函数信号发生器的设计毕业设计.doc

本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 实用信号发生器的设计实用信号发生器的设计 THE DESIGN OF PRACTICAL SIGNAL GENERATOR 学院 部 电气与信息工程学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 指导教师 2011 年 06 月 02 日 安徽理工大学毕业设计 I 实用信号发生器的设计 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 常用的波形发生器多数采用分立元件组成 不但电路复杂 价格昂贵 而且仅 能产生几种常用的信号波形 还很难精确调节各类参数 不能满足实际需要 因此 本课题利用了 AT89S52 单片机 DAC0832 等元件 通过软 硬结合的方式来实现和开发 基于单片机的信号发生器系统 该信号发生器能方便地产生所需信号波形 其频率 波形不但可调 也能满足精度要求 该信号发生器系统是通过一块 AT89S52 单片机控制两片 DAC0832 芯片 其中一片 是产生波形 另一片是调节波形幅度 这种双通道工作方式 可以让波形和幅度的控 制有各自对应的芯片 让其工作起来更加精确 本系统可以产生不同频率 不同幅值 的正弦波 方波和三角波 各种波形在频率要求的范围内基本可以保持很好的形状不 失真 通过键盘可选择各种波形以及调节各波形的频率和幅度 最后通过液晶显示器 把各个波形以及各种参数显示出来 本系统操作起来相当简便 成本也比较低廉 通 过实验测试 系统性能优良 参数精确 不失真 波形的幅度范围 0V 到 5V 频率范 围 1HZ 到 1kHZ 能满足低频测试基本需要 关键词 关键词 AT89S52AT89S52 单片机 单片机 DAC0832DAC0832 液晶显示器 液晶显示器 安徽理工大学毕业设计 II THE DESIGN OF PRACTICAL SIGNAL GENERATOR ABSTRACT Signal generator is a common source of the signal widely used in electronic circuits automatic control system and the teaching experiment The most commonly used by waveform generator composed of discrete components circuit not only complex expensive and can only have several common signal waveform also difficult to adjust various parameters we can not To meet actual needs Therefore the issue of the AT89S52 SCM DAC0832 and other components through software and hardware combination of development and to achieve the signal generator based on the SCM system The signal generator can easily produce the required signal waveform its frequency not only adjustable waveform but also to meet the requirements of precision The signal generator system is controlled by a microcontroller AT89S52 two DAC0832 chip which is generated a wave another film to regulate the rate waveform This dual channel methods of work allows waveform and the magnitude of the control of all of the corresponding chip so work together more precise This system can produce different frequencies different amplitude of the sine wave square wave and triangle wave the wave of various frequencies within the scope of the basic requirements can not maintain a good shape distortion through various optional keyboard and adjust the waveform The frequency and magnitude waveform the final adoption of LCD as well as various parameters of various waveform displayed The system operated with a simple