基于單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I基于單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）II摘摘 要要各種各樣的信號(hào)是通信領(lǐng)域的重要組成部分，其中正弦波、三角波和方波等是較為常見(jiàn)的信號(hào)。在科學(xué)研究及教學(xué)實(shí)驗(yàn)中常常需要這幾種信號(hào)的發(fā)生裝置。為了實(shí)驗(yàn)、研究方便，研制一種靈活適用、功能齊全、使用方便的信號(hào)源是十分必要的。本文介紹的是利用 AT89C51 單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器件 DAC0832 產(chǎn)生所需不同信號(hào)的低頻信號(hào)源，其信號(hào)幅度和頻率都是可以按要求控制的。文中簡(jiǎn)要介紹了DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)原理和使用方法，AT89C51 的基礎(chǔ)理論，以及與設(shè)計(jì)電路有關(guān)的各種

2、芯片。根據(jù)對(duì)畢業(yè)生設(shè)計(jì)的要求，文中著重介紹了利用單片機(jī)控制 D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生上述信號(hào)的硬件電路和軟件編程。信號(hào)頻率幅度也按要求可調(diào)。本次產(chǎn)生不同低頻信號(hào)的信號(hào)源的設(shè)計(jì)方案，不僅在理論和實(shí)踐上都能滿足實(shí)驗(yàn)的要求，而且具有很強(qiáng)的可行性。該信號(hào)源的特點(diǎn)是：體積小、價(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、實(shí)現(xiàn)方便、功能齊全。關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：信號(hào)源；單片機(jī)；DAC0832沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）III目目 錄錄第 1 章 緒 論.11.1 課題背景 .11.2 波形發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀.11.3 波形發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì).21.4 本文研究的主要內(nèi)容.21.5 論文內(nèi)容及安排 .3第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì).42.1 概

3、述 .42.2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案 .52.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案 .6第 3 章 波形發(fā)生器硬件設(shè)計(jì).83.1 波形產(chǎn)生電路的設(shè)計(jì).83.1.1 D/A 轉(zhuǎn)換器.83.1.2 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo).83.1.3 DAC0832 轉(zhuǎn)換器 .93.2 單片機(jī)的選擇 .103.2.1 單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì).103.2.2 復(fù)位電路.133.2.3 時(shí)鐘電路.143.3 鍵盤輸入電路設(shè)計(jì) .153.4 顯示電路的設(shè)計(jì) .163.5 顯示驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì) .173.6 運(yùn)算放大器的設(shè)計(jì) .18第 4 章 波形發(fā)生器軟件設(shè)計(jì).204.1 波形產(chǎn)生模塊的設(shè)計(jì).204.1.1 方波產(chǎn)生設(shè)計(jì).214.1.2

4、 三角波產(chǎn)生設(shè)計(jì).224.1.3 鋸齒波產(chǎn)生設(shè)計(jì).244.1.4 正弦波產(chǎn)生設(shè)計(jì).254.2 幅值及頻率的控制 .26第 5 章 系統(tǒng)抗干擾措施.275.1 形成干擾的基本要素.27沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）IV5.2 提高單片機(jī)系統(tǒng)抗干擾能力的主要手段.27第 6 章 系統(tǒng)調(diào)試故障及原因分析.296.1 硬件調(diào)試 .296.2 軟件調(diào)試 .306.3 波形發(fā)生器的系統(tǒng)聯(lián)調(diào).30結(jié) 論.31社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益分析.32致 謝.33參考文獻(xiàn).34附錄 單片機(jī)的波形發(fā)生器硬件電路原理圖.35附錄 基于單片機(jī)的波形發(fā)生器程序.37附錄 波形發(fā)生器元器件清單.52沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-0-

5、第第 1 章章 緒緒 論論1.1 課課題題背背景景波形發(fā)生器是一種廣泛應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域的信號(hào)源。比如電參量的測(cè)量、雷達(dá)、通信、電子對(duì)抗與電子系統(tǒng)、宇航和遙控遙測(cè)技術(shù)等等，從某種意義上說(shuō)高質(zhì)量信號(hào)源更是實(shí)現(xiàn)高性能指針的關(guān)鍵，很多現(xiàn)代電子設(shè)備和系統(tǒng)的功能都直接依賴于所用信號(hào)源的性能，因此高質(zhì)量信號(hào)源被人們喻為眾多電子系統(tǒng)的“心臟” 。隨著通信、雷達(dá)、的不斷發(fā)展，對(duì)信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出頻率的個(gè)數(shù)以及信號(hào)波形的形狀提出越來(lái)越多的要求。為了提高信號(hào)源輸出頻率穩(wěn)定度，可以采用晶體振蕩器等方法來(lái)解決。為了滿足頻率個(gè)數(shù)多的要求，可以采用頻率合成技術(shù)，即通過(guò)對(duì)頻率

6、進(jìn)行加、減、乘、除的運(yùn)算，可從一個(gè)高穩(wěn)定度和高準(zhǔn)確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率源，產(chǎn)生大量的具有同一穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的不同頻率。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器只能產(chǎn)生一些常規(guī)的信號(hào)如正弦波、方波、脈沖波、三角波等。隨著科學(xué)實(shí)驗(yàn)研究的需求的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的波形發(fā)生器在一些特定的場(chǎng)合已經(jīng)不能滿足要求，因?yàn)樵谠S多應(yīng)用研究領(lǐng)域中,不但需要一些規(guī)則的信號(hào),而且還需要一些不規(guī)則的信號(hào)用于系統(tǒng)特性的研究。如電鍍電源對(duì)于鍍層影響、電子設(shè)備的性能指針測(cè)試、及對(duì)系統(tǒng)中各種瞬變波形和電子設(shè)備中出現(xiàn)的各種干擾的模擬等研究中，就需要能提供一些非常規(guī)的測(cè)試信號(hào)以至于任意波形信號(hào)的信號(hào)源，即能產(chǎn)生現(xiàn)場(chǎng)所需要波形的任意波形發(fā)生器(Arbitrarry Wa

7、veformGenerator,AWG)。對(duì)任意波形發(fā)生器的研制開(kāi)發(fā)我國(guó)起步晚，技術(shù)大大落后于國(guó)外先進(jìn)技術(shù)。因此，開(kāi)發(fā)高性價(jià)比的任意波形發(fā)生器是迫在眉睫，對(duì)發(fā)展我國(guó)電子行業(yè)有著非常重大的意義，具有廣泛的應(yīng)用前景，與國(guó)外同類產(chǎn)品保持在性價(jià)比上的優(yōu)勢(shì)，可打破國(guó)外的技術(shù)壟斷和封鎖。1.2 波波形形發(fā)發(fā)生生器器的的發(fā)發(fā)展展現(xiàn)現(xiàn)狀狀任意波形發(fā)生器是在 1975 年開(kāi)發(fā)成功的，從此，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)品增加了一個(gè)新品種。在任意波形發(fā)生器作為測(cè)量用信號(hào)激勵(lì)源進(jìn)入市場(chǎng)之前，為了產(chǎn)生非正弦波信號(hào)，已使用函數(shù)發(fā)生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等幾種特殊波形。聲音沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-1-和振動(dòng)分析需要復(fù)雜

