單片機正文函數(shù)信號發(fā)生器

1、. . . . 編號：單片機綜合實訓 (論文)說明書題 目： 函數(shù)信號發(fā)生器 院 （系）： 信息與通信學院 專 業(yè)： 電子信息工程 學生：學 號：指導教師：2012年 12月 24 日4 / 23摘 要本文介紹一種用AT89C51單片機構(gòu)成的波形發(fā)生器，可產(chǎn)生方波、三角波、正弦波、鋸齒波等多種波形，波形的周期可用程序改變，并可根據(jù)需要選擇單極性輸出或雙極性輸出，具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越等特點。文章給出了源代碼，通過仿真測試，其性能指標達到了設計要求。關(guān)鍵詞：單片機；DAC；信號發(fā)生器AbstractThis paper introduces a AT89C51 single chip

2、waveform generator, can produce square wave, triangle wave, sine wave, sawtooth wave and other wave, waveform cycle can be used to change procedures, and in accordance with the need to select the output unipolar or bipolar output, has simple circuit, compact structure, superior performance character

3、istics. The article gives the source code, through simulation test, the performance indexes have reached the design requirements.Key words: single chip microcomputer; DAC; signal generator。目錄目錄31 緒論41.1單片機與TLC5615概述41.2信號發(fā)生器的分類41.3 研究容42 方案的設計與選擇52.1 方案的比較52.2 設計原理52.3 設計功能63 硬件設計73.1 硬件原理框圖73.2 系統(tǒng)P

4、CB板的設計73.3 主控電路73.4數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路83.5 按鍵接口電路103.6 時鐘電路103.7 顯示電路104 軟件設計124.1 程序流程圖124.2 軟件與聯(lián)機調(diào)試134.3 主控程序調(diào)試145 實訓心得體會1參考文獻1附錄12電路原理圖與PCB圖2附錄2 源程序31 緒論1.1單片機與TLC5615概述隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，中央處理器(CPU)、隨機存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、(I/O)接口、定時器/計數(shù)器和串行通信接口，以與其他一些計算機外圍電路等均可集成在一塊芯片上構(gòu)成單片微型計算機，簡稱為單片機。單片機具有體積小、成本低，性能穩(wěn)定、使用壽命長等特點

5、。其最明顯的優(yōu)勢就是可以嵌入到各種儀器、設備中，這是其他計算機和網(wǎng)絡都無法做到的。TLC5615為美國儀器1999年推出的產(chǎn)品，是具有串行接口的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，其輸出為電壓型，最大輸出電壓是基準電壓值的兩倍。帶有上電復位功能，即把DAC寄存器復位至全零。TLC5615性價比高，目前在國市場很方便購買。1.2信號發(fā)生器的分類信號發(fā)生器應用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。按照頻率圍分類可以分為：超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、視頻信號發(fā)生器、高頻波形發(fā)生器、甚高頻波形發(fā)生器和超高頻信號發(fā)生器。按照輸出波形分類可以分為：正弦信號發(fā)生器和非正弦信號發(fā)生器，非正弦信號發(fā)生器又包括：脈沖信號發(fā)生器

6、，函數(shù)信號發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號發(fā)生器、噪聲信號發(fā)生器等。按照信號發(fā)生器性能指標可以分為一般信號發(fā)生器和標準信號發(fā)生器。前者指對輸出信號的頻率、幅度的準確度和穩(wěn)定度以與波形失真等要求不高的一類信號發(fā)生器。后者是指其輸出信號的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一定圍連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準確、穩(wěn)定、屏蔽良好的中、高檔信號發(fā)生器。1.3 研究容本文是做基于單片機的信號發(fā)生器的設計，將采用編程的方法來實現(xiàn)三角波、鋸齒波、矩形波、正弦波的發(fā)生。根據(jù)設計的要求，對各種波形的頻率和幅度進行程序的編寫，并將所寫程序裝入單片機的程序存儲器中。在程序運行中，當接收到來自外界的命令，需要輸出某種波

7、形時再調(diào)用相應的中斷服務子程序和波形發(fā)生程序，經(jīng)電路的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和運算放大器處理后，從信號發(fā)生器的輸出端口輸出。2 方案的設計與選擇2.1 方案的比較方案一：采用單片函數(shù)發(fā)生器（如8038），8038可同時產(chǎn)生正弦波、方波等，而且方法簡單易行，用D/A轉(zhuǎn)換器的輸出來改變調(diào)制電壓，也可以實現(xiàn)數(shù)控調(diào)整頻率，但產(chǎn)生信號的頻率穩(wěn)定度不高。方案二：采用鎖相式頻率合成器，利用鎖相環(huán)，將壓控振蕩器（VCO）的輸出頻率鎖定在所需頻率上，該方案性能良好，但難以達到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求，且電路復雜。方案三：采用單片機編程的方法來實現(xiàn)。該方法可以通過編程的方法來控制信號波形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況

