基于单片机的波形发生器设计

陕西理工学院毕业设计基于单片机的波形发生器设计许启动（陕理工物理与电信工程学院电子信息科学与技术专业 1203 班，陕西汉中 723001）指导教师：宋卫星摘要本设计采用一块 STC89C51 单片机和一块 DAC0832 产生所需要的不同波形，也就是说用单片机（STC89C51）当作控制核心，在单片机外部用 D/A 电路（DAC0832） 、运算放大电路（LM358） 、按键与 LCD 液晶显示电路等，通过控制按钮可控制产生多种波形（包括方波、三角波、正弦波） ，然后用LCD 液晶显示器将所产生的波形进行显示。本设计所采用的系统设计比较简单、性能较为优良、性价比相对较高，可用于很多种需要低频信号的场所，具有很高的实用性。关键词 信号源；单片机；DAC0832Design of waveform Generator Based on single chip microcomputerXuQidong（Grade12,Class3,Major Electronic Information Science and Technology,Physics Dept.,Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi）Tutor: SongWeixingAbstract: This article by design of system is using STC89C51 single tablets machine and array die conversion devices DAC0832 produced by required different signal of low frequency signal source, is used STC89C51 single tablets machine as control core, and in perimeter used digital/simulation conversion circuit (DAC0832), and operational amplifiercircuit (LM358), and press and LCD display lamp circuit, by press can control produced square, and sawtooth wave, and triangle wave, and sine wave, while with LCD display lamp indicates corresponds of waveform output.This simple system designed by design, excellent performance, cost-effective, places with low frequency signal source can be used for a variety of needs, with a certain degree of practicality.Keywords: Signal source, Single Chip Micyoco(SCM), Digital to nalog converter陕西理工学院毕业设计目 录1 引 言 .11.1 选题目的及研究意义 .11.2 波形发生器的发展现状 .11.3 波形发生器的发展趋势 .11.4 本设计初步思路 .12 系统总体方案设计 .22.1 概述 .22.2 系统硬件设计方案 .22.3 系统软件设计方案 .33 波形发生器硬件设计 .43.1 D/A 转换器 .43.1.1 D/A 转 换 器 的 主 要 技 术 指 标 .43.1.2 DAC0832 转 换 器 .43.2 单片机的选择 .53.2.1 单 片 机 及 其 外 围 电 路 的 设 计 .53.2.2 复 位 电 路 .73.2.3 时 钟 电 路 .83.2.4 键 盘 输 入 电 路 设 计 .83.3 显示电路的设计 .83.4 放大电路的设计 .94 波形发生器软件设计 .104.1 主程序流程图 .104.1.1 方 波 产 生 设 计 .11陕西理工学院毕业设计4.1.2 