8、調(diào)制的信號(hào)源，以便仿真真實(shí)的信號(hào)，只有借助任意波形發(fā)生器，例如醫(yī)療儀器測(cè)試往往需要心電波形，任意波形發(fā)生器很容易產(chǎn)生各種非標(biāo)準(zhǔn)的振動(dòng)信號(hào)。 早期的任意波形發(fā)生器主要著重音頻頻段，現(xiàn)在的任意波形發(fā)生器已擴(kuò)展到射頻頻段，它與數(shù)字示波器（DSO）密切配合，只要數(shù)字示波器捕獲的信號(hào)，任意波形發(fā)生器就能復(fù)制出同樣的波形。在電路構(gòu)成上，數(shù)字示波器是模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換，任意波形發(fā)生器是數(shù)字/模擬的逆轉(zhuǎn)換，目前任意波形發(fā)生器的帶寬達(dá)到 2GHz，足夠仿真許多移動(dòng)通信、衛(wèi)星電視的復(fù)雜信號(hào)。任意波形發(fā)生器在原理上可仿真任意波形，只要數(shù)字示波器或其它記錄儀捕捉到的波形，任意波形發(fā)生器都可復(fù)制出，特別有用的是仿真單次偶發(fā)

9、的信號(hào)，例如地震波形、汽車碰撞波形等等。1.3 波波形形發(fā)發(fā)生生器器的的發(fā)發(fā)展展趨趨勢(shì)勢(shì)任意波形發(fā)生器的發(fā)展趨勢(shì)是更高取樣率，更高分辨率和更大存儲(chǔ)量，目前實(shí)時(shí)帶寬超過(guò) 1GHz 的產(chǎn)品比較少，而且分辨率只有 8 位，不能滿足快速發(fā)展的移動(dòng)通信和高速網(wǎng)絡(luò)的測(cè)量要求。與數(shù)字存儲(chǔ)示波器相比，任意波形發(fā)生器的全面指標(biāo)存在明顯差距，前者的取樣率達(dá)到 20GS/s 和帶寬 6GHz，后者的取樣率是 4.8GS/s和帶寬 2GHz。任意波形發(fā)生器首先要趕上數(shù)字存儲(chǔ)示波器，然后再往前發(fā)展，因?yàn)樵陔娐窐?gòu)成方面，任意波形發(fā)生器的核心部件是高速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，它的工藝潛力還很大，顯然缺少的是市場(chǎng)需求。1.4 本本文文

10、研研究究的的主主要要內(nèi)內(nèi)容容單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)各種控制策略和算法的載體。波形發(fā)生器采用單片機(jī)技術(shù)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)和硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波、方波、斜波等幅值可調(diào)的信號(hào)。信號(hào)頻率，可通過(guò)鍵盤輸入，并顯示。要求產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡(jiǎn)單方便，人機(jī)接口友好，成本低，適合于實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與實(shí)驗(yàn)使用。設(shè)計(jì)要求：（1）能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波等 4 種周期性波形。（2）用鍵盤輸入可生成正弦波的基波及各次諧波單獨(dú)的波形，也可生成基波和各次諧波線形組合的波形。（3）輸出波形的頻率可以通過(guò)鍵盤輸入進(jìn)行粗調(diào)。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-2-（4）輸出波形幅度范圍可通過(guò)可變電阻

11、任意調(diào)整。（5）具有顯示輸出波形類型、及其粗調(diào)頻率和幅度的功能。1.5 論論文文內(nèi)內(nèi)容容及及安安排排本文對(duì)基于單片機(jī)的波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，共分五章。第 1 章簡(jiǎn)要介紹了整個(gè)課題的研究背景、目的、意義及整個(gè)任務(wù)的要求安排；第 2 章是針對(duì)此次課題的任務(wù)進(jìn)行方案論證，尤其重要的點(diǎn)明了動(dòng)態(tài)部分相應(yīng)的處理方案，及其優(yōu)劣取舍，之后還包含了硬件方案和軟件方案分析；第 3 章具體介紹了的硬件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)的選擇，放大電路，積分電路，鍵盤，顯示電路的設(shè)計(jì)；第 4 章闡述了波形發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)，包括波形產(chǎn)生子程序，鍵盤處理子程序，顯示子程序的設(shè)計(jì)。第 5 章是針對(duì)硬件調(diào)試、軟件調(diào)試和整機(jī)聯(lián)調(diào)的結(jié)

12、果進(jìn)行了具體的分析和說(shuō)明。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-3-第第 2 章章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)2.1 概概述述波形發(fā)生器一般是指能自動(dòng)產(chǎn)生正弦波、三角波、方波及鋸齒波、階梯波等電壓波形的電路或儀器。根據(jù)用途不同，有產(chǎn)生三種或多種波形的函數(shù)發(fā)生器，使用的器件可以是分立器件(如低頻信號(hào)函數(shù)發(fā)生器 S101 全部采用晶體管)，也可以采用集成電路(如單片函數(shù)發(fā)生器模塊 8038)。為進(jìn)一步掌握電路的基本理論及實(shí)驗(yàn)調(diào)試技術(shù)，本課題采用由 51 單片機(jī)算與 DAC0832 共同組成的方波三角波正弦波函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方法。本文介紹的是利用 AT89C51 單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器件 DAC083

13、2 產(chǎn)生所需不同信號(hào)的低頻信號(hào)源，其信號(hào)幅度和頻率都是可以按要求控制的。文中簡(jiǎn)要介紹了DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)原理和使用方法，AT89C51 的基礎(chǔ)理論，以及與設(shè)計(jì)電路有關(guān)的各種芯片。根據(jù)對(duì)畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求，文中著重介紹了如何利用單片機(jī)控制D/A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生上述信號(hào)的硬件電路和軟件編程。信號(hào)頻率幅度也按要求可調(diào)。產(chǎn)生鋸齒波、正弦波、方波、三角波的方案有多種，如首先產(chǎn)生正弦波，然后通過(guò)整形電路將正弦波變換成方波，再由積分電路將方波變成三角波；也可以首先產(chǎn)生三角波方波，再將三角波變成正弦波或?qū)⒎讲ㄗ兂烧也ǖ鹊取１菊n題采用先產(chǎn)生方波三角波，再將三角波變換成正弦波的電路設(shè)計(jì)方法。由比較器和積分

14、器組成方波三角波產(chǎn)生電路，比較器輸出的方波經(jīng)積分器得到三角波，三角波到正弦波的變換電路主要由積分電路來(lái)完成。積分電路具有工作點(diǎn)穩(wěn)定，輸入阻抗高，抗干擾能力較強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。特別是當(dāng)采用直流放大器時(shí)，可以有效地抑制零點(diǎn)漂移，因此可將頻率很低的三角波變換成正弦波。波形變換的原理是利用差分放大器傳輸特性曲線的非線性。通過(guò)鍵盤可以進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)，對(duì)頻率能夠進(jìn)行增大和減小的設(shè)置。本設(shè)計(jì)以方波為核心積分出不同的波形，波形采用同步輸出的方式，用示波器有選擇的分別進(jìn)行顯示。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-4-2.2 系系統(tǒng)統(tǒng)硬硬件件設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)方方案案圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖 2.1 所示為系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖，主要

15、分為幾個(gè)部分：?jiǎn)纹瑱C(jī)、波形產(chǎn)生電路、鍵盤電路、LED 顯示電路、積分電路。1. 電壓放大電路DAC0832 的輸出電壓比較小。因此，要將該電壓信號(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)放大到所需范圍之內(nèi)。由于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)放大到所要求的范圍。2. 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路由于模擬量更容易通過(guò)儀器進(jìn)行觀察，所以通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換電路可以將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量。本設(shè)計(jì)采用 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，更精確的進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。3. 單片機(jī)單片機(jī)作為一個(gè)接收、處理、輸出信號(hào)的儀器裝置，將單片機(jī)與 LED 顯示連接成一個(gè)有機(jī)的整體。其主要是完成數(shù)據(jù)處理，并通過(guò)與之有關(guān)的軟件來(lái)實(shí)