8、下，通過改變程序來實現(xiàn)頻率的變換。此外，由于通過編程方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號，所以信號的精度可以做的很高。鑒于方案一的信號頻率不夠穩(wěn)定和方案二的電路復雜，頻率覆蓋系數(shù)難以達標等缺點，所以決定采用方案三的設計方法。它不僅采用軟硬件結(jié)合，軟件控制硬件的方法來實現(xiàn)，使得信號頻率的穩(wěn)定性和精度的準確性得以保證，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價格便宜，使得硬件的開銷達到最省。2.2 設計原理數(shù)字信號可以通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，因此可通過產(chǎn)生數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號的方法來獲得所需要的波形。89C51單片機本身就是一個完整的微型計算機，具有組成微型計算機的各部分部件：中央處理器C

9、PU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器/計數(shù)器以與串行通訊接口等，只要將89C51再配置鍵盤與其接口、顯示器與其接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換與波形輸出、指示燈與其接口等四部分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其信號發(fā)生器構(gòu)成原理框圖如圖2.1所示。 輸出AT89C51單片機濾波放大D/A轉(zhuǎn)換器接口電路圖2.1 信號發(fā)生器原理框圖AT89C51是整個波形發(fā)生器的核心部分，通過程序的編寫和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號，并從鍵盤接收數(shù)據(jù)，進行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號幅度的調(diào)節(jié)。當數(shù)字信號經(jīng)過接口電路到達轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號也就是所需要的輸出波形。2.3 設計功能（1）本方案利用8155擴展

10、8個獨立式按鍵，6個LED顯示器。其中“S0”號鍵代表方波輸出，“S1”號鍵代表正弦波輸出，“S2”號鍵代表三角波輸出，“S3” 號鍵代表鋸齒波輸出。（2）“S4”號鍵為10Hz的頻率信號，“S5”號鍵為100Hz的頻率信號，“S6”號鍵為500Hz的頻率信號，“S7”號鍵為1KHz的頻率信號，6個LED顯示器輸出信號的頻率值，選用共陽極LED。（3）利用兩片DAC0832實現(xiàn)幅度可調(diào)的信號源，（其中一片用來調(diào)節(jié)幅度，另外一片用來實現(xiàn)信號源的輸出）。（4）頻率圍：101000Hz。（5）輸出波形幅度為05V。3 硬件設計3.1 硬件原理框圖硬件原理方框圖如圖3.1所示。波形輸出放大電路復位電路

11、顯示電路數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路鍵盤電路單片機圖3.1 硬件原理框圖3.2 系統(tǒng)PCB板的設計PCB即印刷電路板，是電子電路的承載體。在現(xiàn)代電子產(chǎn)品中，幾乎都要使用PCB。PCB板的設計是電路設計的最后一個環(huán)節(jié)，也是對原理電路的再設計。因此PCB板的設計是理論設計到實際應用一個十分重要的容。印制電路板(PCB)是電子產(chǎn)品中電路元件和器件的支撐件它提供電路元件和器件之間的電氣連接。PCB設計的好壞對抗干擾能力影響很大因此，在進行PCB設計時必須遵守印制電路板設計原則和抗干擾措施的一般原則，并應符合抗干擾設計的要求。本次設計采用Altium公司PROTEL系列設計完成SCH到PCB的設計，并且手工完成電路焊

12、接以與整機的裝配。3.3 主控電路AT89C51單處機部設置兩個16位可編程的定時器/計數(shù)器T0和T1，它們具有計數(shù)器方式和定時器方式兩種工作方式與4種工作模式。在波形發(fā)生器中，將其作定時器使用，用它來精確地確定波形的兩個采樣點輸出之間的延遲時間。模式1采用的是16位計數(shù)器，當T0或T1被允許計數(shù)后，從初值開始加計數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時向CPU請求中斷。中斷系統(tǒng)是使處理器具有對外界異步事件的處理能力而設置的。當中央處理器CPU正在處理某件事的時候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個緊急事件。在波形發(fā)生器中，只用到片定時器計數(shù)器溢出時產(chǎn)生的中斷請求，即是在AT89C51輸出

