毕业设计（论文）-波形发生器设计.doc

内容摘要：本 系 统 是 基 于 AT89C51单片机 的数字式 低频信号发生器。运 用 AT89C51 单片机 作 为控 制的中心，外 围 运 用 DAC0832、LM324、按 键和8位 数码管等。通 过按 键来控 制 的 话可 以 产生 方 波、三角 波、正 弦波等，同时 通过数 码管来 指示对 应的频率。这个设计简 洁、性能 很好，可以 用于很 多种需 要低 频率 信号的 地方，具有很多的 实用性质。各 式 各样的信 号是通 信行 业的重 要组 成部 分，在 这里 面正 弦 波、三 角波和方 波等 就是比 较常 见的信 号。在很 多的科 学研 究及教 学实 验中常 常需 要这 几种信 号的发 生装 置。为了研 究和实 验方便，研 制一种 可以灵 活的使 用，功 能相对比 较齐 全、使 用起 来简 单方便的信 号源是 非常有必 要的。这篇文章主 要介绍的是运用AT89 C51单片 机和DAC0832产生我们需要 的不同的低频 信号源，这个信号 频率和幅 度都是我们可 以按 要求 控 制的。文中简 介 了DAC 0832转 换器的 结构 原 理和使 用的方法，还有A T89C51的 基础 理论，与 设计电 路的时 候相关 的各 种芯片。本文着重 介绍了如何使用单片 机控制D /A转换 器来产生相关信 号的硬 件电 路和 软件系统 。信号的频 率和幅度 也是要 按 要求可以调节 。 该信 号源的特点 是：体 积 小、价 格 低廉、性能 稳定、实 现 方便、功 能齐全。关键词：AT89C51 DAC0832 LM324 8位数码管显示目 录前言11 波形发生器的概述11.1 波形发生器的发展状况11.2 国内外波形发生器产品比较22 方案论证与比较32.1 方案一32.2 方案二32.3 方案三43 硬件原理53.1 MCS-51单片机的内部结构53.1.1 内部结构概述53.1.2 CPU结构63.1.3 存储器和特殊功能寄存器73.2 P0-P3口结构73.3 时钟电路和复位电路83.3.1 时钟电路83.3.2 单片机的复位状态93.4 DAC0832的引脚及功能104 软件原理104.1 主流程图104.2 锯齿波仿真图114.3 三角波仿真图134.4 方波仿真图144.5 正弦波仿真图16总结18致谢19参考文献2013波形发生器设计前言 波形 发 生器也被称为函 数发生器 ，作为实 验的 信号源，是当今世界 各种 电子电路 实验 设计 中不可或缺 的仪 器 之一。现在，市场上很多 常见的 波形发 生器大多都是 纯硬 件搭 接起来的，而且波形的种 类十分有 限，大多是锯 齿波，正 弦波，方 波，三 角 波 等。随着信息时代的发展，我国的数字化信息技术有了质的飞跃，不断向前推进，将运用于实际生活中的各个角落。日常生活中常用到的信号发生器，就是本质上所说的电子仪器设备。比较保守、传统的应用电子设备都是利用硬件电路组合成型。例如，通过借用555振荡电路感应模式，能够产生正弦波、三角波、方波三大电流波形的设计理念值得借鉴和采用，能够不完全依赖于单片机，把握综合思维具体分析。事物都有两面性，这种电路设计虽然在结构设计方面占据优势，但是他都可控性差、涉及面狭隘、产生的波形效果不佳而且存在体积大的不利发展条件。在 科学 研究和实际运用中，比如工 业控制，生 物医 学，地 震模拟 机械振 动等方面经常要用 到低频率 信号源。但是由硬 件电路所 构成的 低频率信 号的性 能很难 令人满意，而 且低 频率信号 源需要的 RC很大；电流小，阻力大，存储电量大、耗电量大，增加了加工难度；设计参数也很难保证精确性、标准性；其中，它的软肋就是有着危险因素：漏电、发热，电量损耗快。如果要想保障更高要求、更加繁杂的工作顺利完成，那么电路的设计思路也随之复杂，要求性高。1 波形发生器的概述 经济不断发展，技术也在改革创新，在技术领域往往会涉及到这些具体技术概念：数控技术、通信设备、遥感技术、电子工程、测量工具：仪表、仪器及计算机，并且往往需要各种不同的信号发生器的配合和应用。根据集成电路的发展模式看来，它的方便性和创新性更有利于组合其他形式的发生器，创造更大的实用价值。通过集成电路形式创造的波形发生器与其他形式的波形发生器相比较明显看出，波形起伏状态、持续时间、质量状况的稳定性和应用性有着显著进步。1.1 波形发生器的发展状况 波形发生器就是一个集优良性能为一体的使用率高的电子仪器设备。