16、現(xiàn)軟件的編程使顯示值與稱重值對(duì)應(yīng)。因此，此部分是整個(gè)設(shè)計(jì)最重要的組成部分。4. LED 顯示電路根據(jù)本次設(shè)計(jì)的要求，需要使波形的頻率通過(guò) LED 進(jìn)行顯示。如果波形頻率在設(shè)定范圍內(nèi)，則通過(guò) 4 位 LED 來(lái)進(jìn)行顯示。5. 復(fù)位電路89C51 的復(fù)位輸入引腳 RST（即 RESET）為 89C51 提供了初始化的手段。有了它可以使程序從指定處開(kāi)始執(zhí)行，即從程序存儲(chǔ)器中的 0000H 地址單元開(kāi)始執(zhí)行程序。在 89C51 工作后，只要在 RST 引腳上出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)，單片單片機(jī)74HC595LEDDAC0832LM741復(fù)位電路鍵盤積分電路沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-5-機(jī)

17、內(nèi)部則初始復(fù)位。只要 RST 保持高電平，則 89C51 循環(huán)復(fù)位。只有當(dāng) RST 由高電平變成低電平以后，89C51 才從 0000H 地址開(kāi)始執(zhí)行程序。2.3 系系統(tǒng)統(tǒng)軟軟件件設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)方方案案如果硬件是整個(gè)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，那軟件就是整個(gè)設(shè)計(jì)的靈魂所在，它可以使儀器的主要功能得以實(shí)現(xiàn)。而在軟件設(shè)計(jì)方法中，結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)是使用最廣泛的，用模塊化設(shè)計(jì)的思想進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。根據(jù)這一原則和畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書的要求，本課題的軟件主要包括：波形產(chǎn)生子程序，鍵盤處理子程序，LED 顯示子程序幾大部分。各程序以模塊形式，獨(dú)立成章，運(yùn)行過(guò)程中可以調(diào)用執(zhí)行，整個(gè)波形發(fā)生器的軟件流程圖如圖 2.3 所示。 開(kāi)始初始化波形產(chǎn)生子

18、程序鍵盤處理子程序LED 顯示子程序結(jié)束圖 2.2 軟件原理流程框圖1.鍵盤處理子程序鍵盤處理子程序主要是采用中斷系統(tǒng)的方式進(jìn)行按鍵的掃描，判斷按鍵是否按下。通過(guò)延時(shí)子程序?qū)Π存I的抖動(dòng)進(jìn)行消除。2.波形產(chǎn)生子程序主要是通過(guò)調(diào)用單片機(jī)內(nèi)的方波子程序，同時(shí)通過(guò)程序?qū)?DAC0832 芯片的地址進(jìn)行設(shè)定，從而進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換產(chǎn)生波形。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-6-3. LED 顯示子程序顯示子程序的任務(wù)是將測(cè)量結(jié)果送顯示器顯示，通過(guò)對(duì) LED 顯示子程序的編譯、鏈接、調(diào)試等操作實(shí)現(xiàn)對(duì)所測(cè)得的物體質(zhì)量進(jìn)行顯示，它是人機(jī)對(duì)話的組成部分之一。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-7-第第 3 章章 波形發(fā)

19、生器硬件設(shè)計(jì)波形發(fā)生器硬件設(shè)計(jì)3.1 波波形形產(chǎn)產(chǎn)生生電電路路的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)本設(shè)計(jì)主要是通過(guò) AT89C51 和 DAC0832 組成的 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出方波，經(jīng)積分電路后產(chǎn)生波形。并通過(guò)鍵盤進(jìn)行頻率的調(diào)節(jié)，用 4 位 LED 進(jìn)行頻率的顯示。3.1.1 D/AD/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器D/A 轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，經(jīng)轉(zhuǎn)換器輸出的是模擬量。轉(zhuǎn)換過(guò)程是先將 MCS-51 送到 D/A 轉(zhuǎn)換器的各位二進(jìn)制數(shù)，按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的模擬分量，然后再以疊法把各模擬分量相加，其和就是 D/A 轉(zhuǎn)換的結(jié)果。D/A 轉(zhuǎn)換器有兩種輸出形式，一種是電壓輸出形式，即給 D/A 轉(zhuǎn)換器輸入的是數(shù)字量，而輸出為電壓。另一

20、種是電流輸出形式，即輸出為電流。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于電流輸出的 D/A 轉(zhuǎn)換器，如需要模擬電壓輸出，可在其輸出端加一個(gè)由運(yùn)算放大器構(gòu)成的 I-V 轉(zhuǎn)換電路，將電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出。由于 D/A 轉(zhuǎn)換時(shí)需要一定時(shí)間的，在這段時(shí)間內(nèi) D/A 轉(zhuǎn)換器輸入端的數(shù)字量應(yīng)保持穩(wěn)定，為此應(yīng)當(dāng)在 D/A 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字輸入端前面設(shè)置鎖存器，以提供數(shù)據(jù)鎖存功能。根據(jù)轉(zhuǎn)換器芯片內(nèi)是否帶有鎖存器，可以把 DAC 分為內(nèi)部無(wú)鎖存器的和內(nèi)部有鎖存器的兩類。3.1.2 D/A 轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)1.分辨率當(dāng)輸入的數(shù)字信號(hào)發(fā)生單位數(shù)碼變化，即最低位產(chǎn)生一次變化，所對(duì)應(yīng)的輸出模擬量的變化量即為分辨率。在實(shí)

21、際應(yīng)用中，更常用的方法是用輸入的數(shù)字量的位數(shù)來(lái)表示分辨率。如 8 位二進(jìn)制的 D/A 轉(zhuǎn)換器，常簡(jiǎn)稱為分辨率為 8 位。2.精度如果不考慮 D/A 的轉(zhuǎn)換誤差，D/A 轉(zhuǎn)換的精度為其分辨率的大小。因此，要獲得一定的精度的 D/A 轉(zhuǎn)換結(jié)果，首要的條件是選擇有足夠分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換器。當(dāng)然 D/A 轉(zhuǎn)換的精度不僅與 D/A 轉(zhuǎn)換器的本身有關(guān)，也于外電路以及電源有關(guān)。影響轉(zhuǎn)換精度的主要誤差因素有失調(diào)誤差、增益誤差、非線性誤差和微分非線性誤差等。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-8-3.建立時(shí)間建立時(shí)間是描述 D/A 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換快慢的一個(gè)參數(shù)，用于表明轉(zhuǎn)換速度，其值為從輸入數(shù)字量到輸出達(dá)到終值誤

22、差（1/2）LSB（最低有效位）時(shí)所需的時(shí)間。輸出形式為電流的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，而輸出形式為電壓的轉(zhuǎn)換器，由于要加上 IV 轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器的延遲時(shí)間，因此建立時(shí)間要長(zhǎng)一些?？焖俚?D/A 轉(zhuǎn)換器的建立時(shí)間可達(dá) 1 秒以下。3.1.3 DAC0832 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換器DAC0832 由 8 位輸入寄存器、8 位 DAC 寄存器、8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器及邏輯控制單元等功能部件所組成。其中，8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器是核心部件，它的內(nèi)部采用了 256級(jí)的倒 R2R 電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)，由電流開(kāi)關(guān)電路控制基準(zhǔn)電壓 VREF，提供電阻網(wǎng)絡(luò)的電流來(lái)進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換速度較快。兩級(jí)寄存器可以進(jìn)一步提高 D/A 轉(zhuǎn)