三 角 波 产 生 设 计 .114.1.3 正 弦 波 产 生 设 计 .124.2 幅值及频率的控制 .125 电路仿真及系统调试 .135.1 设计仿真演示 .135.2 系统调试 .145.2.1 硬件调试 .155.2.2 软件调试 .155.2.3 波形发生器的系统联调 .156 结束语 .15致 谢 .15参考文献 .16附录 A 基于单片机的波形发生器电原理图 .17附录 B 的基于单片机的波形发生器程序 .18附录 C 波形发生器元器件清单 .26陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 26 页1 引 言1.1 选题目的及研究意义波形发生器是一种信号源，它被广泛用于电子电路、自动控制和科学试验等这些领域。例如：测量电参量、雷达、通信、电子对抗与电子系统、宇航和遥控遥测技术等等，所以可以说高质量的信号源是高性能指针实现的关键，许许多多的现代电子仪器设备和许多系统功能的实现都得取决于其信号源的性能，因此可以说高质量的信号源是诸多电子系统的“命脉”。伴随着通信技术以及雷达技术的快速发展，对信号源的一些性能（例如频率稳定度、频谱的纯度、频率的范围、其输出频率的个数以及信号波形的形状）提出了更多的要求。为了提升它的输出频率稳定度，我们可以运用晶体振荡器等一系列方法来解决。为满足频率个数多此要求，可采用合成频率技术，也就是说通过对频率进行一系列数学运算（加、减、乘、除） ，能从一个稳定度以及准确度都很高的标准频率源，产生足量的具有同一稳定度跟准确度的不同的频率。1.2 波 形 发 生 器 的 发 展 现 状时至今日，市场上可见的信号发生器数量众多，其功能也是多样化。一般情况下，我们按照频带可以分为以下几种：1）超高频信号发生器2）高频率信号发生器3）低频信号发生器4）超低频信号发生器为了产生所需的波形，我们通常会用到的是 LC 振荡电路。也就是我们所说的高频率、低频率以及超低频率的信号发生器，以上提到的这些发生器，它们所使用的都是“文氏桥振荡”电路，也就是我们所讲的 RC 振荡电路，它的原理是通过改变电路中的电容以及电阻值的大小，从而改变频率值。用前面所说的原理设计出来的信号发生器，它能够输出的波形一般有且只有两种，就是我们比较熟悉的正弦波和脉冲波，它的零点是没办法调整的，并且价格相当昂贵。但是在这里要提出的一点是，在实际应用中，超低频率波和高频率波一般是不会用到的，我们只会用到中高频，也就是频率处于几十 HZ 到几 MHZ 之间。用单片机 STC89C51，加上一片 DAC0832，就可 以完成一 个简单 信号 发生器的设计，其频 率受单片 机运行 的程序 的控制。可以把 产生各 种波形 的程序，写在 ROM 中，装入 本机，按用户 的选择，运行 不同的 程序，产生不 同的波形。再在 DAC0832 输出端 加上一些电 压变换 电路，就完成了一个 频率、幅 值、零点均 可调的多 功能信 号发生 器的设计。 这样的机 器体积小， 价格便 宜，耗电少 ，频率适 中。1.3 波 形 发 生 器 的 发 展 趋 势波形发生 器的发展 趋势是更 高取样率，更高 分辨率和 更大存储 量。在生产 实践和科 技领域中有 着广泛的 应用，各种波 形曲线均 可以用三 角函数 方程式来 表示。能够 产生多种 波形,如三角波、 矩形波 （含方波 ） 、正弦 波的电路 被称为 波形信号 发生器。 在通信、 广播、电 视系统、工业、 农业、生 物医学等 领域内，都有着尤为重要的作用，除此之外，波形 信号发生器 在实验和 设备检测 中具有 十分广 泛的用途。1.4 本 设 计 初 步 思 路本次设计 将采用 STC89C51 及其外围 扩展系统，软 件方面主 要是应用 C 语言设计 程序。系统以 AT89C51 单片机为 核心，配置相 应的外设 及接口电 路，用 C 语 言开发，组成 一个多功 能信号发生系 统。该系统的软 件可运行于 Windows XP 环境下，硬 件电路设计具 有典型性。同时，本 系统中任何 一部分电路模 块均可移植 于实用开发系 统的设计中，电路 设计具有实 用性。利用单片 机 STC89C51 和 8 位 D/A 转换芯 片 DAC0832 共同实 现正弦波，方 波，三角 波，这三种常见波 形的发生，并且可以接 收外接键 盘输入而在 一定范围内改 变频率 1。