基于單片機信號產(chǎn)生電路的設(shè)計

1、目 錄第 1 章.概述 .1第 2 章.系統(tǒng)設(shè)計 .22.1 系統(tǒng)方案的比較.22.2 控制芯片的選擇.2第 3 章.硬件電路的設(shè)計 .33.1 基本原理：.33.2 各部分電路原理 .3第 4 章.軟件設(shè)計 .84.1 主程序流程圖.84.2 子程序流程圖 .9結(jié)論 .12參考文獻(xiàn) .13附錄 1 電路原理圖 .14附錄 2 程序清單.15第 1 章 概述. 波形發(fā)生器亦稱函數(shù)發(fā)生器，作為實驗用信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器

2、設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用 555 振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機械振動等領(lǐng)域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的 RC 很大；大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會大大增加。當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會，電子技術(shù)的進步，給人們帶

3、來了根本性的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代電子領(lǐng)域中，單片機的應(yīng)用正在不斷的走向深入，這必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測技術(shù)的日益革新。單片機構(gòu)成的儀器具有高可靠性、高性能價格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動化等諸多領(lǐng)域得以極為廣泛的應(yīng)用，并走入家庭，從洗衣機、微波爐到音響汽車，處處可見其應(yīng)用。因此，單片機技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。利用單片機采用程序設(shè)計方法來產(chǎn)生低頻信號，其下限頻率很低。具有線路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強，用途廣泛等優(yōu)點，并且能夠?qū)Σㄐ芜M行細(xì)微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級。這里介紹一種采用 A

4、T89S52 單片機和一片 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器做成的數(shù)字式低頻信號發(fā)生器，它的特點是價格低、性能高，在低頻范圍穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少等。信號發(fā)生器與其它相比還具有如下優(yōu)點：較分立元件信號發(fā)生器而言，具有頻率高，工作穩(wěn)定，容易調(diào)試等特性；較專用 DDS 芯片的信號發(fā)生器而言，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特性。第 2 章 系統(tǒng)的設(shè)計2.12.1 系統(tǒng)方案的比較系統(tǒng)方案的比較方案一：采用函數(shù)信號發(fā)生器 ICL8038 集成模擬芯片，（如圖 2-1）它是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。但是這種模塊產(chǎn)生的波形都不是純凈的波形，會寄生一些高次諧波分量，采用其他的措施雖可濾

5、除一些，但不能完全濾除掉。方案二：采用分立元件實現(xiàn)非穩(wěn)態(tài)的多諧振振蕩器，然后根據(jù)需要加入積分電路等構(gòu)成正弦、矩形、三角等波形發(fā)生器。這種信號發(fā)生器輸出頻率范圍窄，而且電路參數(shù)設(shè)定較繁瑣，其頻率大小的測量往往需要通過硬件電路的切換來實現(xiàn)，操作不方便。方案三：采用單片機和 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形，由于是軟件濾波，所以不會有寄生的高次諧波分量，生成的波形比較純凈。它的特點是價格低、性能高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少。經(jīng)比較，方案三既可滿足設(shè)計的基本要求又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，電路簡單，易控制，性價比較高，所以采用該方案。2.22.2 控制芯片的選擇控制芯片的選擇AT89S

6、52 單片機是一種高性能 8 位單片微型計算機。它把構(gòu)成計算機的中央處理器 CPU、存儲器、寄存器、I/O 接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構(gòu)成較為完整的計算機。AT89S52 芯片比較常用，簡單易控制，成本低，性能穩(wěn)定故采用方案一。圖 2-1 方案一方框圖D/A鍵 盤單片機ICL8038運算電路顯 示D/A輸出第 3 章.硬件電路的設(shè)計3.13.1 基本原理：基本原理：系統(tǒng)框圖如圖 3-1 所示。圖 3-1 低頻信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖低頻信號發(fā)生器系統(tǒng)主要由 CPU、D/A 轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換電路、按鍵和波形指示電路、電源等電路組成。其工作原理為當(dāng)分別按下四個按鍵中的任一個