23、換器的速度，這是因?yàn)樵?8 位 DAC 寄存器輸出的同時(shí)，8 位輸入寄存器可以接收新的數(shù)據(jù)。DAC0832 采用 R-2RT 型電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)，由二級(jí)緩沖寄存器（實(shí)為鎖存器）和D/A 轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路組成。圖 3.1 為 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)。1 腳為輸入寄存器選擇信號(hào)，低電平有效。2 腳為輸入寄存器寫選通信號(hào)，低電平有效。17 腳為數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)，低電平有效。18 腳為 DAC 寄存器的寫選通信號(hào)，低電平有效。19 腳為輸入鎖存允許信號(hào)，高電平有效。DI0DI7 為 8 位數(shù)字輸入端，DI0 為最低端，DI7 為最高端。11 腳為 DAC電流輸出端 1，為數(shù)字輸入端邏輯電平為 1

24、的各位輸出電流之和，DAC 寄存器內(nèi)容隨輸入端代碼線性變化，DAC 寄存器的內(nèi)容為全 1 時(shí) Iout1 最大，全為 0 時(shí) Iout1 最小。12 腳為電流輸出端 2，Iout2 等于常數(shù)減去 Iout1，即 Iout1+Iout2=常數(shù)。此常數(shù)對(duì)應(yīng)于一固定基準(zhǔn)電壓的滿量程電流。8 腳為基準(zhǔn)電源輸入端。Vref 一般在-1010V 范圍內(nèi)，由外電路提供。20 腳為邏輯電源輸入端，取值范圍為+5+15V，+15V 最佳。3 腳為模擬地，為芯片模擬電路接地點(diǎn)。10 腳為數(shù)字地，為芯片數(shù)字電路接地點(diǎn)。Rfb 為回饋電阻，制作在芯片內(nèi)部，用作 DAC 提供輸出電壓的運(yùn)放的回饋電阻。在使用時(shí)，如環(huán)境電

25、磁干擾不嚴(yán)重的情況下模擬地可與數(shù)字地相連。否則應(yīng)分別走線，在保護(hù)地點(diǎn)匯合，一點(diǎn)接地。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-9- 圖 3.1 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)（1）數(shù)字輸入端具有雙重緩沖功能，可以雙緩沖、單緩沖或直通數(shù)字輸入。（2）與所有通用微處理器可直接接口。（3）滿足 TTL 電平規(guī)范的邏輯輸入。（4）分辨率為 8 位，滿刻度誤差1LSB，建立時(shí)間為 1s，功耗 20mW。（5）電壓輸出型 D/A 轉(zhuǎn)換器。3.2 單單片片機(jī)機(jī)的的選選擇擇現(xiàn)在市場(chǎng)上的單片機(jī)種類繁多，功能各異。我們通過(guò)比較和分析，采用 51 系列單片機(jī)中的 AT89C51 單片機(jī)，該單片機(jī)功能強(qiáng)大，滿足設(shè)計(jì)者的需求。3.2

26、.1 單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)及其外圍電路的設(shè)計(jì)追溯單片機(jī)的歷史，8 位單片機(jī)是 80 年代以來(lái)工業(yè)檢測(cè)、控制應(yīng)用的主角。市場(chǎng)上常用的 8 位單片機(jī)有 Intel 公司的 MCS-51 系列，日本松下公司的 MN6800 系列等。其中，MCS-51 由于單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)具有體積小，可靠性高，功能強(qiáng)，價(jià)格低等特點(diǎn)，很容易形成產(chǎn)品而更受青睞。然而作為本系統(tǒng)的核心組件，選擇哪一型號(hào)的 MCS-51 系列單片機(jī)是關(guān)鍵的問(wèn)題。8031 單片機(jī)片內(nèi)不帶程序內(nèi)存 ROM，使用時(shí)需外接程序內(nèi)存和一片邏輯電路74LS373，外接的程序內(nèi)存多為 EPROM 的 2764 系列。用戶若想對(duì)寫入到 EPROM 中

27、的程序進(jìn)行修改，必須先用一種特殊的紫外線燈將其照射擦除，之后再可寫入。寫沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-10-入到外接程序內(nèi)存的程序代碼沒(méi)什么保密性可言。8051 單片機(jī)片內(nèi)有 4KROM，無(wú)須外接內(nèi)存和 74LS373，更能體現(xiàn)“單片”的簡(jiǎn)練。但是編的程序無(wú)法燒寫到其 ROM 中，只有將程序交芯片廠代為改寫，并是一次性的，今后都不能改寫其內(nèi)容。8751 單片機(jī)與 8051 單片機(jī)基本一樣，但 8751 單片機(jī)片內(nèi)有 4K 的 EPROM，用戶可以將自己編寫的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)的 EPROM 中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用，EPROM的改寫同樣需要用紫外線照射一定時(shí)間擦除后再捎寫。89C51 單片機(jī)為 E

28、PROM 型，在實(shí)際電路中可以直接互換 8051 單片機(jī)或 8751單片機(jī)，不但和 8051 單片機(jī)指令，管腳完全兼容，而且其片內(nèi)的 4K 程序內(nèi)存是FLASH 工藝的。 89C51 是由北京集成電路中心（BIDC）設(shè)計(jì)，由美國(guó)公司生產(chǎn)八位單片機(jī) 。它是一種低功耗高性能的具有 8K 字節(jié)可電氣燒錄及可擦除的程序 ROM 的八位CMOS 單片機(jī)。該器件是用高密度、非易丟失存儲(chǔ)技術(shù)制造并且與國(guó)際工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)80C51 單片機(jī)指令系統(tǒng)和引腳完全兼容。綜上所述，從使用方便與簡(jiǎn)化電路以及其性價(jià)比等角度來(lái)考慮，89C51 比較合適的。本系統(tǒng)采用 CPU 為 89C51 的單片微機(jī)，89C51 本身帶有 4K

29、的內(nèi)存儲(chǔ)器，其管腳如圖 3.2 所示。下面介紹 89C51 的主要管腳功能如下：VCC（40）：電源+5V；VSS（20）：接地；XTAL1（19）和 XTAL2（18）：外接石英晶體振蕩器；P0 口（32-39）：雙向 I/O 口，既可作低 8 位地址和 8 位數(shù)據(jù)總線使用，也可作普通 I/O 口；P1 口（1-8）：準(zhǔn)雙向通用 I/O 口；P2 口（21-28）：既可作高 8 位地址總線，也可作普通 I/O 口；P3 口（10-17）：多用途埠，既可作普通 I/O 口，也可按每位定義的第二功能操作；RST（9）：復(fù)位信號(hào)輸入端；ALE/PROG：地址鎖存信號(hào)輸出端；PSEN：內(nèi)部和外部程序

30、內(nèi)存選擇線。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-11-圖 3.2 89C51 管腳圖CPU 可包括運(yùn)算部件，控制器，程序狀態(tài)字，B 寄存器，累加器 Acc（或 A） ，位處理器等。運(yùn)算部件由算術(shù)邏輯單元、累加器、暫存寄存器、標(biāo)志寄存器、十進(jìn)制調(diào)整單元組成。它的功能是進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算。它不但對(duì) 8 位變量進(jìn)行邏輯：“與” 、“或” 、 “異或” 、循環(huán)、取補(bǔ)、清零等基本操作，還可以進(jìn)行算術(shù)的加、減、乘、除操作。功能很強(qiáng)的位操作是一般微型計(jì)算機(jī)標(biāo)準(zhǔn) ALU 所不具備的，它可以對(duì)位變量進(jìn)行置位、清零、求補(bǔ)、測(cè)試轉(zhuǎn)移及邏輯“與” ， “或”等操作。對(duì)半字節(jié)（4 位）和雙字節(jié)（16 位）類型數(shù)據(jù)也可進(jìn)行

