處于閉合狀態(tài)，當(dāng)按鍵被松開后，觸電又處于斷開狀態(tài)。 根據(jù)鍵盤上閉合鍵的識(shí)別方法不同，鍵盤可分為非編碼鍵盤和編碼鍵盤兩種。從鍵盤的結(jié)構(gòu)來(lái)分，鍵盤可以分為獨(dú)立式和行列式鍵盤。當(dāng)系統(tǒng)操作比較簡(jiǎn)單，所需鍵盤較少時(shí)，可采用獨(dú)立式非編碼鍵盤；而當(dāng)系統(tǒng)操作比較復(fù)雜，需要數(shù)量較多的按鍵時(shí)，可采用行列式非編碼鍵盤。在本次設(shè)計(jì)中，因所需鍵數(shù)較少，所以采用獨(dú)立式鍵盤。其電路如圖1-5-1所示，當(dāng)系統(tǒng)開始掃描鍵盤時(shí)，設(shè)定K0鍵控制正弦波，K1鍵控制方波，K2鍵控制三角波，K3鍵控制梯形波，K4鍵控制鋸齒波。 圖1-5-1 獨(dú)立式輸入鍵盤1.6 運(yùn)放電路 DAC0832的輸入電壓較小，因此要將該電

14、壓信號(hào)在示波器中顯示出來(lái)，需要有一個(gè)放大器將此電信號(hào)放大到所需范圍內(nèi)。放大電路的增益是可調(diào)的，故運(yùn)用運(yùn)算放大電路能將電壓信號(hào)放大到所需范圍。本次設(shè)計(jì)采用LM741運(yùn)算放大器。圖1-6-1為741的引腳圖。 圖1-6-1 LM741引腳圖LM741放大器引腳功能：1、5為調(diào)零端，2為反向輸入端，3為同向輸入端，7為電源電壓正端，4為電源電壓負(fù)端，6為輸出端。1.7 鎖存器的作用 對(duì)于快速外部設(shè)備輸出的數(shù)據(jù)，視為暫態(tài)數(shù)據(jù)。單片機(jī)擴(kuò)展輸入口時(shí)，應(yīng)用鎖存器，否則數(shù)據(jù)可能丟失。74LS377是帶有輸出允許控制端的8D鎖存器，1D8D是數(shù)據(jù)輸入線，1Q8Q是數(shù)據(jù)輸出線，CLK是時(shí)鐘控制端，（E）為鎖存允許

15、端，當(dāng)（E）=0時(shí)，CLK的上升沿將8位數(shù)據(jù)鎖存，這時(shí)將保持D端輸入的8位數(shù)據(jù)。鎖存器74LS377如圖1-7-1所示 圖1-7-1 鎖存器74LS3771.8 波形發(fā)生器的硬件電路圖如1-8-1所示 圖1-8-1 波形發(fā)生器的硬件電路圖2、 軟件部分設(shè)計(jì)2.1 設(shè)計(jì)思路： 利用中斷，當(dāng)5個(gè)開關(guān)中有任一個(gè)閉合時(shí)，跳轉(zhuǎn)至中斷程序，在中斷程序中判斷是那個(gè)按鍵閉合，然后跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)的程序，并執(zhí)行輸出波形的操作。每輸出一個(gè)點(diǎn)，判斷按鍵是否斷開，若未斷開，則繼續(xù)輸出，若斷開，則結(jié)束中斷程序。2.2 總體方框圖：軟件設(shè)計(jì)部分總框圖如圖4-2-1所示 函數(shù)發(fā)生器K4鍵控制鋸齒波K3鍵控制梯形波K2鍵控制三角波K1鍵控制方波K0鍵控制正弦波總結(jié) 此次設(shè)計(jì)的波形發(fā)生器可產(chǎn)生5種波形，分別是正弦波、方波、三角波、梯形波、鋸齒波，以AT89C51單片機(jī)為核心，利用DAC0832完成數(shù)摸轉(zhuǎn)換，以獨(dú)立式按鍵方式來(lái)選擇要產(chǎn)生的波形，并用示波器觀察波形。設(shè)計(jì)側(cè)重于硬件設(shè)計(jì)，所以對(duì)軟件設(shè)計(jì)方面介紹較少。 在設(shè)計(jì)中，有時(shí)需要進(jìn)行器件的選擇，因?yàn)閷?duì)于器件的了解范圍較小，所以選擇器件可能會(huì)有些不精確，不能達(dá)到理想的