7、按鍵就會分別出現(xiàn)方波、鋸齒波、三角波、正弦波，并且有四個發(fā)光二極管分別作為不同的波形指示燈。3.23.2 各部分電路原理各部分電路原理（A）DAC0832 芯片原理管腳功能介紹（如圖 3-5 所示）圖 3-5 DAC0832 管腳圖(1) DI7DI0：8 位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。(2) IOUT1：模擬電流輸出端 1，當(dāng) DAC 寄存器中數(shù)據(jù)全為 1 時，輸出電流最大，當(dāng) DAC 寄存器中數(shù)據(jù)全為 0 時，輸出電流為 0。(3) IOUT2：模擬電流輸出端 2， IOUT2與 IOUT1的和為一個常數(shù)，即IOUT1IOUT2常數(shù)。(4) RFB：反饋電阻引出端，DAC0832 內(nèi)部已

8、經(jīng)有反饋電阻，所以 RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。(5) VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負(fù)電壓，它決定 0 至 255 的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為(+10-10)V。VREF端與 D/A 內(nèi)部 T 形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。(6) Vcc：芯片供電電壓，范圍為(+5 15)V。(7) AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。(8) DGND：數(shù)字量地。 當(dāng) WR2 和 XFER 同時有效時，8 位 DAC 寄存器端為高電平“1” ，此時DAC 寄存器的輸出端 Q 跟隨輸入端 D 也

9、就是輸入寄存器 Q 端的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平“0”時，第一級 8 位輸入寄存器 Q 端的狀態(tài)則鎖存到第二級 8 位 DAC 寄存器中，以便第三級 8 位 DAC 轉(zhuǎn)換器進行 D/A 轉(zhuǎn)換。一般情況下為了簡化接口電路，可以把 WR2 和 XFER 直接接地，使第二級 8 位 DAC 寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級 8 位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式制作低頻信號發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。單緩沖方式具有適用于只有一路模擬信號輸出或幾路模擬信號非同步輸出的情形的優(yōu)點，但是

10、電路線路連接比較簡單。而雙緩沖方式適用于在需要同時輸出幾路模擬信號的場合，每一路模擬量輸出需一片 DAC0832 芯片，構(gòu)成多個 DAC0832 同步輸出電路，程序簡單化，但是電路線路連接比較復(fù)雜。根據(jù)以上分析，我們的課題選擇了單緩沖方式使用方便，程序簡單，易操作。工作原理DAC0832 主要由 8 位輸入寄存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。8 位輸入寄存器用于存放主機送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制；8 位 DAC 寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制；8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門、非與門組成

11、的輸入控制電路來控制 2 個寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。DAC0832 與反相比例放大器相連，實現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，因此輸出模擬信號的極性與參考電壓的極性相反，數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換關(guān)系為Vout1=-Vref（數(shù)字碼/256）若 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出為雙極性，如圖 3-6 所示。Iout1Iout2VfbDA C0832U1567B1098CR2=RR1=2RR3=2RRVout2Vref=(字字 字-128)/128+5VVout1I1I2圖 3-6 D/A 轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路圖 7 中，運算放大器 A2 的作用是把運算放大器 A1 的單向輸出電壓轉(zhuǎn)換成雙向輸出電壓。其原理是將 A2 的輸入端

12、通過電阻 R1 與參考電壓VREF 相連，VREF 經(jīng) R1 向 A2 提供一個偏流 I1，其電流方向與 I2 相反，因此運算放大器 A2 的輸入電流為 I1、I2 之代數(shù)和。則 D/A 轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓為：VOUT2= -(R3/R2) VOUT1+(R3/R1) VREF設(shè) R1=R3=2R R2=R，則 VOUT2= -(2VOUT1+VREF)DAC0832 主要是用于波形的數(shù)據(jù)的傳送，是本題目電路中的主要芯片。DAC0832 電路原理圖（如圖 3-7 所示） 圖 3-7 0832 電路原理圖(B) LM324 工作原理（管腳功能如圖 3-8 所示） 圖 3-8 LM324 管腳圖L