31、操作。Acc 為累加寄存器。但是，對(duì)累加器操作指令中累加器的助記簡(jiǎn)寫為 A。MCS-51 指令系統(tǒng)中大部分單操作指令的操作數(shù)取自累加器 A，雙操作數(shù)指令的一個(gè)操作數(shù)取自累加器 A。B 寄存器用于除法和乘法操作。除法指令中，被除數(shù)取自 A，除數(shù)取自 B，商數(shù)存放在 A 中而余數(shù)存放在 B 中。乘法指令的兩個(gè)操作數(shù)分別取 A 和 B，其積則存放在 AB 寄存器對(duì)中。對(duì)于其它指令，B 寄存器作為緩存器使用。程序存貯器用于存放編好的程序表格和常數(shù)。程序狀態(tài)字寄存器 PSW 是一個(gè) 8位的寄存器，它包含了程序狀態(tài)信息。PSW 用于指示指令寄存狀態(tài)供程序查詢和判別之用。其中被定義的有七位，定義格式如表 3

32、.1 所示：表 3.1 PSW 的格式沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-12-CyAcF0RS1RS0OVF1PPSW 寄存器具有位元元組地址和位地址，即每一個(gè)標(biāo)志位都有一個(gè)地址，可方便地對(duì)其中某一位進(jìn)行操作。AT89C51 是一種低功耗，高性能的片內(nèi)含有 4KB 快閃可編程/擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的 8 位 COMS 微控制器，使用高密度，非易失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與 80C51 引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的 FPEROM 允許在線編程或采用通用的非易失存儲(chǔ)編程器對(duì)內(nèi)存重復(fù)編程。 將具有

33、多種功能的 8 位 CPU 與 FPEROM 結(jié)合在一個(gè)芯片上，為很多嵌入式控制應(yīng)用提供了非常靈活而又便宜的方案，其性能價(jià)格比遠(yuǎn)高于 8751。由于片內(nèi)帶EPROM 的 87C51 價(jià)格偏高，而片內(nèi)帶 FPEROM 的 89C51 價(jià)格低且與 INTEL80C51兼容，這就顯示出了 89C51 的優(yōu)越性。 AT89C51 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器的單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失內(nèi)存制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS-51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍內(nèi)存組合在單個(gè)芯片中，ATM

34、EL的 AT89C51 是一種高效微控制器，AT89C51 是它的一種精簡(jiǎn)版本。AT89C51 機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3.3 所示。圖 3.3. MCS-51 單片機(jī)內(nèi)部機(jī)構(gòu)框圖3.2.2 復(fù)位電路復(fù)位電路復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，只要給 RESET 引腳加上 2 個(gè)機(jī)器周期以上的高電平信號(hào)，就可以使 MCS-51 單片機(jī)復(fù)位。復(fù)位的主要功能是把 PC 初始化為 0000H使 MCS-51 單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化以外，沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-13-當(dāng)由程序運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)，為

35、擺脫死鎖狀態(tài)，也需按復(fù)位鍵重新啟動(dòng)。此外，復(fù)位操作對(duì)寄存器也有影響。MCS-51 片內(nèi)復(fù)位結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖 3.4。復(fù)位引腳 RST 通過(guò)一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來(lái)抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2，斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位電路采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種，本次設(shè)計(jì)采用按鈕電平復(fù)位方式。其電路如圖3.5 所示。復(fù)位后，P0 到 P3 并行 I/O 口全為高電平，其它寄存器全部清零，只有 SBUF寄存器狀態(tài)不確定。 3.2.3 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路MCS-51 單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為了保證同步工作方式的實(shí)

36、現(xiàn)，MCS-51 單片機(jī)應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格的按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行中各個(gè)信號(hào)的關(guān)系。時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍地工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。常用的時(shí)鐘電路有兩種方式，一種是內(nèi)部時(shí)鐘方式，另一種是外部時(shí)鐘方式。其電路如圖 3.6 和 3.7 所示。MCS-51 單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)用于構(gòu)成振蕩器的高增益反相放大器，該高增益反相放大器的輸入端為芯片引腳 XTAL1，輸出端為芯片引腳 XTAL2。這兩個(gè)引腳跨接石英晶體振蕩器和微調(diào)電容，就構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自

37、激振蕩器。外部時(shí)鐘電路是使用外部振蕩脈沖信號(hào)，常用于 MCS-51 單片機(jī)同時(shí)工作，以便于同步。當(dāng)使用內(nèi)振蕩圖 3.4 MCS-51 的片內(nèi)復(fù)位結(jié)構(gòu)RST 片內(nèi)復(fù)位電阻斯密特觸發(fā)器復(fù)位電路+5VCRST MCS-51單片機(jī)1k+5V200圖 3.5 按鍵電平復(fù)位電路沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-14-器時(shí)，XTAL1 和 XTAL2 引腳還能為應(yīng)用系統(tǒng)中的其它芯片提供時(shí)鐘，但需要加驅(qū)動(dòng)能力，因此本次設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘電路。3.3 鍵鍵盤盤輸輸入入電電路路設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)鍵盤在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中能實(shí)現(xiàn)向單片機(jī)輸入數(shù)據(jù)、傳送命令等功能，是人工干預(yù)單片機(jī)的主要手段。在鍵閉合測(cè)試，檢查是否有鍵閉合去抖動(dòng)。當(dāng)測(cè)

38、試到有鍵閉合后，需進(jìn)行去抖動(dòng)處理。由于按鍵閉合時(shí)的機(jī)械彈性作用，按鍵閉合時(shí)不會(huì)馬上穩(wěn)定接通，按鍵斷開(kāi)時(shí)也不會(huì)馬上斷開(kāi)，由此在按鍵閉合與斷開(kāi)的瞬間，會(huì)出現(xiàn)電壓抖動(dòng)。鍵盤抖動(dòng)的時(shí)間一般為 510ms，抖動(dòng)現(xiàn)象會(huì)引起 CPU 對(duì)一次鍵操作進(jìn)行多次處理，從而可能產(chǎn)生錯(cuò)誤，因而必須設(shè)法消除抖動(dòng)的不良后果。通過(guò)去抖動(dòng)處理，可以得到按鍵閉合與斷開(kāi)的穩(wěn)定狀態(tài)。去抖動(dòng)的方法有硬件與軟件兩種：硬件方法是加去抖動(dòng)電路，如可通過(guò) RS 觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)硬件去抖動(dòng)；軟件方法是在第一次檢測(cè)到鍵盤按下后，執(zhí)行一段 10ms 的延遲子程序后再確認(rèn)該鍵是否確實(shí)按下，躲過(guò)抖動(dòng)，待信號(hào)穩(wěn)定之后，再進(jìn)行鍵掃描。通常多采用軟件方法。按照鍵盤

