简易低频信号源的设计.doc

摘 要本文介绍一种用AT89C51单片机构成的波形发生器，可产生方波、三角波、正弦波等多种波形，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。信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器，而函数波形发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。关键词： 信号发生器 单片机 AT89C51 DAC0832简易低频信号源的设计AbstractThis article introduced one kind the profile generator whichconstitutes with AT89C51 monolithic integrated circuits, may have thesquare-wave, the triangle wave, the sine wave and so on the many kinds ofprofiles, the profile cycle may use the change of program, and mayaccording to need to choose single the output or double theoutput, has the line simply, the structure compact, the performance issuperior and so on the characteristic. Signal generating devicegeneral discrimination for function signal generating device and freeprofile generator, but the function profile generator differentiatesthe simulation and the digital integrated model in the design.Keywords: signal generator singlechip AT89C51singlechip DAC0832目录摘 要IAbstractII1引 言12 方案论证22.1设计原理22.2 ADC0832的介绍23 过程论证43.1 硬件电路43.1.1单片机控制电路43.1.2 D/A转换电路43.2软件设计53.2.1初始化子函数53.2.2键扫描子函数53.2.3 波形数据产生子函数53.2.4主函数64波形仿真7结 论8致 谢9参考文献10附 录111附录214- 13 -简易低频信号源的设计1 引 言本文是做基于单片机的信号发生器的设计，将采用编程的方法来实现三角波、波、正弦波的发生。根据设计的要求，对各种波形的频率进行程序的编写，并将所写程序装入单片机的程序存储器中。在程序运行中，当接收到来自外界的命令，需要输出某种波形时再调用相应的中断服务子程序和波形发生程序，经电路的数/模转换器和运算放大器处理后，从信号发生器的输出端口输出。信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于科学研究、生产实践和教学实验等领域。特别是在通信系统的科研实验中，常常需要用到多种不同频率和相位的信号，如正弦波、三角波、方波和锯齿波等，因此多功能信号发生器应用十分广泛。在数字化时代的今天，经典的由模拟电路组成的信号发生器已经渐渐远离了人们，取而代之的是电路简洁、功能多样、功耗低的数字电路。在以后的时间里，将会有越来越多的数字化的信号发生器运用在各种科学技术领域和工程实践中，给人们的日常生活带来更多的便利。2 方案论证2.1设计原理数字信号可以通过数/模转换器转换成模拟信号，因此可通过产生数字信号再转换成模拟信号的方法来获得所需要的波形。AT89C51单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等，只要将AT89C51再配置按键及其接口、数模转换及波形输出等三部分，即可构成所需的波形发生器，其信号发生器构成原理框图如图2.1所示。 输出滤波放大D/A转换器接口电路89C51单片机图2.1 信号发生器原理框图2.2 ADC0832的介绍图2.2 ADC0832引脚DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DAC0832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。D0D7：八位数据输入端ILE： 数据允许锁存信号CS： 输入寄存器选择信号WR1： 输入寄存器选择信号XFER： 数据传送信号WR2： DAC寄存器的写通选择信号Vref： 基准电源输入端Rfb： 反馈信号输入端Iout1: 电流输出1Iout2: 电流输出2Vcc: 电源输入端AGND: 模拟地DGND: 数字地 D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)；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（选通数据锁存器），低电平有效； WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存； XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效； WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。 IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化； IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数； Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度； Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V； VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V； AGND：模拟信号地 DGND：数字信号地3 过程论证3.1 硬件电路本系统由控制键、复位电路、单片机、波形转换（D/A）电路和放大电路等五部分构成。硬件原理方框图如图3.1所示。