它自身兼具发展优势，能够自己产生标准信号进行传输和操纵信号进行定义传输，实现信息资源的可持续发展和共享性，最大程度利用好波形发生器的有利条件，性价比高、稳定性强、可控性高、利用性大，全方位发展电子信息技术。同时，以函数为形式的波形发生器具有持续、均匀的相位变换和稳定的频率变化等优势因素，一方面能够掌控和模拟信号；另一方面还能够根据相关概念，幅度、频率、时间、速度、波形进行分析研究，做好设计前的准备活动。同样还能与其他电子设备组合，成为能够测试震动力度、用于通讯和定位、检测系统问题的综合使用的仪器装备。 在1970年初，信号发生器根据自身的结构形式主要分为脉冲波和正弦波两大类，函数波形发生器是介于它们两者之间的标准型，为用户提供上弦波、下西安波、方形波、圆形波等常用波形，在产生波形后能够与其他形式结合，选择先进的制作方法和恰当的设计理念进行更高层次的实验研究。这个阶段的波形发生器基本采用的是模拟电子形式，但它的价格高、体积大、损耗多，不易于操作，要想操作水平达到标准化，那么对电路设计结构的要求性很高。主要表现为：第一，调控输出频率时要保持好时间和速度，应用好电位器的调节作用，将频率调到最佳值；第二，脉冲的空间占有率是固定的，不允许随意变动的。各 式 各样的信 号是通 信行 业的重 要组 成部 分，在 这里 面正 弦 波、三 角波和方 波等 就是比 较常 见的信 号。在很 多的科 学研 究及教 学实 验中常 常需 要这 几种信 号的发 生装 置。为了研 究和实 验方便，研 制一种 可以灵 活的使 用，功 能相对比 较齐 全、使 用起 来简 单方便的信 号源是 非常有必 要的。到了二十一世纪，伴随集成电路技术的发展，出现了很多频率可过 GHz 的DDS 芯片，这也推动了函数波形发生器的进一步发展，2003年时，Agilent的33220A就能够产生 17 种波形，最高的频率达到20M，在2005 年期间根据数据调查显示，N6030A 可以产生500MHz 的频率，采样频率可达 1.25GHz。以上数据说明函数波形发生器在电子设备领域发展迅速，表现在以下方面：在过去的发展阶段中，因为局限于种种潜在因素，使得频率发展范围小、应用性不强、可控能力和实施能力弱。但是随着波形频率的普及和应用，带动了波形发生器不断向前发展，开发性强，方便了复杂数据的整理。波形发生器的结构模式拥有强大发展动力，波形发生器能够做到将一连串直线、定点和平面、集合函数把波形相关数据储存起来。然后再通过权威的数学理论依据进行合成，把简单的数字公式就转换成了v=f (t)形式的高等公式，波形方程式由此就产生了。因此大大提高了函数发生器的灵活性和变动性，继而对其他波形发生器的开发和研究工作起到了导向作用。目前看来我们可以利用Visual Basic ,Visual C等高级编程程序，这样就方便从计算机上提取波形数据，获取波形变动最佳值。结合VXI资源。如今，波形发生器以独立性和实用性的设计理念紧随时代发展趋势，通过独立的仪器设备和实用价值的插卡、VXI模块进行实施活动。但是VXI总线的成熟和对测量仪器的要求很高，在很多方面都需要使用VXI系统来测量产生的复杂波形，VXI的系统则提供了很好的优越性，但开发VXI模块的周期较长，而且需要专业的VXI机箱，使得波形发生器的VXI模块仅仅只能在军事、航空和国防等大型方面使用。在民用方面，VXI模块还不如台式仪器方便。国民经济快速发展和国家软实力不断增强，信息技术在优良环境下稳步向前发展，在经历了发展低谷期之后，重整旗鼓，创造另一方发展天地。通过不断的改革创新，追求新形式、新资源，仪器设备在外形方面也有了很大改变，并且添加了许多以往不曾有的功能特效，实施能力强，工作效率高。在价格和质量方面具有更大的进步性，不仅价格低而且质量高。与之前的产品相比，提高更好地质量服务。1.2 国内外波形发生器产品比较20世纪70到80年代，美国Wavetek和日本的东亚电波工业两大主要公司以真实性赢取消费群体的认可和赞同，分别展示了最高的取样频率为 5MHz ，能够组成256个点(存储长度)的波形数据，垂直分辨率为8bit，以高品质信息能源方式应用于医疗设备、化学研究领域、物理研究领域。历经30年，随着其他电子设备开发软件的更新、数字媒体技术的创新、生产设备的高效发展，波形发生器也经历了质变过程，有了更大的发展空间，操作流程更简洁化、质量化，保证了波形输出的可靠性。