13、M324 時四運放集成電路 ，它采用 14 腳雙烈直插塑料封袋，外形如圖 1所示。他的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運算放大器，除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖中所示的符號來表示，它有 5個引出腳，其中“+” 、 “-”為兩個信號輸入端， “V+” 、 “V-”為正、負(fù)電源端， “OUT”為輸出端。兩個信號輸入端中， “-”為反相輸入端，表示運放輸出端 OUT 的信號與該輸入端的為相反；“+”為同相輸入端，表示運放輸出端 OUT 的信號與輸入端的相位相同。LM324 的引腳排列見圖 9。由于 LM324 四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可但電源使用，價格低廉等優(yōu)點，

14、因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。在此項目中用了 LM324 的三組運放，分別置于第一級輸出，第一、二級之間，第二級輸出。（C)MC1403 工作原理（管腳功能如圖 3-9 所示） 圖 3-9 MC1403 管腳圖MC1403 是低壓基準(zhǔn)芯片。一般用作 8 到 12bit 的 D/A 芯片的基準(zhǔn)電壓等一些需要基本精準(zhǔn)的基準(zhǔn)電壓的場合。輸出電壓：2.5V+/-25Mv輸入電壓范圍：4.5Vto40V輸出電流：10Ma因為輸出是固定的，所以電路很簡單。就是 Vin 接電源輸入，GND 接地，Vout 加一個 0.1uf 到 1uf 的電容就可以了。Vout 一般用于 8 到 12bit的 D/A 芯片的

15、基準(zhǔn)電壓。在此項目里 MC1403 起到了穩(wěn)壓的作用，它基準(zhǔn)了 DAC0832 的 8 腳需要的 2.5V。使其 DAC0832 能夠正常工作。第四章 軟件設(shè)計單片機技術(shù)比較成熟，開發(fā)過程可利用的資源和工具豐富，最大的優(yōu)點是價格便宜，成本低。調(diào)試軟件采用 Keil51.keiluVison 是眾多單片機應(yīng)用開發(fā)軟件中優(yōu)秀軟件之一，界面友好，易寫易操作。在調(diào)試程序中，軟件仿真 protues 功能也很強，軟件調(diào)通，再通過編程器下載到 AT89S52中，然后插到系統(tǒng)中即可獨立完成所有的控制。軟件設(shè)計上，根據(jù)功能分了幾個模塊編程。模塊主要有：主程序模塊、鋸齒波模塊、三角波模塊、正弦波模塊、方波模塊、

16、延時子程序模塊等。顯示波形模塊是利用 DAC0832 的 8 位特點，把波形的數(shù)據(jù)以 8 位數(shù)據(jù)的形勢送進 CPU 中，只要一按鍵就能顯示波形。4 4.1 主程序流程圖圖 4-1 主程序流程圖本軟件設(shè)計過程中主要實現(xiàn)利用按鍵來控制不同波形的輸出，當(dāng)按鍵1 按下時，函數(shù)發(fā)生器就輸出鋸齒波；當(dāng)按鍵 2 按下時，函數(shù)發(fā)生器就輸出三角波；當(dāng)按鍵 3 按下時，函數(shù)發(fā)生器就輸出正弦波；當(dāng)按鍵 4 按下時，函數(shù)發(fā)生器就輸出方波。通過按鍵可以以任意循環(huán)方式輸出不同波形。4.24.2 子程序流程圖子程序流程圖1 鋸齒波流程圖圖 4-2 鋸齒波流程圖鋸齒波產(chǎn)生首先將 DAC0832 口地址至為 4000H，然后將

17、 00H 送入寄存器 A 中，DAC0832 輸出 A 中的內(nèi)容，當(dāng) A 中的內(nèi)容等于 F0H 返回開始，當(dāng)A 中的內(nèi)容不為 0FH 時，A 中的內(nèi)容累加，從而輸出波形。2 三角波程序流程圖4-3 三角波流程圖三角波產(chǎn)生首先將 DAC0832 口地址至為 4000H，通過 A 中數(shù)值的加一遞升，當(dāng) A 中的內(nèi)容為 0 時，與 0FFH 相比，相等時 A 中的內(nèi)容減一遞減，從而循環(huán)產(chǎn)生三角波。3 正弦波程序流程圖圖 4-4 正弦波流程圖正弦波波形設(shè)計通過查表指令得出。4 方波程序流程圖圖 4-5 方波流程圖方波產(chǎn)生首先將 DAC0832 口地址至為 4000H，當(dāng) A 中的內(nèi)容為 0 時，輸出對

