宽频带精密函数波形发生器

摘 要本文介绍一种用 MCS-51 单片构成的发生器，其 线路简单， 结构紧凑，价格低廉。在本电路基础上配上 键盘控制和 LED 显示器， 则可对波形输出频率通过修改软件进行预设和显示。 该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波，通过键盘控制可以改变输出信号的频率和幅度。输出信号幅度在 0-5V 连续可调，输出电阻120 ，输出频率 10HZ-10KHZ。关键词：波形发生器，直接数字频率合成技术， 单片机1Broadband Waveform generator function with precisionThis article introduced one kind uses the MCS-51 monolithic constitution the generator. Iits line is simple, the structure is compact,and the price is inexpensive. The profile production is carries out some profile through AT89S51 to have the procedure, has the data to the D/A switch input end according to certain rule, thus obtains the corresponding voltage waveform in the D/A switching circuit out-port.Keywords: Waveform Generator，monolithic integrated circuit，Microcontroller2目 录1 绪论 .12. 波形发生器的理论分析与设计方案 .13. 硬件系统设计 .13.1 单片机功能模块 .13.1 .1AT89S51 单片机的选取与分析 .23.1.2 复位电路 .33.1.3 时钟电路 .33.2 键盘显示系统硬件电路设计 .43.2.1 基于 8279 芯片的键盘显示电路分析与设计 .43.2.2 键盘控制电路设计 .53.2.3 数码显示电路设计 .53.3 数模转换电路的分析与设计 .63.3.1 DAC0832 芯片的选取分析 .63.3.2 集成电路运算放大器 LM358 的功能分析 .73.4 电源电路设计 .74 软件实现 .94.1 主程序分析 .94.2 输出方波子程序：SQUN .94.3 输出三角波子程序：TRIAN .104.4 输出锯齿波子程序：SANTOO .1134.5 输出正弦波子程序：SINE .125 结束语 .13致谢 .13参考文献 .14附录 总电路图 .151 绪论函数信号发生器是一种能够产生多种波形，通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能 变换出三角波、正弦波、方波的函数波形 发生器。信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形，这 种信号发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。一般的传统发生器都是采用的谐振法，即用具有 频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。但也可以根据频率合成技术来获得所需频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，被称为合成信号发生器。随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形 发生器。它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质 上它采用了软件控制，利用微处理器控制D/A,就可以得到各种简单波形。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。2. 波形发生器的理论分析与设计方案在测试与测量技术过程中，常用到已知函数波形的数字化生成，它在许多与测量有关的领域有着不可替代的作用。例如，数字化仿真，常被用于算法研究、模型研究、系统辨识或以蒙特卡罗法搜索模型与算法。4任意波形发生器出现以后，给人们提供的不仅是一个通用的基础技术平台，而是在人们面前打开了通往无限宽广空间的一扇门，使得人们对于信号波形的掌握与应用再也不必局限于简单的正弦波、方波等几种有限的波形了，它可以按照人们提供的测量序列产生出几乎任意形状的连续波形信号。3. 硬件系统设计根据课题要求，画出整个硬件系统的功能示意图如图 1 所示。从图 1 中可以看到本仪器的硬件系统主要分为以下几个模块：单片机功能模块、显示接口电路，波形变换 DAC 转换模块、放大电路和电源等。