and relatively low cost Through the experimental test excellent performance precise parameters no distortion the wave range 0 V to 5 V the frequency range 1HZ to 1kHZ can meet the basic requirements of low frequency tests KEY WORDS AT89S52 SCM DAC0832 LCD 安徽理工大学毕业设计 i 目录 摘要 中文 I 摘要 外文 II 1 绪论 1 1 1 信号发生器综述 1 1 1 1 信号发生器简介 1 1 1 2 信号发生器实现方式 1 1 1 3 信号发生器的分类 1 1 2 研究信号发生器的目的及意义 2 1 3 本课题的研究现状 3 1 4 主要研究内容 4 2 信号发生器系统设计 5 2 1 系统方案的比较 5 2 2 系统模块方案选择 6 2 2 1 控制模块方案选择 6 2 2 2 显示方案选择 6 2 2 3 键盘方案选择 7 2 2 4 D A 转换方案选择 7 2 3 系统总体方案设计 7 2 4 理论分析 8 2 4 1 电路的理论计算 8 2 4 2 波形产生相关理论 11 3 系统硬件设计 13 3 1 单片机最小系统 13 3 1 1 单片机的介绍及资源分配 13 3 1 2 单片机最小系统及各部分介绍 17 3 2 波形产生模块设计 20 3 2 1 单片机与 DAC0832 的接口 20 3 2 2 幅度控制部分 25 3 2 3 DAC0832 与运放的连接 26 3 3 键盘显示模块设计 27 3 3 1 键盘电路原理 27 安徽理工大学毕业设计 ii 3 3 2 键盘接口设计 29 3 3 3 液晶显示电路 31 4 系统软件设计 32 4 1 系统软件设计方案 32 4 2 系统软件流程图 33 4 3 信号产生子程序流程图 35 4 3 1 正弦波产生 35 4 3 2 三角波产生 36 4 3 3 方波产生 37 4 4 单片机软件开发系统 38 总结 40 参考文献 41 致谢 42 安徽理工大学毕业设计 1 1 绪论 1 1 信号发生器综述 1 1 1 信号发生器简介 信号发生器又称函数发生器 信号源或振荡器 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 锯齿波 矩形波 含方波 正弦波的电路被称为函数信号发生器 函数信号发 生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途 例如在通信 广播 电视系统中 都需要射频 高频 发射 这里的射频波就是载波 把音频 低频 视频信号或脉冲 信号运载出去 就需要能够产生高频的信号发生器 在工业 农业 生物医学等领域 内 如高频感应加热 熔炼 淬火 超声诊断 核磁共振成像等 都需要功率或大或 小 频率或高或低的信号发生器 1 1 2 信号发生器实现方式 根据其频率发生方法可分为谐振法和合成法两种 一般的传统发生器都是采用谐 振法 即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡 来获得所需频率 也可以根据频 率合成技术来获得所需频率 称为频率合成器 函数信号发生器的实现方法通常有以下几种 1 用分立元件组成的函数发生器 通常的单函数发生器频率可调范围不大 其 工作不很稳定 不易调试 2 可以由晶体管 运放 IC 等通用器件制作 更多的则是用专门的函数信号发生 器 IC 产生 早期的函数信号发生器 IC 如 L8038 BA205 XR2207 2209 等 它们的功 能较少 精度不高 频率上限只有 300kHz 无法产生更高频率的信号 调节方式也不 够灵活 频率和占空比不能独立调节 二者互相影响 3 利用单片集成芯片的函数发生器 能产生多种波形 达到较高的频率 且易 于调试 鉴于此 美国美信公司开发了新一代函数信号发生器 ICMAX038 它克服了 2 中芯片的缺点 可以达到更高的技术指标 是上述芯片望尘莫及的 MAX038 频率 高 精度好 因此它被称为高频精密函数信号发生器 IC 在锁相环 压控振荡器 频 率合成器 脉宽调制器等电路的设计上 MAX038 都是优选的器件 4 利用专用直接数字合成 DDS 芯片的函数发生器 能产生任意波形并达到很高 的频率 但成本较高 1 1 3 信号发生器的分类 信号发生器按其信号波形分为四大类 正弦信号发生器 主要用于测量电路和 安徽理工大学毕业设计 2 系统的频率特性 非线性失真 增益及灵敏度等 按其不同性能和用途还可细分为低 频 20 赫至 10 兆赫 信号发生器 高频 100 千赫至 300 兆赫 信号发生器 微波信 号发生器 扫频和程控信号发生器 频率合成式信号发生器等 函数 波形 信号 发生器 能产生某些特定的周期性时间函数波形 正弦波 方波 三角波 锯齿波和 脉冲波等 信号 频率范围可从几个微赫到几十兆赫 除供通信 仪表和自动控制系 统测试用外 还广泛用于其他非电测量领域 脉冲信号发生器 能产生宽度 幅度 和重复频率可调的矩形脉冲的发生器 可用以测试线性系统的瞬态响应 或用作模拟 信号来测试雷达 多路通信和其他脉冲数字系统的性能 随机信号发生器 通常又 分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类 噪声信号发生器主要用途为 