波形发生器设计.doc

中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 0 页 1 1 引言引言 信号发生器又称信号源或振荡器 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振荡器 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 频率或高或低的振荡器 2 2 设计目的设计目的 利用 MCS 51 单片机及相关元器件设计一频率可调的波形发生器 3 3 设计要求设计要求 1 使用 DAC0832 和 CPU 相连 编制程序产生三角波 锯齿波 方波 2 波形频率在 1KHZ 10KHZ 间可调 3 频率分辨率为 50Hz 4 4 设计思路设计思路 首先利用定时器编写产生定时脉冲的函数 然后编写能产生各种波形的函 数 再通过编写按键的程序 按键要求功能有选择波形种类 改变定时器初值 有加和减 所以用到的按键也就只有三个 定时器的作用是产生不同频率的波 形 产生三角波的原理也就是通过 DAC0832 从 0 一直加到最大值 这样看到的 就是一条斜线 然后再从最大值减到 0 就成三角波了 锯齿波就容易了从 0 加 到最大值 然后再给他赋值为 0 就是锯齿波了 通过加的时间间隔就可以控制 频率 而通过按键对定时器的赋值就可以改变间隔的大小 从而控制频率的大 小 5 设计思路 在 MCS 51 单片机的控制下 产生三角波 锯齿波 方波 三种波形所采 用的硬件接口都是一样的 由于控制程序不同而产生不同的波形 将该任务分成四个模块进行设计 分别为 锯齿波模块 三角波模块 方波模 块 将所有模块拼合成总体模块 6 6 程序流程图程序流程图 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 1 页 图 1 7 7 波形图设计波形图设计原理原理 7 17 1 DAC0832DAC0832 DAC0832 是 8 位分辨率 D A 转换集成芯片 与处理器完全兼容 具有价格 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 转换器由八位输入锁存器 八位 DAC 寄存器 八位 D A 转换电路以及 转换电路构成 DAC0832 输出是电流型的 但实际应用中往往需要电压输出信号 所以还 必须一个外接的运算放大器转换称电压 其引脚如下图 1 所示 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 2 页 图 2 DAC0832 引脚图 D0 D7 八位数据输入线 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 输入寄存器的写选通信号 低电平有效 XFER 数据传送控制信号输入线 低电平有效 WR2 DAC 寄存器写选通输入线 低电平有效 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 OUT1 之和为一常数 RFB 反馈信号输入线 芯片内部有反馈电阻 Vcc 电源输入线 5 15V Vref 基准电压输入线 10 10V AGND 模拟地 模拟信号和基准电源的查考地 DGND 数字地 两种地线在基准电源共处比较好 根据对 DAC0832 的数据锁存器和 DAC 寄存器的不同的控制方式 DAC0832 有三种工作方式 直通方式 单缓冲方式和双缓冲方式 可用软件指令控制这 5 个控制端 ILE CS WR1 WR2 XFER 直通工作方式 5 个控制端均有效 直接 D A 转换 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 3 页 单缓冲工作方式 5 个控制端一次选通 即两个输入寄存器中任意一个 处于直通方式 另一个工作于受控方式 双缓冲工作方式 5 个控制端分二次选通 即两个锁存器都处于受控状 态 本次设计我们让 DAC0832 工作于单缓冲器方式 它的 ILE 接 5V CS 和 XFER 相连后由 8051 的 P2 7 控制 WR1 和 WR2 相连后由 8051 的 WR 控制 DAC0832 的地址为 7FFFH 工作于单缓冲器方式 执行一次对 DAC0832 的写入操 作即可完成一次 D A 转换 8 8 波型分析及流程图波型分析及流程图 8 18 1 锯齿波模块锯齿波模块 8051 单片机的累加器 A 从 0 开始循环增量 每增量一次向 DAC0832 写入一 个数据 得到一个输出电压 这样可以获得一个正向的阶梯波 DAC0832 的分辨率为 8 位 如其满足的电压为 5V 则一个阶梯的幅度为 5V 2 2 2 2 2 2 2 2 19 5mV 程序如下 LOOP1 正向锯齿波 MOV R1 02H 1us LCALL DISP 2us L11 MOV R3 00H 1us L12 MOV A R3 1us MOVX DPTR A 2us INC R3 1us CJNE R3 0FFH L12 2us JB P2 1 STR 2us AJMP L11 2us 程序从标号 LOOP1 处执行到指令到执行 