3.1 单片机功能模块单片机模块：AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k 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 AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。与单片机相连的是 D/A 电路功能：将波形样值 的编码转换成模拟值，完成双极性的波形输出。D/A 转换 部分是由一片 DAC0832 数模转换器和两块 LM358组成。DAC0832 是一个具有两个输入数据寄存器的 8 位 DAC。目前生产的 DAC芯片分为两类，一类芯片内部设置有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。DAC0832 是具有 20 条引线的双列直插式 CMOS 器件，它内部具有两级数据寄存器，完成 8 位电流 D/A 转换，故不需要外加电路。0832 是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号， 电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器实现，可以实现双极性输出。5图 1 硬件电路的功能示意图单片机向 0832 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 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。3.1 .1AT89S51 单片机的选取与分析该单片机的功能是形成扫描码，键值识别、 键处理、参数设置；形成显示段码；产生定时中断；形成波形的数字编码，并输出到 D/A 接口电路和显示驱动电路。 AT89S51 外接 12M 晶振作为时钟频率。并采用 电源复位 设计。复位 电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是 RST 引脚上为高电平，然后电源通过对电 容充电。 RST 端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平， 单片机开始工作。AT89S51 具有如下特点：40 个引脚，4k Bytes Flash 片内程序存储器， 128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM）， 32 个外部双向输入/ 输出（I/O）口，5 个中断优先级 2 层中断嵌套中断， 2 个 16 位可编程定时计数器,2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。AT89S51 的 P2 口作为功能按钮和TEC6122 的接口，P1 口做 为 D/A 转换芯片 0832 的接口。AT89S51单片机YY时钟电路复位电路 电源电路模块键盘控制电路（五个按 钮）位数码管 LED显示模块D/A 转换器（数模转换器和运算放大器）8279 可编程键盘显示器芯片调频调幅控制6此 外 ，AT89S51 设 计 和 配 置 了 振 荡 频 率 可 为 0Hz 并 可 通 过 软 件 设 置 省电 模 式 。空 闲 模 式 下 ，CPU 暂 停 工 作 ，而 RAM 定 时 计 数 器 ，串 行 口 ，外 中 断系 统 可 继 续 工 作 ，掉 电 模 式 冻 结 振 荡 器 而 保 存 RAM 的 数 据 ，停 止 芯 片 其 它功 能 直 至 外 中 断 激 活 或 硬 件 复 位 。3.1.2 复位电路复位电路如图 2 所示图 2 复位电路控制引脚 RST，引脚 9，复位输入信号，振 荡器工作 时，该引脚上 2 个机器周期的高电平可以实现复位操作。本文采用上 电 复 位 ，上 电 复 位 要 求 接 通 电 源后 ，自 动 实 现 复 位 操 作 。图 中 电 容 C13 和 电 阻 R10 对 +5V 的 电 源 来 说 构成 微 分 电 路 ，使 在 刚 启 动 电 源 时 向 RST 引 脚 输 入 高 电 平 信 号 ，完 成 系 统的 复 位 操 作 。3.1.3 时钟电路时钟引脚 XTAL1 和 XTAL2：XTAL1，引脚 18，内部振荡器外接晶振的一个输入端， XTAL2，引脚 19，内部振 荡器外接晶振的另一个输入端。 AT89C51 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。本设计中 Y1 为石英振子，当选用石英振子 时， 电容通常选择 30PF，振荡频率范围为 112MHz，本 实验选用 12MHz。时钟电路如图 3 所示。7C230pC330pXTAL6MX1X2 RSTX2X1EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P101 P112P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10IC1AT89S51P3.P3.0P3.1P00P01P02P3.P3.P3.P3.VCC图 3 时钟电路3.2 键盘显示系统硬件电路设计显示电路：其主要功能是驱动 8 位数码管显示，扫描按钮。