在待测 系统中引入一个随机信号 以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能 外加一个 已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数 用随机信号代替正弦或脉冲信号 以测定系统动态特性等 当用噪声信号进行相关函数测量时 若平均测量时间不够长 会出现统计性误差 可用伪随机信号来解决 1 2 研究信号发生器的目的及意义 信号发生器是信号源的一种 主要给被测电路提供所需要的己知信号 各种波形 然后用其它仪表测量感兴趣的参数 可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中 它的应用非常广泛 它不是测量仪器 而是根据使用者的要求 作为激励源 仿真各 种测试信号 提供给被测电路 以满足测量或各种实际需要 信号发生器是一种经常 使用的设备 但由纯粹物理器件构成的传统的设计方法存在许多弊端 如 体积较大 重量较沉 移动不够方便 信号失真较大 波形种类过于单一 波形形状调节过于死 板 无法满足用户对精度 便携性 稳定性等的要求 研究设计出一种具有频率稳定 准确 波形质量好 输出频率范围宽 便携性好等特点的波形发生器具有较好的市场 前景 以满足军事 民用 教学科研领域对信号源的要求 在现代社会中 自动化技术已经渗透到社会生活的各个领域中 其中 信号发生 器是自动化领域中的一个典型应用 例如 在超声波测量技术中 超声换能器 发射换 能器和接收换能器 是超声波检测技术的核心部件 高精度 宽频率范围 高稳定性 的激励源对发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用 传统 的波形发生器通常由晶体管 运放 IC 等分离元件制成 与此相比 基于集成芯片的波 形发生器具有高频信号输出 波形稳定 控制简便等特点 因为现代的自动化控制中 基本都会利用信号来控制设备的工作 利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控 制中的一个重要的手段 那么一个幅度 频率 占空比以及波形可调的信号发生器的 设计和完成更具有使用价值 使用单片机设计的多功能信号发生器 不仅减少了器件 简化了电路 节约了成本 更使得系统稳定节能 方便快捷地输出多种低频信号 这种结 安徽理工大学毕业设计 3 构简单 成本低廉但是性能优良的信号发生装置已经越来越广泛地应用在现代化控制 领域的各个方面 无论是工业 民用 航空 军事还是商业领域都有信号发生装置的 设计应用产品 本课题的目的是充分运用大学期间所学的专业知识 考察现有信号发生器的优缺 点 设计一个频率和幅值可调的信号发生器 通过该课题的设计以掌握单片机系统的 软硬件开发过程和基本信号的产生原理 测量及误差分析方法 同时掌握信号发生器 系统的设计流程 培养我们综合运用所学的基本知识 基本理论和基本技能的能力 学习解决一般工程技术和有关专业问题的能力 学习工程设计和科学研究的基本方法 完成对所学知识的综合训练 通过这个信号发生器的设计 不但可以融会贯通以前所 学的专业知识对以后学习和工作也会有很大帮助的 1 3 本课题的研究现状 过去由于频率很低 应用的范围比较狭小 输出波形频率的提高 使得波形发生 器能应用于越来越广的领域 波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方 便和容易 波形发生器通常允许用一系列的点 直线和固定的函数段把波形数据存入 存储器 同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式 复杂的波形可以由几个比较 简单的公式复合成 v f t 形式的波形方程的数学表达式产生 从而促进了波形发生器 向任意波形发生器的发展 各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术 起到了推动作用 目前可以利用可视化编程语言 如 Visual Basic Visual C 等等 编 写任意波形发生器的软面板 这样允许从计算机显示屏上输入任意波形 来实现波形 的输入 函数发生器既可以构成独立的信号源 也可以是高性能网络分析仪 频谱仪及其 它自动测试设备的组成部分 函数发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术 因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源 可使相应系统的检测过程大大简化 降低检测费用并极大地提高检测精度 美国安捷伦生产的 33250A 型函数 任意波形发 生器可以产生稳定 精确和低失真的任意波形 其输出频率范围为 1 Hz 80MHz 而 输出幅度为 10mVpp 10Vpp 该公司生产的 8648D 射频信号发生器的频率覆盖范围更可 高达 9kHz 4GHz 国产 SG1060 数字合成信号发生器能双通道同时输出高分辨率 高精 度 高可靠性的各种波形 频率覆盖范围为 1 Hz 60MHz 国产 S1000 型数字合成扫 频信号发生器通过采用新技术 新器件实现高精度 宽频带的扫频源 同时应用 DDS 和锁相技术 使频率范围从 1MHz 1024MHz 能精确地分辨到 100Hz 它既是一台高精度 的扫频源 同时也是一台高精度的标准信号发生器 还有很多其它类型的信号发生器 他们各有各的优点 但是函数发生器总的趋势将向着宽频率覆盖 