控制键波形输出放大电路数/模转换电路单片机复位电路方波输出图3.1硬件原理框图3.1.1单片机控制电路AT89C51单处机内部设置两个16位可编程的定时器/计数器T0和T1，它们具有计数器方式和定时器方式两种工作方式及4种工作模式。在波形发生器中，将其作定时器使用，用它来精确地确定波形的两个采样点输出之间的延迟时间。模式1采用的是16位计数器，当T0或T1被允许计数后，从初值开始计数，最高位产生溢出时向CPU请求中断。中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件，要求CPU暂停当前的工作，转而去处理这个紧急事件。在波形发生器中，只用到片内定时器计数器溢出时产生的中断请求，即是在AT89C51输出一个波形采样点信号后，接着启动定时器，在定时器未产生中断之前，AT89C51等待，直到定时器计时结束，产生中断请求，AT89C51响应中断，接着输出下一个采样点信号，如此循环产生所需要的信号波形。3.1.2 D/A转换电路 由于单片机产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，就要把数字信号转换成模拟信号，所以该文选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并具有8位分辨率的数模转换器DAC0832。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。但实际上，DAC0832输出的电量也不是真正能连续可调，而是以其绝对分辨率为单位增减，是准模拟量的输出。DAC0832是电流型输出，在应用时外接运放使之成为电压型输出。3.2软件设计3.2.1初始化子函数 初始化子函数的主要工作是设置定时器的工作模式、初值预置、开中断和打开定时器等。定时器T1工作于16位定时模式，单片机按定时时间重复地把波形数据送到DAC0832的寄存器。其程序流程图如图3.2.1所示。开始T1置初值，设为16位定时模式 T1中断允许，开定时器，开总中断返回图3.2.1初始化子函数程序流程图3.2.2键扫描子函数键扫描子函数的任务是检查3个按键中是否有键按下，若有键按下，则执行相应的功能。这里3个按键分别用于频率增加、频率减小和正弦波与三角波的选择功能。3.2.3 波形数据产生子函数波形数据产生函数是定时器T1的中断程序。当定时器计数溢出时，发生一次中断。当发生中断时，单片机按次序将波形数据表中的波形数据一一送人DAC0832，DAC0832根据输入的数据大小输出对应电压。波形数据产生子函数程序流程图如图3.2.3所示。中断开始关中断、关定时、重装初值、开定时Y功能标识=1？N，输出正弦波数据方波输出输出三角波数据查表指针加1开中断、中断返回图3.2.3波形数据产生子函数程序流程图3.2.4主函数 主函数的任务是进行上电初始化，并在程序运行中不断查询按键情况执行相应的功能。4波形仿真通过前面的软、硬件设计，整个电路的设计已基本完成，下面将进行正弦波、方波、三角波、锯齿波等波形的仿真与测试。本文中波形信号的仿真是以Proteus 7这一款软件为平台，装入波形发生程序，验证硬件电路和程序的正确性。图4.1方波图4.2三角波图4.3正弦波结 论开始的时候由于没有经验，不知如何下手，所以就去图书管找了一些书看，尽管有许多的设计方案，可是总感觉自己还是有许多的东西弄不太清楚，于是就请教信息系的同学，帮我理解程序。后决定用查表的方法来做。这样可以降低一些硬件设计的难度，初次设计应切合自己的水平。本来打算用全部用按键来控制波形和频率的选择和改变。但经过一番探究，还是决定方波直接由单片机输出，只用三个按键来控制。在做设计之初本来想多做些附加功能，比如显示频率，调节幅值等，但终因时间紧迫未能完成。主要是在做Proteus仿真的时候耗费的时间比较多，程序很早就编出来也通过了。硬件电路也是合理的，但是就是仿真不出来，后来经过调整接口，终于使软件和硬件一体化，实现了仿真。设计不仅仅是为了完成任务，更重要的是给了我们一个目标。这个设计还不完美，在以后的时间里，我一定把功能完善，做到尽善尽美。致 谢 两周的课程设计，使我们的知识更加的丰富了，锻炼了我们的动手、读程序、写程序的能力，使我们收获颇丰。在这里我要感谢我们的指教师高老师，这两周中他们给我了我们很大的帮助，我们有什么不明白的问题及时的向他请教，高老师都能耐心而且细心的为我们一一解答，这使我们的设计进展的很顺利，我们在愉快中度过了两周，而且学会了很多东西。我还要感谢我的同学，他们帮我理解程序，给了我一些建议，在很多小的重要的细节性问题他都及时的提醒我，使我在课程设计中少走了很多弯路。这两周的课程设计使我更进一步掌握单片机课程的有关知识，提高解决问题的能力，加深对单片机应用的理解。通过查阅资料，结合所学知识进行软、硬件的设计，能初步掌握单片机解决问题的步骤及方法。同时，通过设计也让我看到了自己的不足之处，一是知识掌握的还不全面，二是思路还不够广，需要用更多的知识来武装自己。还有就是我清楚了一点：对不懂的东西一定要坚持到底，直到弄明白为止。在此 ，感谢老师给了我这个题目和机会，让我在实践中成长，学以致用。也感谢同学给我的建议和帮助。谢谢你们！参考文献1 李光飞 李良儿 楼然苗. 单片机C程序设计实例指导M. 北京航空航天大学出版社.2005.092 戴佳 戴卫恒. 51单片机C语言应用程序设计实例精讲M. 电子工业出版社.2006.043 李全利. 单片机原理及应用技术M. 高等教育出版社.2009.014许薇薇. C语言程序设计M. 中国电力出版社.2008.025 黄任. AVR单片机与CPLD/FPGA综合应用入门M. 北京航空航天大学出版社.2004.086 周润景 张丽娜. 基于PROTEUS的电路及单片机系统设计与仿真M. 北京航空航天大学出版社.2006.5附 录1#include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define key P3#define dataout P1uchar code sin_tab256=0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02 ,0x02,0x03,0x04,0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66 ,0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80 ;uchar code thr_tab256=0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,0x51,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3