由集成驱动芯片8279、8 位共阴极数码管和 5 个按钮组成。当某一按钮按下时， 扫描程序扫描到之后，通过 P0 口将数字信号 发送到 8279 芯片。 8279 可按其功能分为：键盘功能块；显示功能块；控制功能块；与 CPU 接口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器，定时和控制，扫描计数器三部分，它主要用来控制 键盘和显示功能块工作。3.2.1 基于 8279 芯片的键盘显示电路分析与设计8279 是 Intel 公司生产的通用可 编程键盘/显示器接口芯片。8279 可实现对键盘/ 显示器的自动扫描，并 识别键盘上闭合键的键 号。这样不仅可节省 CPU 对键盘/ 显示器的操作时间，而且显示稳定，程序简单，不会出现误动作。8279 可按其功能分为:键盘功能块；显示功能块；控制功能 块；与 CPU 接口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器，定时和控制，扫描计数器三部分，它主要用来控制键盘和显示功能块工作。8279 能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘 控制部分提供一种 扫描工作方式，可与 64 个按键的矩阵键盘连接，能对键盘进行自动扫描、自动 消抖、自 动识别出按下的 键并给出编码，能同 时按下双键或 键实行保护，其接收键盘上的输入信息存入内部 FIFO 缓冲器，并可在有键输入时向 CPU 请求中断。8279 提供了按扫描方式工作的显示接口，其内部有一个 168 的显示缓冲器，能 对 8 位或 16 位 LED 自动进行扫描，将显示缓冲器的内容在 LED 上显示出来。8279 通过 74LS 138 译码 器扩展 44 键盘、 6 位显示器。由 3-8 译码 器对 SL0 SL2 译出键扫描线，由另一 3-8 译码器译出显示器的8位扫描线，并采用了编码扫描方式。 为了防止出现重键现象， 扫描输出线高位SL3 不参加 键扫描译码。CPU 对 8279 的监视采用了 查询方式，故 8279 的中断请求信号 IRQ 悬空未用，整个 电路结构见图 4。图 4 8279 芯片的键盘显示电路3.2.2 键盘控制电路设计矩阵式键盘也称为行列式键盘。行线通过上拉电阻接到 VCC 电源上，列线上逐列给低电平，如果有键按下，相应的行线就能够接收到低电平，据此就可以判断出相应的键值。单片机中所需按键较少,多采用独立式键盘。此种键盘结构简单,每只按键接单片机的一条 I/O 线,通过查询即可示别出每只按键的状态来。但由于本系统按键较多,在这里采用矩阵式排列键盘,如图所示,这样可以合理应用硬件资源,把 16 只按键排列成 4*4 矩阵形式,用一个 8 位 I/O 口控制,如图所示。把键盘上的行和列分别接在 IOA0IOA3 和 IOA4IOA7 先置 IOA0IOA3 为带数据缓存器的高电平输出,置 IOA4IOA7 为带下拉电阻的输管脚,此时若有键按下,取IOA4IOA7 的数据将得到一个 值,把此值保存下来,再置 IOA4IOA7 为带数据反相器的高电平输出,置 IOA0IOA3 为带下拉电阻的输入管脚,此时若键仍没弹起,取 IOA0IOA3 的数据将得到另一个 值,把这两个值组合就可得知是哪个键按下了,再通过查表得到键值。3.2.3 数码显示电路设计本设计中将第一个 74LS164 的 A、B 联在一起，接收由单片机串口送来的信号，它的 Q7 输出端又与下一个 164 的 A、B 端联在一起，以此类推，实际组成了N 8 位的移位寄存器，与数 码管联接，可 同时显示多位数字。在设计中为了节省芯片资源，采用了汇编语言 实现了日期和时间分屏，仅采用六个 74164 驱动六位的数码管， 显示由于数码管 实际上是由多个正常工作电压为 3V 的发光二极管组成的，系统没有必要单独为 数码管提供电源，而是直接从主电源上引出一路为数9码管供电，在实际应用中，可以在数码管电源与系统主电源之间加上三个二极管来降压，刚好使其端电压为 3V 左右，符合数码管长时间工作的要求。数码管显示电路的具体联接方式图 6 所示。图 5 键盘控制电路图 6 4 位数码显示电路3.3 数模转换电路的分析与设计3.3.1 DAC0832 芯片的选取分析DAC0832 由 8 位输入寄存器、8 位 DAC 寄存器和 8 位 D/A 转换电路组成。输入寄存器和 DAC 寄存器作为双缓冲，因为在 CPU 数据线直接接到 DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在 CPU 执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片 DAC0832，每片 DAC0832 的转换时间相同，就可采用 DAC 寄存器对 CPU 分时输 入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同 时产生各模拟信号。