13、一個波形采樣點信號后，接著啟動定時器，在定時器未產(chǎn)生中斷之前，AT89C51等待，直到定時器計時結(jié)束，產(chǎn)生中斷請求，AT89C51響應中斷，接著輸出下一個采樣點信號，如此循環(huán)產(chǎn)生所需要的信號波形6。如圖3.2所示，AT89C51從P0口接收來自鍵盤的信號，并通過P2口輸出一些控制信號，將其輸入到8155的信號控制端，用于控制其信號的輸入、輸出。如果有鍵按下，則在讀控制端會產(chǎn)生一個讀信號，使單片機讀入信號。如果有信號輸出，則在寫控制端產(chǎn)生一個寫信號，并將所要輸出的信號通過8155的PB口輸出，并在數(shù)碼管上顯示出來。圖3.2 主控電路圖3.4數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路由于單片機產(chǎn)生的是數(shù)字信號，要想得到所需要

14、的波形，就要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，所以該文選用價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易TLC5615。TLC5615由10 位 DAC 電路；一個 16 位移位寄存器, 接受串行移入的二進制數(shù),并且有一個級聯(lián)的數(shù)據(jù)輸出端DOUT；并行輸入輸出的 10 位 DAC 寄存器, 為 10 位 DAC 電路提供待轉(zhuǎn)換的二進制數(shù)據(jù)；電壓跟隨器為參考電壓端REFIN提供很高的輸入阻抗,大約10M；2 電路提供最大值為 2 倍于 REFIN 的輸出;上電復位電路和控制電路組成。由于TLC5615電壓型輸出，所以不用外接運放，使之在使用時更為方便TLC5615各引腳與其功能如下：DIN： 串行數(shù)據(jù)輸入端； SCL

15、K： 串行時鐘輸入端； /CS： 芯片選用通端，低電平有效； DOUT： 用于級聯(lián)時的串行數(shù)據(jù)輸出端； AGND： 模擬地； REFIN：基準電壓輸入端, 2V (VDD - 2)； OUT： DAC 模擬電壓輸出端； VDD： 正電源端，4.55.5V ,通常取 5V。圖3.3.1TLC引腳圖TLC5615的工作方式有兩種： 第一種方式由圖3.3可以看出16 位移位寄存器分為高 4 位虛擬位、低兩位填充位以與 10位有效位。在單片 TLC5615 工作時,只需要向 16 位移位寄存器按先后輸入 10位有效位和低 2 位填充位， 2 位填充位數(shù)據(jù)任意,這是第一種方式,即 12 位數(shù)據(jù)序列。第二

16、種方式為級聯(lián)方式, 即 16 位數(shù)據(jù)列,可以將本片的 DOU T 接到下一片的 DIN , 需要向 16 位移位寄存器按先后輸入高 4 位虛擬位、10 位有效位和低 2 位填充位, 由于增加了高 4 位虛擬位, 所以需要 16 個時鐘脈沖。圖3.3.2TLC5615功能框圖3.5 按鍵接口電路圖3.4為鍵盤接口電路的原理圖，圖中鍵盤和8155的PA口相連，AT89C51的P0口和8155的D0口相連，AT89C51不斷的掃描鍵盤，看是否有鍵按下，如有，則根據(jù)相應按鍵作出反應。其中“S0”號鍵代表方波輸出，“S1”號鍵代表正弦波輸出，“S2”號鍵代表三角波輸出。 “S3”號鍵代表鋸齒波輸出，“S

17、4”號鍵為10Hz的頻率信號，“S5”號鍵為100Hz的頻率信號，“S6”號鍵為500Hz的頻率信號，“S7”號鍵為1KHz的頻率信號3。 圖3.4 按鍵接口3.6 時鐘電路8051單片機有兩個引腳（XTAL1，XTAL2）用于外接石英晶體和微調(diào)電容，從而構(gòu)成時鐘電路，其電路圖如圖3.5所示。電容C1、C2對振蕩頻率有穩(wěn)定作用，其容量的選擇為30pf，振蕩器選擇頻率為12MHz的石英晶體。由于頻率較大時，三角波、正弦波、鋸齒波中每一點的延時時間為幾微秒，故延時時間還要加上指令時間才能獲得較大的頻率波形9。 圖3.5 時鐘電路3.7 顯示電路顯示電路是用來顯示波形信號的頻率，使得整個系統(tǒng)更加合理