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 26 页波形信号发生器构成原理如 图 1.1 所示。输 出 电 路单片机系统2 号 D / A 转 换 器参 考 电 压输 出图 1 . 1 波形信号发生器的构成2 号 D / A 转 换 器2 系统总体方案设计2.1 概 述本设计是 利用 STC 89C51 单片 机和数模 转换器件 DAC0832 产生所需正 弦波、三角波、方 波电压波 形。 其信号幅 度和频率都是 可以按要求控 制的。文中简 要介绍了 DAC 0832 数 模转换器的结构原 理和使用方 法，STC89C51 的基础 理论，以及与设 计电路有关的 各种芯片。根据对 毕业设计的要 求，文中着重 介绍了如何利 用单片机控 制 D/A 转换器产生上 述信号的硬件 电路和软 件编程。信号频率 幅度也按要 求可调。产生正弦 波、方波、三角 波的方案有多 种，如首先产生 正弦波，然后通 过整形电路将 正弦波变换成方 波，再由积分 电路将方 波变成三角 波；也可以首 先产生三角 波与方波，再将三 角波变成正弦 波或将方 波变成正弦 波等等。本课题 采用先产 生方波与三 角波，再将三角 波变换成 正弦 波的电路 设计 方法 2。由比较 器和积分 器组成方波 与三角波 产生电 路，比较器 输出的方 波经积 分器得 到三角 波，三角波到正 弦波的变 换电路主要 由积分电 路来完成。积分 电路具有 工作点稳定，输 入阻抗高，抗 干扰能 力较强等 优点。特别 是当采用 直流放大 器时，可以有效 地抑制零 点漂移，因此可 将频率很低的 三角波变换成正 弦波。波形变 换的原理是利 用差分放 大器传输特 性曲线的非 线性。通过键 盘可以进行频 率的调节，对频 率能够进行 增大和减 小的设置。本设 计以方波 为核心积分出不 同的波形，波形 采用同步 输出的方式，用示 波器有选择 的分别进 行显示。2.2 系 统 硬 件 设 计 方 案系统的 硬件结构框图 如图 2.1 所示，主要 分为几个 部分：单 片机、波形产 生电路、键盘电路、LED 显示 电路、滤波 电路。复位电路键盘单片机图 2 . 1 系统结构L C D 显示D A C 0 8 3 2 L M 3 5 8 滤波电路陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 26 页1）单片机单片的机作为一个接的收、处的理、输出信号的的仪器装置，将单片的机与 LCD 显示连的接成一个有机的的整体。其主要是完成的数据处理，并通过的与之有关的的软件来实现的软件的编程使的显示值与的称重值对应。因此，此部分的是整个设计的最重要的的组成部分。2）复位电路89C51 的的复位输入引脚 RST 的（即 RESET）的为 89C51 的提供了初始化的的手段。有了它可的以使程序从指的定处开始执行，即从的程序存储器的中的 0000H 的地址单元开始的执行程序。在 89C51 的工作后，只要在的 RST 引脚上出现两个的机器周期以的上的高电平时，的单片机内部则 的初始复位。的只要 RST 保持高电平，的则 89C51 的循环复位的。只有当 的 RST 由高电平的变成低电平 的以后，的 89C51 的才从 0000H 的的地址开始执行的程序 3。3）数模转 换电路由于 模拟量更容 易通过仪器 进行观察，所以 通过数模转 换电路可以 将数字量 转化为的模拟量。本设计采用 DAC0832 数模的转换器，更精确的进的行数模转换。4）LCD 显示电路本的设计中，的波形的显示是采用简的单的液晶 LCD1602 显示屏。5）电压放 大电路DAC0832 的输 出电压比较 小。因此，要将该 电压信号在示波 器中显示出 来，需要 有一个放大器将 此电信 号放大到 所需范 围之内。由于放大 电路的增益是 可调的，故运 用运算放 大电 路能将电压 信号放大到所 要求的 范围。2.3 系 统 软 件 设 计 方 案如果硬件是整个的设计的基础，那软的件就是整个的设计的灵魂的所在，它可以的使仪器的的主要功能得以实现。的而在软件设计方法中，的结构化设计的是使用最广泛的，的用模块化设计的的思想进行程序设计。