转换的 8 位数字量由芯片的 8 位数据输入线 D0 D7 输入，经 DAC0832 转换后，通 过 2 个电流输出端 IOUT1 和 IOUT2 输出，IOUT1 是逻辑电平为1 的各位输出电流之和，IOUT2 是逻辑电平为0的各位输 出电流之和。另外，ILE、 、 和 是控制转换 的控制信号。108 位 D/A 转换器有 8 个输入端（其中每个输入端是 8 位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有 28-256 个不同的二进制组态，输出为 256 个电压之一，即输出电压不是整个 电压范围内任意值，而只能是 256 个可能值。 图 7 是DAC0832 的逻辑框图和引脚排列。图 7 D/A 转换器的连接电 路3.3.2 集成电路运算放大器 LM358 的功能分析LM358 的封装形式有塑封 8 引线双列直插式和贴片式。输入偏置电流 45 nA，输 入失调电 流 50 nA，输入失调电压 2.9mV，VCC1.5 V 共模抑制比 80dB，电源抑制比 100dB 。图 8 放大器 LM358LM358 通用运放倍数；LM833 是差分输入的高速运放，主要应用于音频前置放大，及功放、CD 机摩机,优于 NE5532,放大倍数一般调控在 5-100 左右。 （太高易自激）。功率放大器外围电路， LM358 是双运放 IC，把 输出与输入负端直接相连，输 入信号与输入正端相 连，就是 电压跟随器，即使输出电压与输入电压相等而输出电流大。3.4 电源电路设计电源电路如图 11 所示，采用 220V 供电， 220 交流电经过变压器 T1 降压、二极管 D1D4 整流、电容 C1 滤波后产生 12V 直流 电，可以作为控制继电器的驱动电压。 12V 电压经过稳压 器 7805 稳压后产生 5V 电压，作为控制电路的主电源。11电容 C2 作为高频旁路电容，将各种高 频干扰信号旁路接地。在 设计的过程中，滤波电容 C1 要尽量选择的大，因 为在单片机向 EEPROM 中写数据的过程中，持续时间很长，典型时间为 8ms，这里选用的是 2200uF。所以只有选用较大容量的电容，才能在系统突然断电的情况下保证单片机有足够的时间将 RAM 中的数据写入 EEPROM 中。图 9 电源电路图图 10 芯片 8279 与 89S51 单片机接口电路对 8279 的编程一般可分成三部分，第一部分对 8279 初始化编程，规定其键盘和显示器的工作方式以及对外部 CLK 信号的分频系数等；第二部分为检查键盘情况，当有键按下时，读取键值，然后，进行相应的处理；第三部分为显示部分，即将待显示字符的段码送写入显示 RAM 进行显示。相应地， 8279 的接口电路也大致可分为三部分，即与单 片机的接口和键盘的接口和与显示器的接口。常见的由 8279 组成的 8 位 LED 显示器、16 个按键接口。电路工作原理如下，与单片机接口，DB7DB0 直接 边至 P0 口；读引脚/RD接单片机的读信号（/RD）；写引脚接单片机的写信号（/WR）；CLK 引脚接单片机12的 ALE 信号，ALE 信号的频率为系统晶体振荡器频率的 1/6；A0 接地址总线A0。当有 键闭 合时， IRQ 变为 高电平，可以通 过中断或查询方式读取键值。与键盘的接口电路，16 个按键接成矩阵形式，由 RL7RL0 组成行线，外部译码器74LS138 的输出 Y0 和 Y1 组成列线（或扫描线）。当有键闭合时，读入的RL7RL0 不全为零，根椐 RL7RL0 和 SL2SL0 的状态即可确定闭合键所在的位置。4 软件实现系统软件由主程序和产生波形的子程序组成，软件设计主要是产生各种波形的子程序的编程，通过编 程可得到各种波形。4.1 主程序分析ORG 0000HStart: MOV A ,#00HMOV P3, A ; 令波形指示灯 LED 熄Begin: MOV A ,P1 ; 读波形选择开关状态CJNE A ,#01H ,Sanjo ; P1.0=1 调方波子程序：SQUW MOV P3,#01H ; 方波指示灯 LED 亮LCALL SQUW ; 调生成方波子程序：SQUWSanjo: CJNE A ,#02H ,Juchi ; P1.1=1 调三角波子程序：TRIANMOV P3,#02H ; 三角波指示灯 LED 亮LCALL TRIAN ; 调生成三角波子程序：TRIANJuchi: CJNE A ,#04H ,Zhexi ; P1.2=1 调锯齿波子程序：SANTOOMOV P3,#04H ; 锯齿波指示灯 LED 亮LCALL SANTOO ；调生成锯齿波子程序：SANTOOZhexi：CJNE A ,#08H ,Back ；P1.3=1 调正弦波子程序：SINEMOV P3,#08H ；正弦波指示灯 LED 亮LCALL SINE ；调生成正弦波子程序：SINEBack ：LJMP Begin主程序流程图如图 11 示：4.2 输出方波子程序：SQUNSQUN: MOV A ,#0FFH MOV P0,A ；输出一个幅度的方波LACLL