高频率精度 多功 能 多用途 自动化和智能化方向发展 安徽理工大学毕业设计 4 目前 市场上的信号发生器多种多样 一般按频带分为以下几种 超高频 频率范围 1MHz 以上 可达几十 MHZ 高频 几百 KHZ 到几 MHZ 低频 频率范围为几十 HZ 到几百 KHZ 超低频 频率范围为零点几赫兹到几百赫兹 超高频 信号发生器 产生波形一般用 LC 振荡电路 高频 低频和超低频信号发生器 大多使 用文氏桥振荡电路 即 RC 振荡电路 通过改变电容和电阻值 改变频率 用以上原理设计的信号发生器 其输出波形一般只有两种 即正弦波和脉冲波 其零点不可调 而且价格也比较贵 一般在几百元左右 在实际应用中 超低频波和 高频波一般是不用的 一般用中频 即几十 HZ 到几十 KHZ 用单片机 89S52 加上一片 DAC0832 就可以做成一个简单的信号发生器 其频率受单片机运行的程序的控制 我 们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 DAC0808 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 便于携带 1 4 主要研究内容 1 理论基础分析 了解波形发生器的相关理论 包括几种常用波形 如正弦波 方波等 然后介绍了波形发生器的主要方案及原理 2 硬件系统设计 主要包括以下几个模块 串口电路 键盘 LED 显示电路 单片机系统 DAC 芯片和放大电路设计 3 软件系统设计 主要有 系统总体流程设计 串口程序设计 单片机程序设 计 键盘响应程序设计 LED 显示程序设计 DAC 控制程序设计 4 系统仿真调试 通过计算机进行模拟仿真调试 安徽理工大学毕业设计 5 2 信号发生器系统设计 2 1 系统方案的比较 信号发生器的设计方案可用多种方案来完成 在设计前对各种方案进行了比较 方案一 采用函数信号发生器 ICL8038 集成模拟芯片 它是一种可以同时产生方 波 三角波 正弦波的专用集成电路 但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形 会寄生一些高次谐波分量 采用其他的措施虽可滤除一些 但不能完全滤除掉 方案二 采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器 然后根据需要加入积分器 比较器等构成正弦 矩形 三角等波形发生器 这种信号发生器输出频率范围窄 而 且电路参数设定较繁琐 其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现 操 作不方便 方案三 使用传统的锁相频率合成方法 通过芯片 IC145152 压控振荡器搭接的 锁相环电路输出稳定性极好的正弦波 再利用过零比较器转换成方波 积分电路转换 成三角波 使用锁相环通过分频运算实现频率的步进 这种方案频率稳定度高 但程 控比较困难 而且步进范围过大 鉴于锁相环技术比较复杂不易实现 没有采用这种 方案 方案四 利用 MAX038 芯片组成的电路输出波形 MAX038 是精密高频波形产生电 路 能够产生准确的三角波 方波和正弦波三种周期性波形 但此方案成本高 程序 复杂度高 方案五 利用 AT89S52 单片机采用程序设计方法产生锯齿波 正弦波 矩形波三 种波形 再通过 D A 转换器 DAC0832 将数字信号转换成模拟信号 滤波放大 最终由 示波器显示出来 通过键盘来控制三种波形的类型选择 频率变化 最终输出显示波 形的种类及频率 使用单片机的定时器设置定时时间 每半个周期对 I O 口取反一次 从而实现频率输出 这种方案虽然在高频频段误差比较大 但是编程简单控制容易 它的特点是价格低 性能高 在低频范围内稳定性好 操作方便 体积小 耗电少 使用专用函数发生电路 如 ICL8038 或 MAX038 通过 D A 转换调整函数发生器控 制电压实现频率的控制 这种方案可以使频率连续可调 省却了波形转换电路 但控 制电压与频率的变化不是严格的线性关系 如果不加频率负反馈则频率无法稳定准确 加上频率负反馈将使电路大大复杂 稳定度也会下降 而且如果要实现比较大的带宽 就需要不断更换振荡电容 电路复杂程度进一步增加 为避免调试困难 没有采用这 种方案 综合比较 方案五既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势 电路 简单 易控制 性价比较高 且系统扩展 系统配置灵活 容易构成各种规模的应用 系统 单片机具有可编程性 硬件的功能描述可完全在软件上实现 而且设计时间短 成本低 可靠性高 所以采用方案五 安徽理工大学毕业设计 6 2 2 系统模块方案选择 该信号发生器有以下几部分组成 1 控制模块 2 按键及其显示模块 3 D A 转换模块三部分组成 2 2 1 控制模块方案选择 方案一 用单片 AT89S52 作为系统的主控核心 AT89S52 单片机是一种高性能 8 位 单片微型计算机 它把构成计算机的中央处理器 CPU 存储器 寄存器 I O 接口制作 在一块集成电路芯片中 从而构成较为完整的计算机 单片机具有体积小 使用灵活 的 易于人机对话和良好的数据处理 有较强的指令寻址和运算功能等优点 且单片 机功耗低 价格低廉的优点 方案二 用 FPGA 等可编程器件作为控制模块 FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能 密度高 速度快 稳定性好等许多有点 