简易波形发生器课程设计.docx

课 程 设 计 课程名称: 单片机原理及应用 设计课题: 单片机信号波形发生器 指导教师: 专业： 班级： 姓名： 学号： 二O 年 月 日课程设计（论文）任务书I、课程设计(论文)题目：简易波形发生器II、课 程设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：控制DAC0832分别产生方波、锯齿波、三角波三种波形III、课 程 设计(论文)工作内容及完成时间： 、主 要参考资料：1周淇.单片机原理及应用：基于Keil及Proteus.北京：北京航空航天大学出版社，2014.2钟睿.MCS-51单片机原理及应用开发技术M.北京：中国铁道出版社，2006.3张毅刚.单片机原理与应用设计.北京：电子工业出版社，2008. 单片机的波形信号发生器设计 摘要: 信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。目前使用的信号发生器大部分是函数信号发生器，且特殊波形发生器的价格昂贵。本系统利用MCS-51单片机采用程序设计方法与DAC0832构成的波形发生器产生锯齿波、三角波、方波三种波形, 它是使用频度很高的电子仪器。现在的波形发生器都采用单片机来构成。单片机波形发生器是以单片机核心，配相应的外围电路和功能软件，能实现各种波形发生的应用系统，它由硬件部分和软件部分组成，硬件是系统的基础，软件则是在硬件的基础上，对其合理的调配和使用从而完成波形发生的任务。波形的周期可用程序改变，并可根据需要选择单极性输出或双极性输出，具有线路简单、结构紧凑、性能优越等特点，信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。关键词： MCS-51单片机 DAC0832 信号发生器目 录引言(5) 1 目的与要求 1.1 目的(6) 1.2 要求(6)2 硬件设计 2.1 总体设计原理框图(6) 2.2 51单片机的结构(6) 2.3 转换芯片DAC0832简介(8) 2.4 电路仿真图(10) 3 系统程序设计 3.1 主程序流程图(11) 3.2 波形产生模块(12) 3.3 系统源程序(12) 3.4 生成波形现象(14)4 课程设计结论(15)参考文献（16）引 言在计算机控制技术、电子技术飞速发展的今天，信号发生器的应用越来越广，对信号发生器的频率稳定度、频谱纯度、频率范围和输出信号的频率微调分辨率提出越来越高的要求，普通的频率源已经不能满足现代电子技术的高标准要求。国内外纷纷设计制作先进的信号发生器，从实用价值来看，各高校中信号发生器应用极为广泛，能够设计出低成本、高精度的信号发生器并推广使用具有非常重要的意义。单片机作为计算机的一个重要分支，具有普通计算机不具备的的一系列优点。其体积小，功能强，可靠性高，价格低，性能稳定，被广泛应用于智能仪器仪表、自动控制、通信系统、家用电器和计算机外围设备等。此外，单片机嵌入式系统还在农业、化工、军事、航空航天等领域得到广泛应用。因此，单片机的学习、开发与应用将造就一批计算机应用与智能化控制的工程技术人员。单片机的信号发生器的设计，以MCS-51单片机为核心，以简单、廉价的元器件构筑，能够产生高精度、高纯度的方波、三角波、锯齿波，同时可以实现波形切换。目前购买的信号发生器价格昂贵，功能强大，实际在高校开展实验过程中用到最多的是低频函数信号发生器。如果能够在高校实验领域应用本文设计的仪器取代它们，将具有重要的实际意义。信号发生器应用广泛，种类繁多，性能各异，分类也不尽一致。按照频率范围分类可以分为：超低频信号发生器、低频信号发生器、视频信号发生器、高频波形发生器、甚高频波形发生器和超高频信号发生器。按照输出波形分类可以分为：正弦信号发生器和非正弦信号发生器，非正弦信号发生器又包括：脉冲信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器、数字序列波形发生器、图形信号发生器、噪声信号发生器等。按照信号发生器性能指标可以分为一般信号发生器和标准信号发生器。前者指对输出信号的频率、幅度的准确度和稳定度以及波形失真等要求不高的一类信号发生器。后者是指其输出信号的频率、幅度、调制系数等在一定范围内连续可调，并且读数准确、稳定、屏蔽良好的中、高档信号发生器。本次课程设计是做单片机的信号发生器，将采用编程以及直流电机转动的方法来实现三角波、锯齿波、方波的发生。根据设计的要求，对各种波形进行程序的编写，并将所写程序输入单片机的运行软件中。在程序运行中，由开关控制，D/A转换器DAC0832进行转换输出所需要的波形。1 目的与要求1.1、目的1、完成D/A转换及接口电路的设计和完成开关电路设计；2、掌握延时子程序在主程序中的作用；3、掌握DAC0832各引脚的作用及工作原理；4、掌握DJ598K 单片机的结构及功能。