Delay ；调 250ms 延时子程序： DelayMOV A ,#00H13MOV P0,A ；输出另一个幅度的方波LACLL Delay ；调 250ms 延时子程序： DelayRET ；返回主程序 250ms 延时子程序(单片机晶振 6MHZ)图 11 主程序流程图Delay: MOV R2, #0F5HDely1: MOV R1, #0FFHDely2: DJNZ R1, Dely2DJNZ R2, Dely1RET锯齿波发生子程序流程如图 12 所示：4.3 输出三角波子程序：TRIANTRIAN: MOV A ,#00HUP: MOV P0,AINC A JNZ UPDOWN: DEC AMOV P0,A开始初始化调波形发生子程序驱动相应的发光二极管波形判别读波形选择开关状态波形转换否？N八14JNZ DOWNRET三角波发生子程序流程如图 13 所示。开始A00HP0 口A延时若干A A+1图 12 锯齿波发生子程序流程图图 13 三角波发生子程序流程图4.4 输出锯齿波子程序：SANTOOSANTOO: MOV A ,#00H LLOOP: MOV P0,A LLOOP1 INC A : 开始A00HP0 口A延时若干AA+1A=0 ?P0 口A延 时若干AA-1A=0 ?15MOV P0,A CJNE A,FFH LLOOP1RET锯齿波发生子程序流程如图 14 所示图 14 方波发生子程序流程图 图 15 正弦波发生子程序流程图4.5 输出正弦波子程序：SINESINE: MOV DPTR,#sinTabLOOP: CLR AMOVC A,A+DPTRCJNE A,#129,LOOP1RETLOOP1: MOV P0,AINC DPTRAJMP LOOPsinTab:DB 128,132,137,141,146,150,154,159,163,167DB 171,176,180,184,188,191,195,199,203,206DB 210,213,216,219,222,225,228,231,233,236开始AFFHP0 口A延 时 NAA00HA=0 ?开始A00HA正弦函数表数据A=129 ?DPTRDPTR+1P0 口ANP0口A16DB 238,240,242,244,246,247,249,250,251,252DB 253,254,254,255,255,255,255,255,254,254DB 253,252,251,250,249,247,246,244,242,240DB 238,236,233,231,228,225,222,219,216,213DB 210,206,203,198,195,192,188,184,180,176DB 172,167,163,159,155,150,146,141,137,133DB 128,124,119,115,111,106,102,97,93,89,85DB 81,77,73,69,65,61,57,54,50,47,43,40,37DB 34,31,28,25,23,20,18,16,14,12,10,9,7DB 6,5,4,3,2,2,1,1,1,1,1,2,2,3,4,5,6DB 7,9,10,12,14,16,18,20,23,25,28,30,33,36DB 40,43,46,50,53,57,60,64,68,72,76,80,84DB 88,93,97,101,106,110,114,119,123,128,129正弦波发生子程序流程如图 7 所示设波形选择开关状态为：P1.0=1 选择方波；P1.1=1 选择 三角波；P1.2=1 选择锯齿波；P1.3=1 选择正弦波设 P3.0 控制方波 LED 指示灯；P3.1 控制三角波 LED 指示灯；P3.2 控制锯齿波 LED 指示灯； P3.3 控制正弦波 LED 指示灯。 (见 附图)5 结束语在本次毕业程设计中，无论是在程序设计方面还是实践动手能力都得到了一个非常大的锻炼，并对硬件知识的了解以及安装调试能力也得到了一个很大的提升。通过这次课程设计 ，也非常的清楚的 认识了 这门课程的重要性，也意 识到了自己在程序设计方面的薄弱性。希望在以后的学习和工作中能进一部的加强自己专业素质和实践动手能力，并在单片机程序设计语言方面要实现从汇编语言到 高级语言的跳转。致谢时光如梭，转眼之间四年的学习生活在这次毕业设计后将画上圆满的句号。在这四年中，河南科技学院的各位领导、老 师和同学 对我的学习给予了很大的支持和帮助，我在这里不仅体会到了学习的乐趣，而且也感受到了集体给我的关怀，在此谨对各位表示衷心的感谢。本论文的完成是在导师的精心指导和帮助下完成的，在将近半年的时间里，老师在我对课题的学习和研究都给与了无微不至的帮助和关心。导师渊博的学识，敏锐 的科学洞察力，严谨的治学态度，强烈的创 新思想和对科研教育事业的17执著追求都给我留下难忘的印象，并将激励我在今后的工作中勇敢地面对困难和挑战。在论文完成过程中，参考和吸收了许多前人的研究成果，在此一并向他们表示感谢。在我做毕业设计期间，得到了许多老师的关心和支持，是他们无私的爱才使我能够在