18、，從經(jīng)濟的角度出發(fā)，所以顯示器件采用LED數(shù)碼管顯示器。而且LED數(shù)碼管是采用共陽極接法，當主控端口輸出一個低電平后，與其相對應的數(shù)碼管即變亮，顯示所需數(shù)據(jù)。其器件模型如圖3.6所示。圖3.6LED顯示電路4 軟件設計4.1 程序流程圖本文中子程序的調(diào)用是通過按鍵的選擇來實現(xiàn)，在取得按鍵相應的鍵值后，啟動計時器和相應的中斷服務程序，再直接查詢程序中預先設置的數(shù)據(jù)值，通過轉(zhuǎn)換輸出相應的電壓，從而形成所需的各種波形。主程序的流程圖如圖4.1所示，在程序開始運行之后，首先是對8155進行初始化，之后判斷信號頻率值，如符合所需的頻率，則重置時間常數(shù)，并通過顯示器顯示出來，不符則返回。在中斷結(jié)束后，還要

19、來判斷波形是否符合，如符合，則顯示其頻率，不符則返回，重新判斷。圖4.1 主程序流程圖圖4.2為各波形子程序的流程圖。如圖所示，在中斷服務子程序開始后，通過判斷來確定各種波形的輸出，當判斷選擇的不是方波后，則轉(zhuǎn)向?qū)φ也ǖ呐袛啵绱朔磸?。如果選擇的是方波，則用查表的方法求出相應的數(shù)據(jù)，并通過D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬信號，形成所需波形信號。圖4.2 子程序流程圖4.2 軟件與聯(lián)機調(diào)試Keil 4是美國Keil Software公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，與匯編相比，C語言在功能上、結(jié)構(gòu)性、可讀性、可維護性上有明顯的優(yōu)勢，因而易學易用。用過匯編語言后再使用C來開發(fā)，體會更加

20、深刻。Keil C51軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調(diào)試工具，全Windows界面。另外重要的一點，只要看一下編譯后生成的匯編代碼，就能體會到Keil C51生成的目標代碼效率非常之高，多數(shù)語句生成的匯編代碼很緊湊，容易理解。在開發(fā)大型軟件時更能體現(xiàn)高級語言的優(yōu)勢。Keil 4件是一個基于32位Windows環(huán)境的應用程序，支持C語言和匯編語言編程，其6.0以上的版本將編譯和仿真軟件統(tǒng)一為Vision(通常稱為V2)。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫管理和一個功能強大的仿真調(diào)試器等在的完整開發(fā)方案， 4.3 主控程序調(diào)試應用Keil進行軟件仿真開發(fā)的主要步驟為：編寫源程序

21、并保存建立工程并添加源文件設置工程編譯/匯編、連接，產(chǎn)生目標文件程序調(diào)試。成功編譯/匯編、連接后，選擇菜單Debug-Start/Stop Debug Session(或按Ctrl+F5鍵)進入程序調(diào)試狀態(tài)，Keil提供對程序的模擬調(diào)試功能，建一個功能強大的仿真CPU以模擬執(zhí)行程序。Keil能以單步執(zhí)行(按F11或選擇Debug-Step)、過程單步執(zhí)行(按F10或選擇Debug-Step Over)、全速執(zhí)行等多種運行方式進行程序調(diào)試。如果發(fā)現(xiàn)程序有錯，可采用在線匯編功能對程序進行在線修改(Debug-Inline Assambly)，不必執(zhí)行先退出調(diào)試環(huán)境、修改源程序、對工程重新進行編譯/

22、匯編和連接、然后再次進入調(diào)試狀態(tài)的步驟。對于一些必須滿足一定條件(如按鍵被按下等)才能被執(zhí)行的、難以用單步執(zhí)行方式進行調(diào)試的程序行，可采用斷點設置的方法處理(Debug-Insert/Remove Breakpoint或Debug-Breakpoints等)。在模擬調(diào)試程序后，還須通過編程器將.hex目標文件燒寫入單片機中才能觀察目標樣機真實的運行狀況。5 實訓心得體會課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程.隨著科學技術(shù)發(fā)展的日新日異，單片機已經(jīng)成為當今計算機應用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是

23、無處不在。因此作為二十一世紀的大學來說掌握單片機的開發(fā)技術(shù)是十分重要的?；仡櫰鸫舜螁纹瑱C課程設計，我仍感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在好幾個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識。通過這次課程設計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。在設計的過程中遇到問題，可以說得是困難重重，這畢竟第一次做的，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過

24、程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對以前所學過的知識理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，比如說不懂一些元器件的使用方法，對單片機匯編語言掌握得不好通過這次課程設計之后，一定把以前所學過的知識重新溫故。這次課程設計終于順利完成了，在設計中遇到了很多編程問題，最后在宋陽老師的辛勤指導下，終于游逆而解。同時，在宋陽老師那里我學得到很多實用的知識，在次我表示感！同時，對給過我?guī)椭乃型瑢W和各位指導老師再次表示忠心的感！參考文獻1 程全.基于AT89C52實現(xiàn)的多種波形發(fā)生器的設計J.師學院學報，2005.22(5)：5758.2 周明德.微型計算機系統(tǒng)原理與應用M.：清華大學，2002.341364.3 樂善.