FPGA 在掉电后会丢失数据上电后须进行一次 配置 因此 FPGA 在应用中需要配置电路和一定的程序 并且 FPGA 作为数字逻辑器件 竞争 冒险是数字逻辑器件较为突出的问题 因此在使用时必须注意毛刺的产生 消 除及抗干扰性 方案三 C8051F005 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 具有与 8051 兼容 的微控制器内核 与 MCS 51 指令集完全兼容 除了具有标准 8052 的数字外设部件 片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件 而 且执行速度快 方案选择 在此系统中 采用单片机作为控制器比采用 FPGA 实现更简便 且单片 机性价比更高 故选择单片机 方案三中 C8051F005 芯片系统内部结构复杂 不易控 制 芯片成本高 价格较贵 对于本系统而言利用率低 而 AT89S52 芯片比较常用 简单易控制 成本低 性能稳定 故采用方案一 2 2 2 显示方案选择 方案一 采用 LED 数码管 LED 数码管由 8 个发光二极管组成 每只数码管轮流显 示各自的字符 由于人眼具有视觉暂留特性 当每只数码管显示的时间间隔小于 1 16s 时人眼感觉不到闪动 看到的是每只数码管常亮 使用数码管显示编程较易 但占用 系统资源较多 并且效率低 要显示的内容多 而且数码管不能显示字母 方案二 采用 LCD 液晶显示器 其功率小 效果明显 显示编程容易控制 可以 显示字母 以上两种方案综合考虑 选择方案二 安徽理工大学毕业设计 7 2 2 3 键盘方案选择 方案一 采用矩阵式键盘 矩阵式键盘的按键触点接于由行 列母线构成的矩阵 电路的交叉处 当键盘上没有键闭合时 所有的行和列线都断开 行线都呈高电平 当某一个键闭合时 该键所对应的行线和列线被短路 方案二 编码式键盘 编码式键盘的按键触点接于 74LS148 芯片 当键盘上没有 闭合时 所有键都断开 当某一键闭合时 该键对应的编码由 74LS148 输出 方案三 为了提高单片机的资源利用率和运行的效率 按键显示部分我们直接使用 zlg7289 扩展键盘 键盘与单片机连接 zlg7289 芯片与单片机之间通信方便 而且由 zlg7289 对键盘进行自动扫描 可以去抖动 充分的提高了单片机的工作效率 在次系统中 我们直接采用 zlg7289 扩展键盘实现更简便 确定选择方案三 2 2 4 D A 转换方案选择 单片机输出的是数字信号 必须通过 D A 转换后才能变成模拟信号 方案一 采用 D A 转换器 AD7543 AD7543 是一种串行的 D A 转换器 与单片机之 间的连线少 布线方便 而且又是 12 位的 D A 转换器 精度高 但串行数据传输速度 慢 当频率较高时 必须减少每周期输出的点数 这将会导致阶梯现象更加明显 因此 此 方案不宜使用 方案二 采用 DAC0832 这是 8 位的并行 D A 转换器 转换速度快 方案三 采用 2 片 DAC0832 如图 2 1 由其中一芯片的输出电压作为另一芯片的 参考电压 这样就可以方便的控制最大输出电压 单 片 机 1 号 D A 转换器 2 号 D A 转换器 参考电压 输出 图 2 图 2 1 2 片 D A 与单片机的接口方案 若采用方案二 在输出电压较低的情况下 比如为 1V 时 输出的最大电压只有参 考电压的 1 5 这将会使精度降低 而方案三刚好可以解决这个问题 因此 本系统选 择了方案三 2 3 系统总体方案设计 基本原理 信号发生器采用的是直接数字合成的方法 单片机向 DAC0832 发送数 字编码 产生不同的输出 先利用采样定理对各波形进行抽样 然后把各采样值进行 安徽理工大学毕业设计 8 编码 得到的数字量存入各个波形表 执行程序时通过查表方法依次取出 经过 D A 转换后输出就可以得到波形 假如 N 个点构成波形的一个周期 则 DAC 0832 输出 N 个 样值点后 样值点形成运动轨迹 即一个周期 重复输出 N 个点 成为第二个周期 利用单片机的晶振控制输出周期的速度 也就是控制了输出的波形的频率 这样就控 制了输出的波形及其幅值和频率 将波形数据存储于存储器中 而后用可程控的时钟 信号为存储器提供扫描地址 与每个地址相对应的数据则代表波形在等间隔取样点上 的幅度值 数据被送至 DAC 从而产生一个正比于其数字编码的电压值 每个电压值保 持一个时钟周期 直至新的数据送至 DAC 经数模转换后得到所需要的模拟电压波形 本系统由电源 单片机 89S52 显示部分 键盘部分 2 片 8 位 D A 转换芯片 DAC0832 组成的数模转换部分 放大及幅度调节 波形信号输出部分组成 波形的产生 是通过 AT89S52 执行某一波形发生程序 向 D A 转换器的输入端按一定的规律发生数 据 从而在 D A 转换电路的输出端得到相应的电压波形 当操作者根据要求对键盘进 行操作 然后单片机处理器部分通过软件编程来选择各种波形 幅值电压和频率 并 让显示部分显示出波形种类和频率大小 实现正弦波 方波 三角波 锯齿波这四种 常见波形的产生及显示相互切换的功能 其中电源部分是保证对各个部分的供电 其 结构框图如图 2 2 所示 电源单片机89S52 显示部分 键盘部分 数模转换 放大及 幅度调节 信号输出 图 2 2 系统总体结构框图 2 4 理论分析 2 4 1 电路的理论计算 由图 2 3 可知到 U5 的输出将作为 DAC0832 2 的基准电压 假设运放 U6 的输入为 DAC0832 