的根据这一的原则和毕业设计任务书的要求，的本设计的软件主要包括：的波形产生子程序，的键盘处理子程序，的 LCD 显示子程序几大部分。的各程序以模块形式，的独立成章，的运行过程中可以调用执行，的整个波形发生器的的软件流程图的如图 2.2 的所示。 开始初始化波形产生子程序键盘处理子程序L C D 显示子程序结束图 2 . 2 软件原理流程框图1）键盘处理子程序的陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 26 页键盘处理子程序的主要是采用中断系统的方式的进行按键的扫描，的判断按键是否按下。的通过延时子程序对按键的的抖动进行消除。的2）波形产生子程序的主要是通过调用单片机内的方波子程序，同时通过程序对 DAC0832 芯片的地址进行设定，从而进行数模转换产生波形的。3）LCD 显示子程序的显示子程序的任务的是将测量结果送显示的器显示，的通过对 LCD 显示的子程序的编译、的链接、调试等操作实现对的所测得的的物体质量进行显示，的它是人的机对话的组成部分之的一。3 波形发生器硬件设计3.1 D/A 转 换 器D/A 转换器输入的的是数字量， 的经转换器输出的是模拟量。的转换过程是先将 MCS-51 的送到 D/A转换器的的二进制数的每一位，的按它的权的大小量转换的为与之对应的模拟分量，之后再用叠法将各个模拟分量进行相加，所相加的和就可以称之为 D/A 转换的结果的。D/A 的的转换器的输出形式有两种 的，的的一种是电压输出形式的，的的即给 D/A 转换器输入的是数字量的，的而输出为电压的。的另一种是的电流输出形式的的，即输出为电流的的。在实际应用中的，的对于电流输出的 D/A 转换器的，的如需要模拟电压输出的的，可在其输出端加一的个由运算放大器构成的的的 IV 的的转换电路的，的将电流输出转换的为电压输出的的。由于的 D/A 的转换时需要一定时间的 的，在这段时间内的 D/A 的转换器输入端的数字 的量应保持稳定的，为此应当在的 D/A 的转换器的的数字输入端前面设置锁存器 的，以提供数据锁存功能的。根据转换器芯片内是否带的有锁存器的，可以把 DAC 的分为内部无锁存器的的和内部有锁存器的的两类 4。3.1.1 D/A 转 换 器 的 主 要 技 术 指 标1）的分辨率当输入的数字信的号发生单位数码变化的，即最低位产生的一次变化的，所对应的输出的模拟量的变化量即为分辨率的。在实际应用中的，更常用的方法是用输入的的数字量的位数来表示分的辨率的。如 8 位二进制的的 D/A 的转换器的，的常简称为分辨率为 8 位。2）的精度如果不考虑的 D/A 的的转换误差， 的 D/A 转换的精度为的其分辨率的大小 的。因此，的要获得一定的精度的的 D/A 的转换结果，的首要的条件是选择有足够分辨率的 的 D/A 的转换器。当然的 D/A 的转换的精度不仅与D/A 的转换器的本身有的关，也于外 的电路以及电源的有关。的影响转换精度的主要误差因素有失调误差、的增益误差、的非线性误差和微分非线性误差等的。3）的建立时间建立时间是描述的 D/A 的转换器转换快慢的 的一个参数，的用于表明转换速度，的其值为从输入数字量到输出达到终值误差的（1/2） 的 LSB 的（最低有效位）的时所需的时间的。输出形式为电流的转换时间较短的，而输出形式为电压的转换器的，由于要加上的 IV 的转换的运算放大器的延迟时间 的，因此建立时间要长一些的。快速的 D/A 转换器的建立时间可达 的 1 的秒以下的。3.1.2 DAC0832 转 换 器DAC0832 的由 8 的位输入寄存器的、8 位的 DAC 的寄存器、的 8 位的 D/A 转换器及逻辑控制单元等的功能部件所组成的。其中的，的 8 位的 D/A 的转换器是核 的心部件，它的的内部采用了的 256 的级的倒 R 的2R 电阻译码网络技术的，由电流开的关电路控的制基的准电压的 VREF，数模转换由提供电阻网络的电流来进行的，所以说转换的速度是比较快的的。这里的 2 级寄存器是可以用来提高数模转换器工作的速度的，之所以这样说，是因为 8 位的 DAC 的寄存器工作在输出状态的时候的，8 位的输入寄存器可的接收新的的数据。的 DAC0832 的采用的 R-2RT 的型电阻译码网络的，是由锁存器 的和 D/A 的转换电路和控制转换电路组成的。