39、與單片機(jī)的連接方式可分為獨(dú)立式鍵盤與矩陣式鍵盤。獨(dú)立式鍵盤相互獨(dú)立，每個(gè)按鍵占用一根 I/O 口線，每根 I/O 口在線的按鍵工作狀態(tài)不會(huì)影響其它按鍵的工作狀態(tài)。這種按鍵軟件程序簡(jiǎn)單，但占用 I/O 口線較多（一根口線只能接一個(gè)鍵） ，適用于鍵盤應(yīng)用數(shù)量較少的系統(tǒng)中，由于本系統(tǒng)設(shè)置的按鍵較少，因此采用的是獨(dú)立式鍵盤。其鍵盤接口如圖 3.8 所示。圖 3.7 MCS-51 外部時(shí)鐘方式的電路VssXTAL1XTAL2外部時(shí)鐘信號(hào)TTLVccMCS-51單片機(jī)圖 3.6 MCS-51 內(nèi)部時(shí)鐘方式的電路XTAL2XTAL1至內(nèi)部時(shí)鐘電路晶振12MHZMCS-51 單片機(jī)30PF30PF沈陽(yáng)航空工業(yè)

40、學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-15-K1K2K3單片機(jī)P2.0P2.1P2.2圖 3.8 鍵盤接口電路3.4 顯顯示示電電路路的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)LED 即發(fā)光二極管，它是由某些特殊的半導(dǎo)體材料制作成的 PN 結(jié)，由于參雜濃度很高，當(dāng)流成正比，故電路須串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?。LED 很適于脈沖工作狀態(tài)，在平均電流相同的情況下，脈沖工作比直流工作狀態(tài)產(chǎn)生的亮度增強(qiáng) 20%左右。LED 顯示器有單個(gè)、七段和點(diǎn)陣式等幾種類型，本次設(shè)計(jì)采用七段式 LED 數(shù)碼管。圖 3.9 為 LED 數(shù)碼管的結(jié)構(gòu)圖。圖 3.9 LED 數(shù)碼管結(jié)構(gòu)圖LED 顯示器的發(fā)光管分別為 a、b、c、d、e、f、g、dp,通過(guò)八個(gè)發(fā)光段的不同組合

41、?？刂撇煌M合的二極管導(dǎo)通，就能顯示出各種字符。LED 顯示器有共陽(yáng)極和共陰極兩種。本次設(shè)中采用共陰極，共陰極 LED 顯示器的發(fā)光二極管的陰極連接在沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-16-一起，通常此公共陰極接地，當(dāng)某個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極接正電壓時(shí)，發(fā)光二極管被點(diǎn)亮，相應(yīng)的段被顯示。正向偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電子空穴，把多余的能釋放變?yōu)楣饽?。LED 顯示器具有工作電壓低、體積小、壽命長(zhǎng)（約十萬(wàn)小時(shí)） 、響應(yīng)速度快（小于 1S） ，顏色豐富等特點(diǎn)，是智能儀器最常用的顯示器。LED 的正向工作壓降一般在 1.2V-2.6V，發(fā)光工作電流在 5mA -20mA,發(fā)光強(qiáng)度基本上與正向電流成正比，故電路須

42、串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮?。共?yáng)極結(jié)構(gòu)如圖 3.10 所示：圖 3.10 共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)圖靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示各有利弊。靜態(tài)顯示雖然數(shù)據(jù)顯示穩(wěn)定，占用很少的 CPU時(shí)間，但每個(gè)顯示單元都需要單獨(dú)的顯示驅(qū)動(dòng)電路，使用的電路硬件較多，如果顯示的位數(shù)比較多，硬件的開(kāi)銷、電源的功耗等問(wèn)題將變得更加突出；動(dòng)態(tài)顯示需要分時(shí)顯示，需要 CPU 時(shí)刻對(duì)顯示器件進(jìn)行數(shù)據(jù)刷新，顯示數(shù)據(jù)有閃爍感。占用的CPU 時(shí)間較多，但使用的硬件少，可以大幅度地降低硬件成本和電源的功耗，還可以節(jié)省線路板空間。但考慮到開(kāi)銷的問(wèn)題，我們選擇靜態(tài)顯示。3.5 顯顯示示驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)本設(shè)計(jì)采用74HC595芯片作為顯示部分的驅(qū)動(dòng)，其結(jié)構(gòu)如圖3.

43、11所示。該芯片為16引腳，芯片內(nèi)部由數(shù)據(jù)移位元觸發(fā)器和j態(tài)輸出鎖存器組成，其中：SER為串行輸入數(shù)據(jù)，SRCUK為移位元時(shí)鐘脈沖，RCLK為鎖存時(shí)鐘脈沖，SRCLR為復(fù)位清零信號(hào)(低電平有效)，QAQH為數(shù)據(jù)輸出，Q1為向下一芯片(位)的串行數(shù)據(jù)輸出，0E為數(shù)據(jù)輸出控制信號(hào)(低電平有效)，74HC595芯片輸出電流最大值為35mA，可以直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，其移位元及鎖存信號(hào)頻率高，最大值為25MHz，這2個(gè)脈沖信號(hào)都沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-17-采用上升沿觸發(fā)。為解決串傳輸中列數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示之間的矛盾我們采用了74HC595 作為列驅(qū)動(dòng)，因?yàn)?4HC595具有一個(gè)8bit的串入并

44、出的移位寄存器和一個(gè)8bit輸出鎖存器的結(jié)構(gòu)而且為寄存器和輸出鎖存器的控制各自獨(dú)立這使得行數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和列數(shù)據(jù)顯示可以同時(shí)進(jìn)行。74HC595的外形如圖3.11所示圖 3.11 74HC595 芯片引腳接內(nèi)部結(jié)構(gòu)3.6 運(yùn)運(yùn)算算放放大大器器的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)集成運(yùn)算放大器是一種高放大倍數(shù)、高輸入阻抗、低輸出阻抗的直接耦合多級(jí)放大電路，具有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端，可對(duì)直流信號(hào)和交流信號(hào)進(jìn)行放大。外接負(fù)反饋電路后，輸出電壓與輸入電壓的運(yùn)算關(guān)系僅取決于外接反饋網(wǎng)絡(luò)與輸U(kuò)oVi入的外接阻抗，而與運(yùn)算放大器本身無(wú)關(guān)。本設(shè)計(jì)采用的是 LM741 運(yùn)算放大器。圖3.12 為 741 運(yùn)算放大器的引腳圖。 圖 3.12

45、 LM741 引腳圖LM741 放大器引腳功能說(shuō)明：1、5 為調(diào)零端 87651234LM741LM7411234567沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-18-2 為反相輸入端 3 為同相輸入端7 為電源電壓正端4 為電源電壓負(fù)端6 為輸出端LM741 放大器是透過(guò)外部的電阻搭配來(lái)調(diào)整放大的增益比，然而外部電阻值并非只要增益比相同即可任意給定。如果電阻太小，放大器與電源的負(fù)載變太大，這時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生非線性操作，甚至出現(xiàn)更奇怪的狀況；反之，若使用過(guò)大的電阻，電阻的熱噪聲增加，這時(shí)偏壓電流造成的直流補(bǔ)償也會(huì)影響輸出。一般而言，741 放大器外部電阻值合理使用范圍在 1100之間，大部分的應(yīng)用則是在1

46、0100，本測(cè)試項(xiàng)目主要就是要了解相同增益的情形下，各種不同的電阻搭配組合對(duì)訊號(hào)放大有不同影響，希望能找出最佳的電阻使用范圍，以提供實(shí)際應(yīng)用時(shí)。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-19-第第 4 章章 波形發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)波形發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)4.1 波波形形產(chǎn)產(chǎn)生生模模塊塊的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)本設(shè)計(jì)用定時(shí)器中斷產(chǎn)生方波，方波通過(guò)一級(jí)積分電路可以變成三角波，再積分可以成正弦波。這樣比直接用 DA 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生波形，可以達(dá)到更高的頻率，而且程序更簡(jiǎn)單。積分運(yùn)算在自控系統(tǒng)中，常用積分電路和微分電路作為調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)；此外，它們廣泛應(yīng)用于波形的產(chǎn)生和變換以及儀器儀表之中。其電路圖如圖 4.1 所示。-+RRCNuIu0uI