由于操作方便，控制性强，新增的编辑功能多，便于工作的管理和实施。2 方案论证与比较我们要具体问题具体分析，根据不同的场合和应用形式，慎重、合理选用不同种类的波形发生器，不同规格的发生器会有不同的实现效果，因此要选择不同的设计方案。通常情况下，波形发生器大致为方形、多方形、圆形、正弦波和三角波等形式。但是有些使用场合有着明确使用规定，根据要求进行采用。不同的波形有着同等的指标，频率、幅度、稳定性、时间、速度等。其中，占空比例外的，它是脉冲波形的专属要求。波形发生器的设计思路也会不同，设计方案具体为专门软件设计、专门硬件设计、软件硬件相结合三种主要方法。2.1 方案一利用纯硬件设计波形发生器的方法在最开始发展阶段，大都是采用运算放大器和元件主要设计元素，实现比较简单的波形设计，得到的波形有方形波、正弦波、三角波。工作原理也很单一：刚开始产生正弦波，然后通过波形变换来实现方波与三角波。在波形后面加上一级放大电路，就能够利用波形变换这个途径使波形输出实现最佳效果，再借助开关控制电路进行波形的灵活转换，通过变换电路相关数值进行幅度、频率和其他相关指标的改变。严格筛选器件和优化电路内部结构、配置有效资源能够大幅度提升波形发生器的稳定性、精确性和优化性。在纯硬件设计法的实践过程中，其实正弦波的设计原理也是同样的，设计方案很多，各不相同，电路的形式有三大类：LC、RC和石英晶体振荡器。则LC振荡器适合投入到Hz至几百MHz的高频率信号的生产中去；石英晶体振荡器则能产生几百kHz至几十MHz的高频率信号，还能够有效保障它的稳定性能；对于低频率而言的RC振荡电路，主要分为氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等，而且文氏桥振荡电路是应用最为广泛的。如今要想实现波形发生器的最直接、最有效的方法就是采用单片组成函数发生器。其中所蕴含的设计原理就是把通过函数发生器产生的特定功能具体转移到另一个整体的集成电路中去，然后再利用大电阻、大电容元件来实现波形发生器。其优势就是实现起来很方便，精度十分高，电路非常简单，具有很大的优越性；缺点则是功能很好的集成芯片价格十分昂贵。应用设计中的单片函数信号器大都是MAX038，它的频率最高能发挥到40MHz；ICL8038，它的最高频率为300kHz。 2.2 方案二设计采用纯软件方法的是纯软件法波形发生器。传统仪器因为虚拟仪器的使用使其发生了本质的改变，这是21世纪以来测试仪器发展的主要道路。它是以计算机作为仪器基础，软件作为仪器核心，并且没有传统仪器那种具体的实物结构是在计算机上就实现了仪器的虚拟控制，通过软件设计和改变仪器控制的功能。比如任意波形发生器的改变用图形编程工具LabVIEW来完成的：在LabVIEW软件中前面板使用设计设备和拖放控件的功能面板，然后在软件中的后面板直接把相应的波形函数并改变参数设置进行拖放或者是使用编程函数来设计任意波形就能实现出波形的产生了；完成软件打包后，就可以实现独立运行，脱离编程的环境了，也就是实现任意了波形发生器的功能。纯软件的虚拟仪器使得设计十分简单、效率很高，仅仅改变软件程序就可以很好的实现波形功能的改变或者升级，而且纯软件法成本也十分低。但是软件法也有一个缺点，就是波形的响应速度和精度都比硬件法差。 2.3 方案三 同时把纯软件法和纯硬件法的优点结合在一起的软硬件结合的波形发生器设计：既能具有纯硬件设计的高性能、速度快，又具有纯软件设计控制的简单化、智能化。比如把单片机和单片集成函数发生器作为设计核心（如图一）。把键盘控制和液晶显示等电路作为辅助，使得设计出了非常智能的函数波形发生器，使用软硬件结合的方法能够设计出功能很齐全、性能很优越的波形发生器，同时还能将波形发生器的功能发展出更多功能，例如波形的存储、运算、打印等功能因为软件编程的控制能够使用，就是用USB接口来设计的。这让波形发生器还有了远程通信等的功能。当前的实验、科研和工业生产中所使用的信号源设计都是采用这种方法来进行实现的。AT89C51单片机DAC0832复位键键盘数码管显示图2.3-1 软硬件结合的波形发生器纯硬件设计法的功能使用比较单一，改变波形十分困难、控制起来也不够灵活，完全没有什么智能性可言。其中有一种波形发生器是运算放大器加上分立元件所组成的，这种只有学生实验训练中使用，除此基本不会被广泛使用的。