图 3.1 为的 DAC0832 的内部结构。的 1 脚的作用是给输入寄存器挑选合适的信号的，在低电平下有效的。2 的脚的作用是给输入寄存器写选通信号的，在低电平下有效。的 17 脚为数据传送控制信号的，在低电平下有效的。18 的脚为 DAC 的寄存器的写选通信号，在低电平下有效。 19 脚为输入锁存允许信号，在高陕西理工学院毕业设计第 5 页 共 26 页电平下有效。的 DI0DI7 的为 8 的位数字输入端，DI0 的为最低端，DI7 的是最高端。11 的脚为 DAC 的电流输出端 1，它所输出的是当数字输入端的逻辑电平为 1 时，各位输出电流的和的，的 DAC 的寄存器的内容是随着输入端代码的线性变化而变化，DAC 的寄存器所展示的内容都是的 1 时的 Iout1 最大，全为的 0 时Iout1 的最小的。12 脚是电流输出端的 2，Iout2 的数值取决于常数减去的 Iout1 的结果，即的 Iout1+Iout2=常数。这个常数所对应的是一个固定的基准电压的满的量程下的电流的。8 的脚是基准电源输的入端的。Vref 的一般在的-1010V 范围内的，由外电路的提供。20 的脚是逻辑电源输入端 的，取值范围为的+5 +15V，的+15V 最佳的。3 的脚是模拟地的，为芯片的模拟电路接地点的。10 的脚是数字地，是这个芯片数字电路的接地点的。Rfb 的为回馈电阻，制作在的芯片内部，给的 DAC 提供输出电压，以及运放的回馈电阻的。在使用时的，假设环境电磁干扰不是很严重的时候，模拟地就可以跟数字地进行连接的。不然的话就应当分别再走线，在保护地点汇合的，一点接地的。（1）数字输入端具有双重缓冲功能的，可以双缓冲、单缓冲或直通数字输入。（2）与所有通用微理器可直接接口的。（3）满足 TTL 电平规范的逻辑输入的。（4）分辨率为 8 位，满刻度误差的1LSB，建立时间为 1s，功耗的 20mW。（5）电压输出型的 D/A 转换器。3.2 单 片 机 的 选 择现在市场上单片机种类非常多的，功能也多种多样的。通过比较和分析的，采用的 51 系列单片机的中的STC89C51 的单片机 的，这种单片机 的功能强大的，可以满足设计者的的需求。3.2.1 单 片 机 及 其 外 围 电 路 的 设 计作为本系统的核心组件的，选择哪一型号的的 MCS-51 的系列单片机是关键的的问题。的 8031 单片机片内不带程序内存的 ROM，使用时需要外部接入程序内存以及一片逻辑电路芯片的 74LS373，外接的程序内存大多数是 EPROM 中的 2764 的系列。用户如果想修改已经写入到的 EPROM 的中的程序，就必须得先将内存照射擦除，通常用的方法是用一种比较特殊的紫外线灯的，之后再的可写入。这样一来，已经写进的外接程序内存里的的程序以及代码的保密性就非常低的。8051 的单片机片内有的 4KROM 的，无须外接内存和的 74LS373 的，更加能够体现“的单片”这一词的简练的。但是编的程序无法烧写到其的 ROM 的中，只有将的程序交芯片厂代的为改写，的并是一次性的的，的今后都不能改写其内容的。8751 的单片机与 8051 的单片机基本一样，但的 8751 单片机片内有的 4K 的的 EPROM，用户能够将自己所编写的的程序写进单片机的的 EPROM 中，从而进行现场的实验与应用，当然，EPROM 的改写同样也需要用类似于 8051 的擦除方法进行擦除，然后再捎写的。89C51 的单片机为的 EPROM 型的，在实际电路中的可以直接互换 的 8051 单片机或的 8751 单片机，的不但和图 3.1 DAC0832 内部结构陕西理工学院毕业设计第 6 页 共 26 页8051 的单片机指令的，管脚完全兼容的，而且其片内的的 4K 程序内存是的 FLASH 工艺的的。 89C51 的是由北京集成电路中心的（BIDC）的设计，由美国公的司生产八位的单片机的。它是一种低功耗高性能的具有的 8K 字节可电气烧录及可擦除的程序 的 ROM 的八位的 CMOS 单片机。该器件是用高密度的、非易丢失的存储技术制造的并且与国际的工业标准的 80C51 单片的 机指令系统和的引脚完全兼容 5。综上所述的，从使用方的便与简的化电路以及的其性价比的等角度的来考虑的，89C51 的比较合适的的。