18、應(yīng)模擬量，然后延時，當(dāng) A 中的內(nèi)容為 0FFH 時，同樣輸出對應(yīng)模擬量，再延時，從而得到方波。5 延時子程序流程圖 圖 4-6 延時程序流程圖延時程序如下：DELY: MOV R7,#10HDLY0: MOV R6,#0EDH NOPDLY1: DJNZ R6,DLY1 DJNZ R7,DLY0 RET方波的上限和下限的延時時間為：7ms S=1+(1+1+2237+2)16+1=7648S結(jié)論 在對系統(tǒng)進行波形仿真時可以在虛擬示波器上觀察到鋸齒波、三角波、正弦波和方波的波形。其中鋸齒波、三角波以及正弦波的輸出誤差較大，方波波形較為理想。這一方面與電路設(shè)置的參數(shù)有關(guān)，另一方面也與使用的仿真軟

19、件有關(guān)。對于上述問題的解決辦法是：改變仿真電路的參數(shù)或著換用版本較高的仿真軟件。在將電路和實物連接的情況下再將程序下載至單片機中進行實際電路的測試時，電路輸出的四種波形基本上都可以看到，其中鋸齒波、三角波以及正弦波的輸出誤差較大，方波波形較為理想。但是基本上是符合設(shè)計要求的。當(dāng)然在實際電路測量時由于實驗環(huán)境的干擾也會對輸出波形有一些影響，這些影響主要是使輸出波形產(chǎn)生寄生的高頻雜波，具體表現(xiàn)就是使輸出波形質(zhì)量變壞，波形邊厚。在對電路進行調(diào)試時適當(dāng)改變數(shù)模轉(zhuǎn)換電路及輸出放大電路參數(shù)電路輸出結(jié)果相對較好一些。這次課程設(shè)計使我掌握了很多實踐知識，在老師和同學(xué)的幫助下對單片機有了進一步的了解。通過這次課

20、程設(shè)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(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，進而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力 參考文獻(xiàn)1 孫俊逸，盛秋林，張錚等.單片機原理及應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，2001.2 蔡美琴.MCS-51 系列單片機系統(tǒng)及其應(yīng)用M.北京：高等教育出版社，2000.3 孫育才，孫華芳，王榮興.單片機原理及應(yīng)用M.北京：電子工業(yè)出版社，2003.4 李鴻.單片機原理及應(yīng)用M.湖南：湖南大學(xué)出版社，2004.5 丁元杰.單片微機原理及應(yīng)用.第二版M.北京：機械工業(yè)出版社，2001.6 潘新民 王燕芳 編著.微型計算機控制技

21、術(shù). 北京：高等教育出版社，2004.7 馬忠梅.單片機的 C 語言應(yīng)用程序設(shè)計M.北京：北京北航出版社，2003. 8 陸子明，徐長根. 單片機設(shè)計與應(yīng)用基礎(chǔ)教程.北京：國防工業(yè)出版社，2005.1 9 劉守義.單片機應(yīng)用技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2002. 8 10 王新賢.通用集成電路速查手冊.濟南：山東科學(xué)技術(shù)出版社，2002.9附錄 1 電路原理圖附錄 2 程序清單KEY1 BIT P1.0KEY2 BIT P1.1KEY3 BIT P1.2KEY4 BIT P1.3;按鍵 KEY1:鋸齒波 按鍵 KEY2:三角波 按鍵 KEY3: 正弦波 ;按鍵 KEY4: 方波; OR