虽然纯软件设计法实现起来简单，而且程序改变起来也很简单，使它的升级功能非常灵活，但做出来的波形在精确度和响应速度上都没有硬件法高。所以纯软件法主要使用在对波形精度和响应速度要求不高的地方。比较起来，软硬件结合的方法可以能够设计出性能很好、拓展功能广泛、控制起来分厂智能化的新一代的波形发生器，能够同时满足对波形发生器的性能有极高要求的教学、科研和工业生产等应用设计中方面中。综上所述，此设计采用软硬件设计法。其方案完全可以产生出很好的波形，也非常容易被实现。3 硬件原理波形的产生是通过AT89S52单片机运行了某一波形的程序，在端所产生数据按一定的规律向D/A转换器的输入，就能在D/A转换电路的输出端得到相应的波形。AT89S52单片机的最小系统连接方式一共有以下三种类型。第一种类型是两级缓冲器型，就是输入数据经过了两级缓冲器，也就是输入数据经过两级缓冲器以后，送到D/A转换电路。第二种类型是单级缓冲器型，输入数据通过输入寄存器直接送入到DAC寄存器，然后再送D/A转换电路。第三种类型是两个缓冲器直通，输入数据直接送到D/A转换电路进行转换。本电路的仿真总图如下：图3-1 系统电路图 3.1 MCS-51单片机的内部结构3.1.1 内部结构概述典型的MCS-51单片机芯片集成了以下几个组成部分。 一个8位的CPU 128B或256B单元内数据存储器（RAM） 4个8位并行I/O接口P0P3。 5个中断源的中断管理控制系统。 一个全双工串行I/O口UART 一个片内振荡器和时钟产生电路。图3.1.1-1 单片机引脚3.1.2 CPU结构CPU 是单片机的最核心部位，它是运算器和控制器等部件组成的。运算器运算器运算部件ALU为核心是完成二进制的算术/逻辑。它可以对数据进行操作比如半字节（4）、单字节等。例如，可以完成加、减、乘、除、减1、加1、BCD码十进制的调整、比较等运算，完成或、求反、异或、与、循环等逻辑操作，而操作的结果状态信息直接到达状态寄存器。运算器还包含有一个用以处理位操作布尔处理器。它是以进位标志位C作为累加器，能够执行复位、置位、取反、位判断的转移，能够在进位标志位和其他可位寻址位之间进行位数据传递等操作和逻辑操作。程序计数器PC16位计数器的PC，在完成一条指令之后，它的内容会自动加1。16位计数器PC需要一个能够执行的指令地址和64KB的寻址范围。指令寄存器指令寄存器是适用于存储的指令代码。在CPU需要执行指令时，读取指令码后马上将其发送到程序内存，如指令寄存器等，指令译码器完成译码后，选择与其相应的控制信号后控制电路，完成指令的功能。3.1.3 存储器和特殊功能寄存器存储器存储器（Memory）是存放程序和数据的计算机系统的记忆设备。在多有的计算机信息中，是包括输入原始数据、计算机程序、运行中间运行结果和讲最终结果存储于内存中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。特殊功能寄存器地址范围为80HFFH的特殊功能寄存器（SFR）。在MCS51设备里，21个特殊功能寄存器均在SFR块中，而其他的有程序计数器PC和四个工作寄存器区不在SFR块中。其中26个字节皆由5个双字节寄存器占用。表面上特殊功能的寄存器反映了8051的状态，而实际上特殊功能寄存器就只是控制字寄存器和8051的状态字。其中比较典型的就是CPU PSW。这类特殊功能寄存器分为两大类，一类是和芯片的引脚有关系，而另外一类作为片内功能的控制所用。P0P3寄存器是与芯片引脚有关的特殊功能寄存器，它们是由4个八位锁存器（每个I/O口一个）组成，而且每个锁存器都有对应的输出和输入缓冲器。MCS51有四个P0P3，而且能够提供双向且具有第二个功能的32根I/O线。 3.2 P0-P3口结构P0口具有以下两种功能：第一种功能，P0口能够作为通用I/O接口，有能够传送CPU的输入和输出数据的P0.7P0.0。输出数据的时候能够锁存，不需要是什么外接锁存器，输入数据的时候能够得到缓冲。第二功能，P0.7P0.0可以传送片外存储器de低8位地址在CPU访问片外存储器的时候，然后传送CPU对片外存储器的读写。P1口 功能：P1口的功能和P0口的第一个功能相同。P2口的功能：P2口的第一功能与以上两个引脚第一功能相同。它的第二功能是被当作地址的总线用在输出片外存储器的高8位地址与P0口引脚的第二功能相互搭配。P3口功能:P3口具这样两种功能：第一功能与其他的三个端口的第一功能一样；第二功能的每个引脚都