本系统采用的 CPU 为 89C51 的的单片微机，的 89C51 本身带有的 4K 的内存储器，其管脚如图的 3.2 所示的。下面介绍的89C51 的主要管脚功能如下的： 的 VCC（40）：电源的+5V；VSS 的（20）：接地的；XTAL1 的（19）和的XTAL2（18） ：的外接石英晶体振荡器；的 P0 口（32-39 ）： 的双向 I/O 口，的既可作低 8 位地址和 8 位数据总线使用，也可作普通的 I/O 口；P 1 口（1-8）：准双向通用 I/O 口；的 P2 口（21-28）：既可作高 8位地址总线，也可作普通的 I/O 口；P 3 口（10-17）：多用途埠，既可作普通 I/O 口，也可按每位定义的第二功能操作；的 RST（9）：复位信号输入端；的 ALE/PROG：地址锁存信号的输出端；PSEN ：的内部和外部程序的内存选择线的。CPU 的可包括运算部件的，控制器的，程序状态字的，的 B 寄存器 的，累加器的 Acc（或 A）的，位处理器等。运算部件由算术逻辑单元的、累加器的、暂存寄存器的、标志寄存器的、十进制调整单元组成的。它的功能是的进行算术和逻辑运算的。它不但对的 8 位变量进行逻辑的：“与”、 “或”的、 “异或”、循环、取补的、清零等基本操作的，还可以进行算术的加的、减、乘的、除操作的。功能很强的位操作是一般微型计算机标准的ALU 所不具备的的，它可以对位变量进行置位 的、清零、求补 的、测试转移及逻辑“与” ， “或”的等操作。对半字节的（4 位）和双字节的（16 位）类型数据也可进行操作的。ACC 的为累加寄存器。的但是，对累加器操的作指令中累加器的助记简写为的 A。MCS-51 的指令系统中大部分的单操作指令的操作数取自累加器的 A，双操作数指令的的一个操作数取自累加器的 A。B 的寄存器用于除法和乘法操作的。除法指令中的，被除数取自的 A，除数取自的 B，商数存放在的 A 中而余数存放在的 B 中。乘法指令的两个 的操作数分别取的 A 和 B，其积则存放在的 AB 寄存器对中的。对于其它指令的，B 寄存器作为的缓存器使用 的。程序存贮器的用于存放编好的的程序表格和常数的。程序状态字寄存器的 PSW 是一个的 8 位的寄存器的，它包含的了程序状态信息的。的 PSW 用于指示指令寄存状态供的程序查询和判别之用的。PSW 的寄存器具有位元元组地址的和位地址的，即每一的个标志位都有一的个地址，的可方便地对其中某一的位进行操作的。STC89C51RC 的是采用的 8051 核的的 ISP（的 In System Programming 的）在系统可编程芯片的，最高工作的时钟频率是的 80MHz，片内含 的 8K Bytes 的的可反复擦写的 1000 次的的 Flash 只读程序存储器的，器件兼容标准的 MCS-51 指令系统及 的 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 的 8 位中央处理器和的 ISP Flash 存储单元，的具有在系统可编程的（ISP）的特性，配合着电脑端的控制程序就能够将用户的程序代码下载到单片机里面去，这样的话，就不用购买通用编程器了，的而且速度会更加快。的 STC89C51RC 的系列单片机是P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RST9 P3.0(RXD)10P3.1(TXD)11 P3.2(INT0)12P3.3(INT1)13 P3.4(T0)14P3.5(T1)15 P3.6(WR)16P3.7(RD)17 XTAL218XTAL119 GND20 (A8)P2.0 21(A9)P2.1 22(A10)P2.223(A11)P2.3 24(A12)P2.4 25(A13)P2.526(A14)P2.6 27(A15)P2.7 28PSEN29ALE/PROG 30EA/VPP 31(AD7)P0.732(AD6)P0.6 33(AD5)P0.5 34(AD4)P0.435(AD3)P0.3 36(AD2)P0.2 37(AD1)P0.138(AD0)P0.0 39VCC 40U389C51/C52图 3.2 89C51 管脚图陕西理工学院毕业设计第 7 页 共 26 页单时钟/机器周期的(1T)的