22、G 0000H LJMP MAIN ORG 0030HMAIN:MOV SP,#50HMOV DPTR,#7FFFHMOV P2,#00HMOV A,#00HMOVX DPTR,ASCAN_KEY1:MOV A,P1 ANL A,#0FH CJNE A,#0EH,SCAN_KEY2 LJMP B1SCAN_KEY2:MOV A,P1 ANl A,#0FH CJNE A,#0DH,SCAN_KEY3 LJMP B2SCAN_KEY3:MOV A,P1 ANl A,#0FH CJNE A,#0BH,SCAN_KEY4 LJMP B3SCAN_KEY4:MOV A,P1 ANl A,#0FH CJN

23、E A,#07H,SCAN_KEY1 LJMP B4;利用 dac0832 產(chǎn)生鋸齒波;B1:CLR P1.4 SETB P1.5 SETB P1.6 SETB P1.7LP: MOV A,#00H MOV DPTR,#4000H MOVX DPTR,A LP1: INC A MOV P2,A CJNE A,#0FFH,LP1 LJMP SCAN_KEY1;利用 dac0832 產(chǎn)生三角波;B2: CLR P1.5 SETB P1.4 SETB P1.6 SETB P1.7UP: MOV A,#00HUP1: INC A MOV P2,A NOP NOP CJNE A,#0F0H,UP1DOW

24、N:DEC A MOV P2,A NOP NOP CJNE A,#00H,DOWN LJMP SCAN_KEY2;利用 dac0832 產(chǎn)生正弦波;B3: MOV R1,#00H ;取表格初值 ;在表格里取數(shù)送到指定地址/ LOOP1:CLR P1.6 SETB P1.4 SETB P1.5 SETB P1.7 MOV A,R1 MOV DPTR,#SETTAB MOVC A,A+DPTR MOV DPTR,#4000H MOVX DPTR,A MOV P2,A INC R1;表格加一 CJNE R1,#0FFH,LOOP1SETTAB: ;正弦表格/ DB 80H,83H,86H,89H,8

25、DH,90H,93H,96H DB 99H,9CH,9FH,0A2H,0A5H,0A8H,0ABH,0AEH DB 0B1H,0B4H,0B7H,0BAH,0BCH,0BFH,0C2H,0C5H DB 0C7H,0CAH,0CCH,0CFH,0D1H, 0D4H,0D6H,0D8H DB 0DAH,0DDH,0DFH,0E1H,0E3H, 0E5H,0E7H,0E9H DB 0EAH,0ECH,0EEH,0EFH,0F1H, 0F2H,0F4H,0F5H DB 0F6H,0F7H,0F8H,0F9H,0FAH, 0FBH,0FCH,0FDH DB 0FDH,0FEH,0FFH,0FFH,0FF

26、H, 0FFH,0FFH,0FFH DB 0FFH,0FFH,0FFH,0FFH,0FFH, 0FFH,0FEH,0FDH DB 0FDH,0FCH,0FBH,0FAH,0F9H, 0F8H,0F7H,0F6H DB 0F5H,0F4H,0F2H,0F1H,0EFH, 0EEH,0ECH,0EAH DB 0E9H,0E7H,0E5H,0E3H,0E1H, 0DEH,0DDH,0DAH DB 0D8H,0D6H,0D4H,0D1H,0CFH, 0CCH,0CAH,0C7H DB 0C5H,0C2H,0BFH,0BCH,0BAH, 0B7H,0B4H,0B1H DB 0AEH,0ABH,0A8H,

27、0A5H,0A2H, 9FH, 9CH, 99H DB 96H, 93H, 90H, 8DH, 89H, 86H, 83H, 80H DB 80H, 7CH, 79H, 78H, 72H, 6FH, 6CH, 69H DB 66H, 63H, 60H, 5DH, 5AH, 57H, 55H, 51H DB 4EH, 4CH, 48H, 45H, 43H, 40H, 3DH, 3AH DB 38H, 35H, 33H, 30H, 2EH, 2BH, 29H, 27H DB 25H, 22H, 20H, 1EH, 1CH, 1AH, 18H, 16H DB 15H, 13H, 11H, 10H, 0EH, 0DH, 0BH, 0AH DB 09H, 08H, 07H,