AJMP LOOP 共需 14 个机器周期 采 用 12MHZ 的晶振 一个机器周期为 1us 则每个阶梯的时间为 t 14 1us 一个正 向阶梯波的总周期的总时间为 T 255 t 3570us 即此阶梯波的重复频率为 F 1 3570 280HZ 由此可见 由软件来产生波形 其频率是较低的 要想提高频 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 4 页 率 可通过改进程序 减少执行时间 但这种方法是有限的 根本的办法还得 靠改进路 图 3 锯齿波 由图 4 可见 由于每一个阶梯波较小 总体看起来是一个锯齿波 如果要改 变这种波形的周期 可采用延时的方法 程序若如下 DELAY MOV R6 0AH 延时 1ms 子程序 DEL2 MOV R7 32H DEL1 DJNZ R7 DEL1 DJNZ R6 DEL2 RET 在延时子程序中改变延时时间的长短 即可改变输出波形的周期 锯齿波流程图 开始 数字量 00 送 A 输出对应于 A 的模拟量 A DPTR A 1 A 图 4 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 5 页 锯齿波仿真波形 图图 5 5 8 28 2 三角波模块三角波模块 在以上这个正向的锯齿波的前提下 若要获得负向的锯齿波只需将以上程 序中的指令 INCA 换成指令 DECA 即可 如果想获得任意起始电压和终止电压的 波形 则需先确定起始电压和终止电压所对应的数字 程序中首先从起始电压 对应的数字量开始输出 当达到终止电压对应的数字量时返回 如此反复 将 正向锯齿波与负向锯齿波组合起来就可以获得三角波 程序如下 LOOP2 三角波 MOV R1 03H LCALL DISP L21 MOV R3 00H L22 MOV A R3 MOVX DPTR A INC R3 CJNE R3 0FFH L22 L23 DEC R3 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 6 页 MOV A R3 MOVX DPTR A CJNE R3 00H L23 JB P2 2 STR AJMP L21 三角波仿真波形 图 6 三角波实验图 三角波程序流程图 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 7 页 开始 设置 D A 地址 7FFFH DPTR 输出对应于 A 的模拟量 A DPTR A 1 A A 0FFH 输出对应于 A 的模拟量 A DPTR A 1 A A 00H 数字量 00H 送 A 否 是 否 是 图图 7 7 8 38 3 方波模块方波模块 方波信号也是波形发生器中常用的一种信号 下面的程序可以从 DAC 的输 出端得到矩形波 当延时子程序延时时间大体相同时即为方波 改变延时时间 可得到不同占空比的矩形波 上限电平及上限电平对应的数字量可用前面讲过 的方法获得 程序如下 L0 MOV A 0FFH 方波 MOVX DPTR A LCALL DELAY 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 8 页 MOV A 00H MOVX DPTR A LCALL DELAY JB P2 0 STR LJMP L0 输出矩形波的占空比为 T1 T1 T2 输出波形如图 8 15 所示 改变延时值使 T1 T2 即可得到方波 图 8 方波 方波程序流程图 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第 9 页 图 9 开始 设置 D A 地址 7FFFH DPTR 数字量 0FFH 送 A 输出对应于 A 的模拟量 A DPTR 延时 数字量 00 送 A 输出对应于 A 的模拟量 A DPTR 延时 方波仿真波形 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第10 页 方波实验图 10 9 9 硬件设计硬件设计 9 19 1 数模转换部分数模转换部分 数模转换部分主要由 DAC0832 和集成运放放大电路组成 DAC0832 的主要 功能是将单片机 AT89C51 的输出信号转换成模拟信号 转换后的模拟信号由 DAC0832 引脚 OUT1 和 OUT2 输出 经过集成运放的两极放大和电流转换成电压 功能的电路 连接到示波器上即可观察波形 如下图所示 图图 1111 9 29 2 整体电路图整体电路图 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第11 页 图 12 1010 实验设计不足之处实验设计不足之处 通过本次单片机课程设计过程 我不仅发现设计的波形发生器有所欠缺 同时也感到了自身的不足 首先 本次设计的程序实现较为简单 没有涉及到 到中断 串行口和定时 计数等功能 仅仅只是编写了几段基本波形发生代码 在主程序里调用 通过不同的键是否按下来选择波形 由于真正意义上的程序 设计还不多 因此还不是很得心应手 所以在设计中遇到一些问题和一些难点 比如 在程序设计中如何实现程序结构的最优化 