47、uciRi圖 4.1 積分電路以集成運(yùn)放作為放大電路，利用電阻和電容作為回饋網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)這兩種運(yùn)算電路。如圖所示的積分運(yùn)算電路中，由于集成運(yùn)放的同相輸入端通過(guò) 接地，根據(jù) “虛短”的原則 ， “虛地” 。根據(jù)“虛斷”的原則可得，流過(guò)電容 C的電流等于流過(guò)電阻 R 的電流 (4.1)RuRuuiiINIRc輸出電壓與電容上電壓的關(guān)系為 (4.2)cuu0而電容上電壓等于其電流的積分，故 (4.3)dtuRCdtiCuIC110在求解 t1到 t2時(shí)間段的積分值時(shí) 沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-20- (4.4) )(110021tudtuRCuttI式中 為積分起始時(shí)刻的輸出電壓，即積分運(yùn)

48、算的起始值，積分的終值是)(10tut2時(shí)刻的輸出電壓。當(dāng)為常量時(shí)，Iu )()(110120tuttuRCuI(4.5)圖 4.2 為波形產(chǎn)生的系統(tǒng)軟件流程圖。圖 4.2 系統(tǒng)軟件流程圖4.1.1 方波產(chǎn)生方波產(chǎn)生設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)方波的周期用定時(shí)器 T0 來(lái)確定，即在 T0 中設(shè)置一個(gè)初值，在初值的基礎(chǔ)上進(jìn)行計(jì)數(shù)，每隔 1計(jì)數(shù)溢出 1 次，即 TO 每隔 1產(chǎn)生一次中斷，CPU 相應(yīng)中斷后，msms在中斷服務(wù)程序中，CPU 相應(yīng)中斷后，在中斷服務(wù)程序中對(duì) P2.0 取反。T0 中斷入口地址為 000BH。為此，要做如下幾步工作。開(kāi) 始初始化輸出方波波形積分產(chǎn)生各種所需波形顯示波形YNK1、K2 鍵是

49、否按下結(jié)束沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-21-機(jī)器周期=2=2，要裝入 T0 的初值為 X，則有ss610（） X16236101102500216 X65036X化為 16 進(jìn)制，即=FE0CH=1111111000001100BXX所以，T0 的初值為 TH0=0FEH，TL0=0CH（2）初始化程序設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用定時(shí)器中斷方式工作。初始化程序包括定時(shí)器初始化和中斷系統(tǒng)初始化，主要是對(duì)寄存器 IP、IE、TCON、TMOD 的相應(yīng)位進(jìn)行正確的設(shè)置，并將計(jì)數(shù)初值送入定時(shí)器中。（3）程序設(shè)計(jì)中斷服務(wù)程序除了完成要求的產(chǎn)生方波這一工作之外，還要注意將計(jì)數(shù)初值重新裝入定時(shí)器中，為下一次產(chǎn)生中斷

50、做準(zhǔn)備。主程序可以完成任何其他工作，一般情況下常常是鍵盤程序和顯示程序。圖 4.3 為在 P2.0 引腳上輸出方波。通過(guò)改變定時(shí)初值，可以改變方波的周期，從而改變方波的周期。圖 4.3 在 P2.0 引腳上輸出方波4.1.2 三角波產(chǎn)生三角波產(chǎn)生設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)在方波發(fā)生電路中，當(dāng)滯回比較器的閾值電壓數(shù)值較小時(shí)，可將電容兩端的電壓看成為近似三角波。但是，一方面這個(gè)三角波的線性度較差，另一方面帶負(fù)載后將使電路的性能產(chǎn)生變化。實(shí)際上，只要將方波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在積分運(yùn)算電路的輸出就得到三角波電壓，如圖 4.4 所示。P2.01ms1msT=2ms沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-22-tt1o

51、uou00圖 4.4 三角波產(chǎn)生流程圖當(dāng)方波發(fā)生電路的輸出電壓時(shí)，積分運(yùn)算電路的輸出電壓將線性下降；而當(dāng)Uo時(shí)，將線性上升；波形如 4.5 圖所示。Uo圖 4.5 經(jīng)積分產(chǎn)生的三角波積分成三角波開(kāi) 始初始化輸出方波YNK1、K2 鍵是否按下顯示波形結(jié)束沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-23-tt01ouou04.1.3 鋸齒波產(chǎn)生鋸齒波產(chǎn)生設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)只要將輸出的三角波再次積分，在積分運(yùn)算電路的輸出就得到鋸齒波電壓。如圖 4.6 所示，為鋸齒波產(chǎn)生流程圖。圖 4.6 鋸齒波產(chǎn)生流程圖如圖 4.7 所示，三角波經(jīng)積分后產(chǎn)生鋸齒波。圖 4.7 經(jīng)積分產(chǎn)生的鋸齒波積分成鋸齒波開(kāi) 始初始化輸出方波積分成三

52、角波YNK1、K2 鍵是否按下顯示波形結(jié)束沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-24-4.1.4 正弦波產(chǎn)生正弦波產(chǎn)生設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)同理，只要將鋸齒波電壓作為積分運(yùn)算電路的輸入，在積分運(yùn)算電路的輸出就得到正弦波電壓，如圖 4.8 所示。圖 4.8 正弦波產(chǎn)生流程圖N積分成正弦波開(kāi) 始Y初始化積分成三角波積分成鋸齒波輸出方波K1、K2 鍵是否按下顯示波形N結(jié)束沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-25-K1K2K3單片機(jī)P2.0P2.1P2.2DAC08323296tt0ou 1ou0如圖 4.9 所示，鋸齒波經(jīng)積分后產(chǎn)生正弦波。圖 4.9 經(jīng)積分產(chǎn)生的正弦波4.2 幅幅值值及及頻頻率率的的控控制制波形的幅值

53、通過(guò)改變電阻的阻值來(lái)改變幅值，本設(shè)計(jì)采用 3296 電位器做可變電阻，即把中間的管腳和任何一端的管腳短路連接就可以接成兩個(gè)管腳的可變電阻。從而通過(guò)改變 3296 的阻值進(jìn)行幅值的調(diào)節(jié)。通過(guò)按鍵對(duì)頻率進(jìn)行控制，系統(tǒng)通過(guò)中斷程序判斷是否有鍵被按下。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn) K1 鍵被按下時(shí)，方波的頻率增加 1HZ，積分后的波形隨之增加；當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn) K2鍵被按下時(shí)，方波的頻率降低 1HZ，積分后的波形隨之減小。如果連續(xù)的按鍵，則波形的頻率發(fā)生連續(xù)的變化。如圖 4.10 所示。圖 4.10 頻率及幅值調(diào)節(jié)電路圖沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-26-第第 5 章章 系統(tǒng)抗干擾措施系統(tǒng)抗干擾措施5.1 形形成成干干擾

54、擾的的基基本本要要素素影響單片機(jī)系統(tǒng)可靠安全運(yùn)行的主要因素主要來(lái)自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾,并受系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、元器件選擇、安裝、制造工藝影響。這些都構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)的干擾因素,常會(huì)導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行失常,輕則影響產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量,重則會(huì)導(dǎo)致事故,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。 形成干擾的基本要素有三個(gè)： （1）干擾源。指產(chǎn)生干擾的組件、設(shè)備或信號(hào), 用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述如下：du/dt, di/dt大的地方就是干擾源。如：雷電、繼電器、可控硅、電機(jī)、高頻時(shí)鐘等都可能成為干擾源。（2）傳播路徑。指干擾從干擾源傳播到敏感器件的通路或媒介。典型的干擾傳播路徑是通過(guò)導(dǎo)線的傳導(dǎo)和空間的輻射。 （3）敏感器件。指容易被干擾