1.2、要求以MCS-51为主控，利用DAC0832转换和外围电路，设计一个信号发生器，要求实现以下功能：(1) 信号发生器能产生方波，三角波，锯齿波等波形。(2) 通过控制开关能对三种波形进行选择输出。2 硬件设计2.1、总体设计原理框图2.2、51单片机的结构 51单片机引脚图典型的MCS-51单片机芯片集成了以下几个基本组成部分：1) 一个8位的CPU；2) 128B或256B单元内数据存储器（RAM）；3) 4KB或8KB片内程序存储器（ROM或EPROM）；4) 4个8位并行I/O接口P0P3；5) 两个定时/计数器；6) 5个中断源的中端管理控制系统；7) 一个全双工串行I/O口UART（通用异步接收、发送器）；8) 一个片内振荡器和时钟产生电路。 CPU结构CPU是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成。程序计数器PCPC是一个16位的计数器，用于存放一条执行的指令地址，寻址范围为64KB，PC有自动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加1。 指令寄存器指令寄存器用于存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送入指令寄存器，经指令译码器译码后由定时有控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准；复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。 时钟电路 单片机的时钟信号通常有两种产生方式。一种是内部时钟方式；另一种是外部时钟方式。内部时钟方式只要在单片机的XTAL1和XTAL2引脚外接晶振就构成了自激振荡器，并在单片机内部产生时钟脉冲信号。外部时钟方式是把外部已有的时钟信号引入到单片机内，常用于多片单片机同时工作，已使各单片机同步。单片机的时序单位：晶振周期为时钟脉冲频率的倒数，为最小的时序单位，也称T状态；时钟周期包含两个晶振周期，也称S状态；完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期，由6个时钟周期组成，即12个晶振周期；指令的执行时间称为指令周期，通常含有14个机器周期。2.3、转换芯片DAC0832简介DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。这个芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点，在单片机应用系统中得到广泛的应用。D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。 DAC0832引脚图DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源。DAC0832为电流输入型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。DAC0832的引脚图及逻辑结构如下图： DAC0832结构框图及引脚排列 引脚定义及功能（图2.2） DAC0832芯片有20个引脚，采用双列直插式封装。各功能如下：DI0DI7：数据输入线，TLL电平，有效时间长于90ns。 ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。 CS：片选信号输入线，低电平有效。 WR1：为输入寄存器的写选通信号，负脉冲有效（脉冲宽度应大于500us），当CS为0，WR1有效时，DI0DI7状态被锁存到输入寄存器。 XFER：数据传送控制信号输入线，低电平有效。 WR2：为DAC寄存器写选通输入线，负脉冲有效（脉冲宽度应大于500us）。当XFER为0且WR2有效时，输入寄存器的状态被传到DAC寄存器中。 Iout1: 电流输出线。当输入全为1时Iout1最大。 Iout2: 电流输出线。其值与Iout1之和为一常数。 Rfb: 反馈信号输入线,芯片内部此端与Iout1之间已接有1个15千欧的电阻。 Vcc: 电源输入线 (+5v+15v) 。Vref: 基准电压输入线 (-10v+10v)。此端电压决定 D/A输出电压的范围。如果Vref接+10V，则输出电压范围为0-10V：如果Vref接-5V，则输出电压范围为0+5V。AGND: 模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地. DGND: 数字地,为工作电源地和数字逻辑地。