2 的内部的电阻为 设 U5 的输入电压为 1 V 1 R 2 V DAC0832 2 的内部的电阻为 下面进行讨论计算 2 R 安徽理工大学毕业设计 9 1 U6 为一个反相比例器 1281 11 1281 out out URV UV RRR lsbDI0 7 DI1 6 DI2 5 DI3 4 DI4 16 DI5 15 DI6 14 msbDI7 13 CS 1 Xfer 17 Vcc 20 Iout1 11 Iout2 12 Rfb 9 Vref 8 ILE 19 WR2 18 WR1 2 U3DAC0832 2 lsbDI0 7 DI1 6 DI2 5 DI3 4 DI4 16 DI5 15 DI6 14 msbDI7 13 CS 1 Xfer 17 Vcc 20 Iout1 11 Iout2 12 Rfb 9 Vref 8 ILE 19 WR2 18 WR1 2 U4DAC0832 1 GND GND 5V 5V 5V 5V 48 2 3 1 U4A NE5532 48 2 3 1 U6A NE5532 48 2 3 1 U5A NE5532 12V R11 1K R16 1K R12 1K 12V 12V 12V GND R25 30 40K Uout1 Uout2 Uout2 R28 10K R26 20K 12V 12v Uout3 GND 图 2 3 信号输出放大电路 2 U5 也为一个反相比例器 2262 22 2262 out out URV UV RRR 这是 U4 的输入为 记为 V 12 U U outout 由于 这是 U4 实际上为为一个反相跟随器 即 2514 RR 312outoutout UVUU 所以 28262826 31212 1212 out RRRR UVVVV RRRR 安徽理工大学毕业设计 10 3 本设计中的运放的连接的第二部分参考图 3 11 对于本运放组成的电路分析采用叠加法 设 U2 的输出为 out4 U 当电源全部接地时 有如下 12 此时的运放实际为一个反相比例器 111161212 RRRRR 右左 113 3 113141 149 out RR UU RRRUU RR 9113 1out3 1411314 UU R RR RRRR 当 12V 和接地时 out3 U 2161312 RRRR 右 2 21112 2 139 U 12 UU R RRR RR 左 92 2 1321112 U12 RR RRRR 左 当 12V 和接地时 out3 U 3111312 3 31612 3 139 93 3 1331112 U 12 UU U12 RRRR R RRR RR RR RRRR 左 右 左 所以综上所述 为 三者之和 out4 U 1 U 2 U 3 U 即 out4123 UU U U 91139932 out4out33 141131413211133111212 9113932 out3 1411314132113111212 UU12U12 U12 R RRRRRR RRRRRRRRRRRR R RRRRR RRRRRRRRRRR 左左 左左 下面对的结果作一些辅助说明 out4 U 安徽理工大学毕业设计 11 特例 当时 23 RR 9113 out41out3 1411314 UUU R RR RRRR 以下进行代入数据的具体的分析 于是对于将图 2 3 与图 3 11 连在一起时 波形输出与调节部分的理论计算 DAC 转换部分电路图如图所示 当单片机分别向 DAC0832 1 和 DAC0832 2 输入数据和时 1 D 2 D 2 1 0222 U DVR 12 D 256 2 2 011021 U DVR UD 256 2 3 031010231 U R RU UR R 其中 代入以上各式 得 13 R R 10k 2 R 20k 2 4 0021 U U D 128 1 2 或着 2 5 1002 D 128 U U 1 由 2 4 式可知 当在 0 255 之间变化时 可在 之间 1 D 0 U 02 U 2 02 U 2 变化 即输出信号的峰峰值可由控制 02 U 该电路由 102 电位器串接 2 个 1电阻实现调节直流偏移 电位器触头在最右端k 和最左端时 电位器输出的电压分别为 5v 和 5v 电位器的电压与通过一个加法器 0 U 后 实现直流偏移的调节 2 4 2 波形产生相关理论 DAC0832 是 8 位的 D A 转换器件 其工作电压是 0 5V 当输入 00 数字量的时候 输出为 0V 电压 当输入 80 数字量的时候 输出为 2 5V 电压 当输入 FF 数字量的时 候 输出为 5V 电压 单片机的 I O 输出均为 5 V 的 TTL 电平 因此产生的正弦波幅值 为 2 5 V 将一个周期内的正弦波形等分为 256 份 那么第 1 点的角度为 0 对应的 正弦值为 2 5sin0 第 2 点的角度为 360 256 对应的正弦值为 2 5sin 360 256 如此计算下去 将这些模拟量正弦值都转换为单极性方式下的数字量 得到一张按照点号顺序排列的正弦波波形数据表 而每次送到 74LS373 的八位数字量 是根据查正弦波形数据表格而得到 其实在计算正弦波形数据的时候 并不需要算出整个 0 2 区间的每一个值 而 只需计算出 0 中的值就行 其他区间的值都可以通过对 0 中的值取不同 2 1 2 1 安徽理工大学毕业设计 12 的变换 比如 的值可以和 0 值一一对应 而 2 的值可以对 0 2 1 2 1 区间的值取反得到 