以达到较高的质量 这是以 后设计中要注意的问题 但也多到了很学实践知识 最重要的是本程序在设计 中出现了因为代码太长 当执行到正弦波时无法返回 经过老师的指导 知道 了当遇到这种一次跳不回的情况可以通过多跳一次而跳回 其次 这次设计的 波形发生器缺少一个控制波形频率的 我感到十分遗憾 如果到大四做毕业设 计的时候 我想我会将其改进并完善的 最后 由于自身能力有限 无法对这 次设计进行更深层次的拓展 我将在以后的学习过程中不断的完善自己 1111 实验总结实验总结 课程设计是我们理论联系实际的最好的途径之一 让我们有机会把课本上 学到的知识运用到实际生活中 目前单片机在工业检测领域中得到了广泛的应 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第12 页 用 在我们平常的生活中也是随处可见 包括我们日常生活中随处可见的交通 灯 闹钟等都含有单片机作为一个主要的部件 懂得并熟悉掌握单片机的运用 技术是非常有用的 通过这次课程设计使对单片机语言的理解和掌握上有了很大的进步 以前 所了解的单片机语言仅限于一些片面的知识 通过这次编程 将这些零零碎碎 的知识汇集起来 编写出了一个完整的系统 并且对单片机语言的应用能力有 了极大的提高 在这次课程设计的过程中 我深深体会到团队合作的精神是极 其重要的 因为身在一个团队 有了困难大家一起解决 减少了压力 同时拓 展了思维 交换了意见 一个人的思想当被接受和了解时 我们有了更多的思 想关于一个问题 我想这些都是作为一个团队的好处 经过此次课程设计 我 们经历了喜 怒 哀 乐 同时我们也对明年的毕业设计有了一定的想法和实 现自己想法的决心 1212 代码附件 代码附件 ORG 0000H AJMP MAIN ORG 0030H MAIN MOV P2 0FFH START JNB P2 0 LOOP0 控制输出方波 JNB P2 1 LOOP1 控制输出正向锯齿波 JNB P2 2 LOOP2 控制输出三角波 LJMP START L0 MOV A 0FFH 方波 MOVX DPTR A LCALL DELAY 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第13 页 MOV A 00H MOVX DPTR A LCALL DELAY JB P2 0 STR LJMP L0 LOOP1 正向锯齿波 MOV R1 02H LCALL DISP L11 MOV R3 00H L12 MOV A R3 MOVX DPTR A INC R3 CJNE R3 0FFH L12 JB P2 1 STR AJMP L11 LOOP2 三角波 MOV R1 03H LCALL DISP L21 MOV R3 00H L22 MOV A R3 MOVX DPTR A INC R3 CJNE R3 0FFH L22 L23 DEC R3 MOV A R3 MOVX DPTR A CJNE R3 00H L23 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第14 页 JB P2 2 STR AJMP L21 DISP MOV A R1 MOV P1 A RET DISP1 MOV A 0DH MOV P1 A RET DELAY MOV R6 0AH 延时 1ms 子程序 DEL2 MOV R7 32H DEL1 DJNZ R7 DEL1 DJNZ R6 DEL2 RET TABLE DB 80H 83H 86H 89H 8CH 8FH 92H 95H DB 98H 9CH 9FH 0A2H 0A5H 0A8H 0ABH 0AEH DB 0B0H 0B3H 0B6H 0B9H 0BCH 0BFH 0C1H 0C4H DB 0C7H 0C9H 0CCH 0CEH 0D1H 0D3H 0D5H 0D8H DB 0DAH 0DCH 0DEH 0E0H 0E2H 0E4H 0E6H 0E8H DB 0EAH 0ECH 0EDH 0EFH 0F0H 0F2H 0F3H 0F5H DB 0F6H 0F7H 0F8H 0F9H 0FAH 0FBH 0FCH 0FCH DB 0FDH 0FEH 0FEH 0FFH 0FFH 0FFH 0FFH 0FFH DB 0FFH 0FFH 0FFH 0FFH 0FFH 0FFH 0FEH 0FEH DB 0FDH 0FCH 0FCH 0FBH 0FAH 0F9H 0F8H 0F7H DB 0F6H 0F5H 0F3H 0F2H 0F0H 0EFH 0EDH 0ECH DB 0EAH 0E8H 0E6H 0E4H 0E2H 0E0H 0DEH 0DCH 中北大学电子技术课程设计说明书 共 16 页 第15 页 DB 0DAH 0D8H 0D5H 0D3H 0D1H 0CEH 0CCH 0C9H DB 0C7H 0C4H 0C1H 0BFH 0BCH 0B9H 0B6H 0B3H DB 0B0H 0AEH 0ABH 0A8H 0A5H 0A2H 9FH 9CH DB 98H 95H 92H 8FH 8CH 89H 86H 83H DB 80H 7CH 79H 76H 73H 70H 6