51单片机和DAC0832接口时，可以有3种连接方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。 （1）直通方式：即数据经过双重缓冲后再送入DA转换电路，执行两次写操作才能完成一次DA转换。这种方式可在DA转换的同时，进行下一个数据的输入，可提高转换速率。更为重要的是，这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。此时，要用多片DAC0832组成模拟输出系统，每片对应一个模拟量。 （2）单缓冲方式：不需要多个模拟量同时输出时，可采用此种方式。此时两个寄存器之一处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入DA转换电路。这种方式只需执行一次写操作，即可完成DA转换。 （3）双缓冲方式：此时两个寄存器均处于直通状态，因此要将、和端都接数字地，ILE接高电平，使LE1、LE2均为高电平，致使两个锁存寄存器同时处于放行直通状态，数据直接送入DA转换电路进行DA转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中或其他不须0832缓冲数据的情况。2.4、电路仿真图 电路原理： 通过51单片机的程序输出以及DAC0832转换器的转换，连接到直流电机上，通过开关的控制，进行波形的输出以及选择。波形发生器仿真电路 ：3 系统程序设计3.1、主程序流程图3.2、波形产生模块 设计思想：利用转移指令，当3个开关中有任意一个闭合时，跳转至该开关所对应的波形程序，再通过延时程序，通过直流电机的转动情况来判断输出的波形，没执行一次波形所对应的程序后，在调到开关控制处，判断开关通断情况，如果闭合，则继续执行对应波形程序，循环下去，否则在开关处死循环。3.3、系统源程序程序如下：开关处的程序：ORG 0000H ；程序开始START:MOV SP,60H ；更改堆栈地址，避免堆栈与工作寄存器区发生冲突。JB P1.0,IR0 ；方波控制开关。JB P1.1,IR1 ；锯齿波控制开关。JB P1.2,IR2 ；三角波控制开关。SJMP START ；循环检测方波：方波的实现只需开始的时候设置一个初值然后直接输出这个值就行了，输出一段时间后，然后再重新置一个数据，然后再输出这个数据一段时间，但是此时的时间一定要等于前面那段时间。方波的程序：IR0:MOV DPTR,#FF80H ；DAC0832的端口地址。LOOP:MOV A,#0 MOVX DPTR,A ；输出低电平。 MOV 30H,#10 ACALL DEL ；跳到延时程序。 MOV A,#0A0H MOVX DPTR,A ；输出低电平。 MOV 30H,#10 ACALL DEL AJMP START ；跳到开始位置进行开关通断判断。 SJMP LOOP DEL:MOV R7,#250 DEL1:MOV R6,#250 DEL2:DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 DJNZ 30H,DELRET锯齿波：锯齿波的实现过程是首先定义一个初值然后进行加法操作，没加一次就跳到延时子程序一次，加的步数的多少则根据要求的频率来进行。然后加到某个数之后就再重新设置为初值，再重复执行刚刚的操作，如此循环下去。锯齿波程序：IR1: MOV DPTR,#0FF80H MOVX DPTR,A INC A ；A自加1后循环。ACALL DELAYAJMP STARTDELAY:MOV R7,#150DLY1: MOV R6,#150DLY2: DJNZ R6,DLY2 DJNZ R7,DLY1 RET三角波：三角波与上升阶段与锯齿波的上升阶段类似，只要在加一个自减和一个延时就可以了。三角波程序：IR2: CLR A MOV DPTR,#0FF80HDOWN:MOVX DPTR,A ；生成上升的一半三角波。 INC AACALL DELAY ；跳到延时子程序。JNZ DOWNMOV A,#0FEHUP: MOVX DPTR,A ；生成下降的一半三角波。DEC AACALL DELAYAJMP STARTJNZ UPSJMP DOWNEND3.4、生成波形现象（1）方波：当运行方波的程序，控制开关打开后，直流电机的转动先是保持一定的转速转动一段时间，一段时间之后转动停止，停止时间和转动时间保持一致，然后又开始转动，一直这样往复循环下去，直到控制开关断开。（2）锯齿波：当运行锯齿波的程序，控制开关打开后，直流电机的转动先是缓慢转动，然后转动一直加快，等加速到一个最大值时，直流电机瞬间停止，1到2秒之后直流电机又开始按之前的转动规律开始转动，一直这样往复循环下去，直到控制开关断开。（3）三角波：当运行三角波的程序，控制开关打开后，直