计算值可以用 C 语言编程得到 幅度公式为 Y 2 5 1 sin N 0 1 2 64 N 64 90 相应的 Y 值数字化后的递增量 0 0196 255 5 那么每一个点相对于起一个点的递增率为 A Y2 当前的点 Y1 为前 12YY 一个点 所以每一个点的数字量与递增率 A 成一一对应关系 安徽理工大学毕业设计 13 3 系统硬件设计 3 1 单片机最小系统 3 1 1 单片机的介绍及资源分配 1 AT89S52 的引脚图如图 3 1 所示 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 U1 AT89S52 VCC RST 图 3 1 AT89S52 引脚图 AT89S52 单片机是一个低功耗 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 8k Bytes ISP In system programmable 的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器 器件 采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术制造 兼容标准 MCS 51 指令系统及 80C51 引脚结构 芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元 功能强大 的微型计算机的 AT89S52 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案 2 管脚说明 低频信号发生器采用 AT89S52 单片机作为控制核心 其内部组成 包括 一个 8 位的微处理器 CPU 及片内振荡器和时钟产生电路 但石英晶体和微调电 容需要外接 片内数据存储器 RAM 低 128 字节 存放读 写数据 高 128 字节被特殊功 能寄存器占用 片内程序存储器 4KB ROM 四个 8 位并行 I O 输入 输出 接口 P3 P0 每个口可以用作输入 也可以用作输出 两个定时 计数器 每个定时 计数器都 可以设置成计数方式 用以对外部事件进行计数 也可以设置成定时方式 并可以根 据计数或定时的结果实现计算机控制 五个中断源的中断控制系统 一个全双工 UART 通用异步接收发送器 的串行 I O 口 安徽理工大学毕业设计 14 VCC 供电电压 GND 接地 RST 复位输入 当振荡器复位器件时 要保持 RST 脚两个机器周期的高电平时间 ALE PROG 当访问外部存储器时 地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位 字节 在 FLASH 编程期间 此引脚用于输入编程脉冲 在平时 ALE 端以不变的频率周 期输出正脉冲信号 此频率为振荡器频率的 1 6 因此它可用作对外部输出的脉冲或用 于定时目的 然而要注意的是 每当用作外部数据存储器时 将跳过一个 ALE 脉冲 如想禁止 ALE 的输出可在 SFR8EH 地址上置 0 此时 ALE 只有在执行 MOVX MOVC 指 令是 ALE 才起作用 另外 该引脚被略微拉高 如果微处理器在外部执行状态 ALE 禁 止 置位无效 PSEN 外部程序存储器的选通信号 在由外部程序存储器取指期间 每个机器周 期两次 PSEN 有效 但在访问外部数据存储器时 这两次有效的 PSEN 信号将不出现 EA VPP 当 EA 保持低电平时 则在此期间外部程序存储器 0000H FFFFH 不 管是否有内部程序存储器 注意加密方式 1 时 EA 将内部锁定为 RESET 当 EA 端保 持高电平时 此间内部程序存储器 在 FLASH 编程期间 此引脚也用于施加 12V 编程 电源 VPP XTAL1 反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入 XTAL2 来自反向振荡器的输出 89S52 单片机外部有 32 个端口可供用户使用 其功能如下 表 3 1 89S52 并行 I O 接口 第一功能第二功能端口引脚位 置 符号 功能符号功能 P039 32P0 0 P0 7 通用 I 0 口 AD0 AD7 地址数据总线 P11 8P1 0 P1 7 通用 I 0 口 P221 28P2 0 P2 7 通用 I 0 口 A8 A15 地址总线 高位 10P3 0RXD 串行通信发送口 11P3 1TXD 串行通信接收口 12P3 2INT0 外部中断 0 13P3 3INT1 外部中断 1 14P3 4T0 计数器 0 输入端口 15P3 5T1 计数器 1 输入端口 16P3 6WR 外部存储器写功能 P3 17P3 7 通用 I 0 口 RD 外部存储器读功能 P0 口 P0 口为一个 8 位漏级开路双向 I O 口 每脚可吸收 8TTL 门电流 当 P1 口 的管脚第一次写 1 时 被定义为高阻输入 P0 能够用于外部程序数据存储器 它可以 被定义为数据 地址的第八位 在 FIASH 编程时 P0 口作为原码输入口 当 FIASH 进 行校验时 P0 输出原码 此时 P0 外部必须被拉高 安徽理工大学毕业设计 15 P1 口 P1 口是一个内部提供上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 口缓冲器能接收输出 4TTL 门电流 P1 口管脚写入 1 后 被内部上拉为高 可用作输入 P1 口被外部下拉为 