55、的對(duì)象。如：A/D、 D/A 變換器,單片機(jī),數(shù)字 IC,弱信號(hào)放大器等。 干擾的分類有好多種,通?？梢园凑赵肼暜a(chǎn)生的原因、傳導(dǎo)方式、波形特性等等進(jìn)行不同的分類。按產(chǎn)生的原因 可分為放電噪聲音、高頻振蕩噪聲、浪涌噪聲。干擾的分類按波形分：可分為持續(xù)正弦波、脈沖電壓、脈沖序列等等。按傳導(dǎo)方式分：可分為共模噪聲和串模噪聲。 5.2 提提高高單單片片機(jī)機(jī)系系統(tǒng)統(tǒng)抗抗干干擾擾能能力力的的主主要要手手段段 1.降低外時(shí)鐘頻率 外時(shí)鐘是高頻的噪聲源，除能引起對(duì)本應(yīng)用系統(tǒng)的干擾之外，還可能產(chǎn)生對(duì)外界的干擾，使電磁兼容檢測(cè)不能達(dá)標(biāo)。在對(duì)系統(tǒng)可靠性要求很高的應(yīng)用系統(tǒng)中，選用頻率低的單片機(jī)是降低系統(tǒng)噪聲的原則之一

56、。以 8051 單片機(jī)為例，最短指令周期1s 時(shí)，外時(shí)鐘是 12Mhz。而同樣速度的 motorola 單片機(jī)系統(tǒng)時(shí)鐘只需 4mhz，更適合用于工控系統(tǒng)。近年來(lái)，一些生產(chǎn) 8051 兼容單片機(jī)的廠商也采用了一些新技術(shù)，在不犧牲運(yùn)算速度的前提下將對(duì)外時(shí)鐘的需求降至原來(lái)的 1/3。而 motorola 單片機(jī)在新推出的 68hc08 系列以及其 16/32 位單片機(jī)中普遍采用了內(nèi)部瑣相環(huán)技術(shù)，將外沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-27-部時(shí)鐘頻率降至 32khz，而內(nèi)部總線速度卻提高到 8mhz 乃至更高。2.低噪聲系列單片機(jī) 傳統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)中，在電源、地的引出上通常將其安排在對(duì)稱的兩邊。如左

57、下角是地，右下角是電源。這使得電源噪聲穿過(guò)整個(gè)硅片。改進(jìn)的技術(shù)將電源、地安排在兩個(gè)相鄰的引腳上，這樣一方面降低了穿過(guò)整個(gè)硅片的電流，一方面使外部去耦電容在 pcb 設(shè)計(jì)上更容易安排，以降低系統(tǒng)噪聲。另一個(gè)在集成電路設(shè)計(jì)上降低噪聲的例子是驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。一些單片機(jī)提供若干個(gè)大電流的輸出引腳，從幾十毫安到數(shù)百毫安。這些大功率的驅(qū)動(dòng)電路集成到單片機(jī)內(nèi)部無(wú)疑增加了噪聲源。而跳變沿的軟化技術(shù)可消除這方面的影響，辦法是將一個(gè)大功率管做成若干個(gè)小管子的并聯(lián)，再為每個(gè)管子輸出端串上不同等效阻值的電阻。以降低 di/dt。3.時(shí)鐘監(jiān)測(cè)電路、看門狗技術(shù)與低電壓復(fù)位 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)時(shí)鐘，當(dāng)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)時(shí)鐘停振時(shí)產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位信

58、號(hào)以恢復(fù)系統(tǒng)時(shí)鐘，是單片機(jī)提高系統(tǒng)可靠性的措施之一。而時(shí)鐘監(jiān)控有效與省電指令 stop 是一對(duì)矛盾。只能使用其中之一?？撮T狗技術(shù)是監(jiān)測(cè)應(yīng)用程序中的一段定時(shí)中斷服務(wù)程序的運(yùn)行狀況，當(dāng)這段程序不工作時(shí)判斷為系統(tǒng)故障，從而產(chǎn)生系統(tǒng)復(fù)位。低電壓復(fù)位技術(shù)是監(jiān)測(cè)單片機(jī)電源電壓，當(dāng)電壓低于某一值時(shí)產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)。由于單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)本身對(duì)電源電壓范圍的要求越來(lái)越寬。電源電壓從當(dāng)初的 5v 降至 3.3v并繼續(xù)下降到 2.7v、2.2v、1.8v。在是否使用低電壓復(fù)位功能時(shí)應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用情況權(quán)衡一下。沈陽(yáng)航空工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-28-第第 6 章章 系統(tǒng)調(diào)試故障及原因分析系統(tǒng)調(diào)試故障及原因分析本節(jié)

59、就波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)中遇到的故障和調(diào)試方面出現(xiàn)的問(wèn)題作一概要的敘述。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的調(diào)試分硬件調(diào)試和軟件調(diào)試兩大部分，并且還要進(jìn)行具體的聯(lián)調(diào)過(guò)程。本畢業(yè)設(shè)計(jì)的調(diào)試過(guò)程經(jīng)過(guò)以下幾個(gè)步驟：1 先將各個(gè)模塊單獨(dú)運(yùn)行，便于調(diào)試，這也正是模塊化程序設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一。2 合各個(gè)模塊成一個(gè)完整的程序并運(yùn)行調(diào)試。3 硬件調(diào)試。4 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。當(dāng)軟件，硬件分別調(diào)試通過(guò)后，將硬件中放大的輸出電壓接入DAC0832 進(jìn)行綜合調(diào)試，使 LED 上顯示的幅值和頻率與輸入的模擬信號(hào)相對(duì)應(yīng)。6.1 硬硬件件調(diào)調(diào)試試在調(diào)試硬件時(shí)，常常需要加入一些信號(hào)，以觀察電路工作是否正常。用一般的信號(hào)發(fā)生器，不但笨重，而且只發(fā)一些簡(jiǎn)單的波形，不能滿

60、足需要。要調(diào)試串口通信程序，就要在計(jì)算機(jī)上寫好一段程序，再用線連接計(jì)算機(jī)和用戶實(shí)驗(yàn)板，如果不正常，不知道是通訊線有問(wèn)題還是程序有問(wèn)題。所以在進(jìn)行硬件的焊接時(shí)要盡量避免虛焊，以免影響后續(xù)調(diào)試工作的進(jìn)程。硬件調(diào)試過(guò)程中容易出現(xiàn)的故障主要有兩個(gè)：1.線路錯(cuò)誤在實(shí)際焊硬件電路的過(guò)程中遇到了這樣的情況。譬如，在焊完放大電路的那一部分后，進(jìn)行調(diào)試時(shí)出現(xiàn)輸入電壓可調(diào)而輸出電壓不變的情況，按照硬件電路圖拿萬(wàn)用表檢查后發(fā)現(xiàn)電路板中電阻外面的線接錯(cuò)了，是由于焊接時(shí)一個(gè)電阻的兩端焊在一條線上造成的；再如，由于芯片的管腳繁多，數(shù)錯(cuò)了管腳的位置，同時(shí)錯(cuò)誤還包括邏輯出錯(cuò)、開(kāi)路、短路、多線粘連等等。2.元器件失效在調(diào)試 D