25、微型計算機接口技術(shù)與應用M.：航空航天大學，2001.258264.4 童詩白.模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)M.：高等教育，2000.171202.5 杜華.任意波形發(fā)生器與應用J.國外電子測量技術(shù)，2005.1：3840.6 友德.單片微型機原理、應用與實踐M.：復旦大學，2004.4044. 7 程朗.基于8051單片機的雙通道波形發(fā)生器的設計與實現(xiàn)J.計算機工程與應用，2004.8：100103.8 永瑞.電子測量技術(shù)基礎(chǔ)M.：電子科技大學，2006.61101.9 葉紫. MCS-51單片機應用教程M.：清華大學，2004.232238.附錄1電路原理圖與PCB圖附錄2 源程序 #include

26、#include #define count 1000 sbit SCLK =P21 ; /定義端口sbit DIN =P22; sbit CS =P20 ;unsigned int temp;/中間變量 unsigned int f1,f2,f3,f4; const seven_seg_point10=0x40,0x79,0x24,0x30,0x19,0x12,0x02,0x78,0x00,0x10;/有小數(shù)點的數(shù)碼管顯示 unsigned char counter4=0xef,0xdf,0xbf,0x7f;/定義位選 /*定義按鍵*/ sbit K1 =P30;/方波 sbit K2 =P

27、31;/三角波 sbit K3 =P32;/正弦波 sbit K4 =P33; /鋸齒波 sbit K5 =P34; /頻率加 sbit K6 =P35; /頻率減 /sbit K5 =P16; /步進 /sbit K6 =P17; /確認輸出unsigned int num,wave=1;/中間變量unsigned char j=0; /j_片選,vout_電壓輸出char scan1,scan2,scan3,scan4;unsigned char seven_seg= 0xC0, /0 0xF9, /1 0xA4, /2 0xB0, /3 0x99, /4 0x92, /5 0x82, /

28、6 0xF8, /7 0x80, /8 0x90, /9 0x88, /A 0x83, /B 0xC6, /C 0xA1, /D 0x86, /E 0x8E, /F 0x89, /H 0xC7, /L 0xC8, /n 0xC1, /u 0x8C, /P 0xA3, /o0xBF, /- 0xFF, /熄滅 0xFF /自定義 ;/*TI 10位DA TLC5615的驅(qū)動程序 -調(diào)用方式： void da5615(unsigned int da)函數(shù)說明： TI 10位DA TLC5615的驅(qū)動程序-*/void da5615(unsigned int da) /DA子函數(shù)unsigned c

29、har i;da=6; CS=0;SCLK=0;for (i=0;i12;i+)DIN=(bit)(da&0x8000);SCLK=1;da=1;SCLK=0;CS=1;SCLK=0;for (i=0;i12;i+); /12位數(shù)值轉(zhuǎn)換成串行輸給DA芯片 void delay(int x)/延時int i,j;for(i=0;ix;i+);void vout_sin() /輸出正弦波 float x,vout; /用于正弦波發(fā)生器 for(x=-3.1415;x3.1415;x+=0.05)/正弦波發(fā)生器 vout=512*(1+sin(x)/2; /輸出值Vout必須大于0 temp=(un

30、signed int)vout;da5615(temp);/delay(2);delay(2); P1=0xfe;/*三角波*/void sanjiao() unsigned int i; for(i=0;i0;i-) temp=i; da5615(temp); P1=0xfb;/*鋸齒波*/void juchi() temp+; if(temp=512) temp=0; da5615(temp); delay(f1); P1=0xfd;/*方波*/void fangbo() da5615(512); delay(f1); da5615(0); delay(f1);P1=0xf7;void Timer1_ISR(void) interrupt 3 using 1unsigned char j;EA = 0; /禁止全局中斷TR1 = 0; P2=counterj&0xf0;/delay(2);switch(j) case 0:P0=0xff;delay(2);P0=seven_segscan1;break; case 1:P0=0xff;delay(2);P0=seven_segscan2;break; case 2:P0=0xff;delay(2);P0=seven