低电平时 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 在 FLASH 编程和校验时 P1 口作 为第八位地址接收 P2 口 P2 口为一个内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 口缓冲器可接收 输出 4 个 TTL 门电流 当 P2 口被写 1 时 其管脚被内部上拉电阻拉高 且作为输入 并 因此作为输入时 P2 口的管脚被外部拉低 将输出电流 这是由于内部上拉的缘故 P2 口当用于外部程序存储器或 16 位地址外部数据存储器进行存取时 P2 口输出地址 的高八位 在给出地址 1 时 它利用内部上拉优势 当对外部八位地址数据存储器 进行读写时 P2 口输出其特殊功能寄存器的内容 P2 口在 FLASH 编程和校验时接收高 八位地址信号和控制信号 P3 口 P3 口管脚是 8 个带内部上拉电阻的双向 I O 口 可接收输出 4 个 TTL 门电 流 当 P3 口写入 1 后 它们被内部上拉为高电平 并用作输入 作为输入 由于 外部下拉为低电平 P3 口将输出电流 ILL 这是由于上拉的缘故 P3 口也可作为 AT89S52 的一些特殊功能口 如下所示 口管脚 备选功能 P3 0 RXD 串行输入通道 P3 1 TXD 串行输出通道 P3 2 INT0 外中断 0 P3 3 INT1 外中断 1 P3 4 T0 定时器 0 外部输入 P3 5 T1 定时器 1 外部输入 P3 6 WR 外部数据存储器写选通 P3 7 RD 外部数据存储器读选通 3 AT89S52 的晶振及其连接方法 CPU 工作时都必须有一个时钟脉冲 有两种方式可以向 89S52 提供时钟脉冲 一是外部时钟方式 即使用外部电路向 89S52 提供时钟脉冲 见图 3 2 a 二是内部时钟方式 AT89S52 内部有一个高增益的 反相放大器 通过 XTAL1 和 XTAL2 引脚外接石晶振子 微调电容构成振荡器 该振荡 器发出的脉冲直接送入内部时钟电路 即使用晶振由 89S52 内部电路产生时钟脉冲 一般常用第二种方法 其电路见图 3 2 b J 一般为石英晶体 其频率由系统需要和器件决定 在频率稳定度要求不高时也可 以使用陶瓷滤波器 一般来说 使用石英晶体时 C1 C2 30 10 pF 晶体的振荡 频率范围为 1 12MHz 使用陶瓷滤波器时 C1 C2 40 10 pF 安徽理工大学毕业设计 16 89S52 XTAL2 XTAL1 89S52 XTAL2 XTAL1 悬空 外部时钟 信号 C1 C2 J a 外部时钟方式 b 内部时钟方式 图 3 2 89S52 的时钟电路 4 AT89S52 的复位 复位是单片机的初始化操作 其主要的作用是把 PC 始化 为 0000H 使单片机从 0000H 单元开始执行程序 除了进入系统的正常初始化之外 当 由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时 为摆脱困境 也需要按复位键 以重新启动 除使 PC 归零外 复位操作还对其他一些专用寄存器有影响 它们的复位 状态如表 3 2 所示 另外 复位操作还对单片机的个别引脚有影响 例如会把 ALE 和 PSEN 变成无效状 态 即使 ALE 0 PSEN 1 RST 变成低电平后 退出复位状态 CPU 从初始状态开始工 作 表 3 2 复位后的内部寄存器状态 寄存器复位状态寄存器复位状态 PC 0000H TMOD00H ACC00HTCON00H B00HTH000H PSW00HTL000H SP07HTH100H DPTR0000HTL100H P0 P30FFHSCON00H IP xxx00000 SBUF xxxxxxxx IE 0 xx00000 PCON 0 xxx0000 89S52 复位操作有 3 种方式 上电复位 上电按钮复位 即手动复位 和系统自动 复位 上电复位电路如图 3 3 所示 上电复位要求接通电源后 自动实现复位操作 对于 CMOS 型单片机因 RST 引脚的内部有一个拉低电阻 故电阻 R 可不接 振荡器工作 时 单片机在上电瞬间 RC 电路充电 RST 引脚端出现正脉冲 只要 RST 端保持两个 机器周期以上的高电平 就能使单片机有效地复位 当晶体振荡频率为 12MHz 时 RC 的典型值为 C 10uF R 8 2K 欧姆 简单复位电路中 干扰信号易串入复位端 可能会 引起内部某些寄存器错误复位 这时可在 RST 引脚上接一去耦电容 安徽理工大学毕业设计 17 通常因为系统运行等的需要 常常需要人工按钮复位 复位电路如图 3 4 所示 其中 R2 R1 R1 也可不接 只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路 按下开关 一定时间就能使 RST 引脚端为高电平 从而使单片机复位 自动复位 设计一个复位电 路 当系统满足某一条件时自动产生一个复位信号 RST 89S52 RST 89S52 5V C R 5V R1R2 C 图 3 3 上电复位电路 图 3 4 上电按钮复位电路 关于 CPU 的复位电路应当注意 在调试单片机程序时有两种工作方式 一是仿真 器方式 主要用于调试程序 此时程序的执行由仿真器控制 复位电路不起作用 系 统时钟也经常设置为仿真器产生 此时用户的晶振也不起作用 二是用户方式 即脱 离仿真器的实际工作方式 用户的时钟振荡电路和复位电路都必须正常工作 因此 如果系统复位电路或晶