数字式波形发生器课程设计

1、南华大学电气工程学院 电子技术课程设计任务书设计题目： 数字式波形发生器 专 业： 电子信息工程 学生姓名: 唐磊 学 号: 20084470114 起迄日期: 2011年2月18日 201年3月1日 指导教师: 李月华 教研室主任： 朱卫华 2011年3月3日电子技术课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、 设计并制作频率可调且具有高稳定度的方波发生器；2、 频率范围：0.01hz100khz，频率调节分度为0.01hz；3、 频率温度度：10-6/天；4、 具有输出频率设定与显示功能，显示位数为9位；5、 输出波形的占空比应在47%53%之间；6、

2、输出幅度为012v，分级可调，且能显示幅度，幅度与频率显示交替进行；7、 输出信号上升时间100ns，下降时间50ns；8、 输出阻抗752对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用protel软件绘出原理图（sch）和印制电路板(pcb),器件的选择要有计算依据。3主要参考文献：1 康华光.电子技术基础数字部分（第五版）m.北京：高等教育出版社，2006.2大学生电子设计联盟 4课程设计工作进度计划：序号起 迄 日 期工 作 内 容12010.12.25

3、-12.27设计电路22010.12.28-12.31 安装调试32011.1.1-1.7 分析实验结果并写出设计说明书主指导教师李月华日期： 2010 年 11 月 28 日引言波形函数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等领域。本函数发生器采用stc89c52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（dac0832）、运放电路（tl082）、按键和lcd显示电路等。此电路设计清晰，出现故障容易查找错误，操作简单方便。电路采用stc89c52单片机与一片dac0832数模转换器组成低频信号发生器。通过按键控制可分别控制选择输出的幅值和频率，同时用lcd

4、1602显示器显示幅值和频率。所产生的波形幅值范围为0到12v；本系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。一、 方案设计1 系统设计1.1 总体设计思路根据题目要求，经过仔细考虑，充分考虑各种因素，制定整体设计方案：以stc89c52单片机为控制核心，p1口接dac0832信号输入并书面转换，程序控制方波的产生，通过p2口接3个按键，控制幅值电压和频率，由按键选择波形的复制电压和频率输出，由tl082运放实现dac0832 输出电流到电压的转换。在lcd1602上实时显示频率和幅值。1.2 总体框图 按键控制单片机tl082运放电路输出dac0832转换1602显示二硬件电路本系统由单片机、

5、波形转换（d/a）电路、显示接口电路、键盘接口电路等部分组成。总的硬件电路图为：1. 功能与基本原理stc89c52外接12m晶振作为时钟频率，并采用电源复位设计。产生方波程序设计思路：根据定时器溢出的时间，将频率值换算为定时器溢出的次数，使用变量暂存定时器溢出的次数，当达到规定的次数时，将输出管脚的状态进行改变达到方波的产生。另外采用查询的方式实现案件的扫描和lcd液晶的显示，中断服务程序实现方波的产生和连续按键的计时功能。1.1 89c52单片机简介89c52的硬件结构：256字节*8bit内部ram；2个16位定时/计数器（t0、t1），具有四种工作方式；5个中断源和2级中断优先权；一个

6、全双工的串行口，具有四种工作方式；2个时钟引脚xtal1、xtal2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个震荡器，它为单片机提供了时钟控制信号；复位电路等。1.2 时钟电路本次设计采用的是内部时钟方式，即c52内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚xtal1，输出端为引脚xtal2。这两个引脚跨接石英晶体震荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激震荡器，图3.2是c52内部时钟方式的震荡器电路。图3.2 c51内部时钟方式的震荡器电路电路中电容c1和c2典型值通常选择为30pf左右，晶振的振荡频率的范围通常是在1.2mhz12mhz之间，晶振的频率越高，则系

7、统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。1.3 复位电路89c51的复位是由外部的复位电路来实现的，复位结构如图3.3所示。图3.3 复位结构复位引脚rst通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来控制噪声，在每个机器周期的s5p2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。2 键盘接口电路本设计中有三个按键，分别为总控制按键、频率转换按键、幅值转换按键。其与单片机的连接如图所示。3显示电路功能：驱动lcd1602液晶显示，扫描按钮由lcd1602液晶显示器和三个按钮组成。当第一个按键按下一次后，程序开始扫描，再由第二个按键控制显示幅值，

8、第三个按键控制显示频率。有单片机的口和口将数字信号发送到lcd1602。lcd1602是专门用于显示字母、数字、符号等点阵式lcd，它的外接电压也是5v扫描利用软件程序实现，其与单片机的连接如图所示。4 电源电路单片机采用5v电源，dac基准电压为15v，运放tl082采用正负15v供电。因此都采用外接电源供电。其电路图如图。5 波形转换（d/a）电路功能：将波形样值的编码转换成模拟值，完成波形输出。由一片0832和tl082运放组成。dac0832是具有20条引线的cmos器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8为电流d/a转换，固不需要外加电路，输出波形为正负电压，0832是电流输出型，示波

9、器上显示的波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的额转换可以由运算放大器tl082实现。在d/a转换电路中，很重要的一个参数就是基准电压（参考电压），设计中要求的最大幅值电压为12v，系统可以选用正负15v作为运算放大器供电的电源，同时用正15v作为dac0832的基准电压。单片机向0832 发送数字编码，产生不同的输出。利用采样定理， 8位d/a转换器对应-15v15v的电压输出，其输入数字量应为00hffh。在-15v15v的电压范围内产生波形，方波一个周期分成两个点，一个时钟中断向89c51送一个点，经过d/a转换后输出就可以得到方波。数字编码0x7f， 0x90， 0xa1， 0x

10、b2， 0xc3， 0xd4， 0xe5分别对应d/a输出的0v，2v,4v,6v,8v,10v,12v。单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制输出的波形频率。这样输出的方波幅值和频率都得到控制。三、课设所需设备及芯片功能介绍1. 所需设备单片机最小开发系统，1602液晶屏一块，dac0832一片，tl082集成运放一片，pc机一台，其他器件任选。2. 芯片功能介绍8位d/a转换器dac0832简介：dac0832当今世界在以电子信是8位分辨率的d/a转换集成芯片，与微处理器完全兼容，这个系列的芯片 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了广泛的应用。这类d/a

11、转换器由8位输入锁存器，8位dac寄存器，8位da转换电路及转换控制电路构成。1、dac0832的引脚及功能：dac0832芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位dac，它能直接与mcs51单片机接口，其主要特性参数如下：分辨率为8位；电流稳定时间1us;可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程和下调整其线性度；单一电源供电（5v15v）；低功耗，200mw。为便于dac0832的使用，特将其应用特性总结如下：dac0832是微处理器兼容型d/a转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对d/a转换的控制。这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器控制线相连，接受微处理器的控制，如ile、/c

12、s、/wr1、/wr2、/xfer端。有两级锁存控制功能，能够实现多通道d/a的同步转换输出。dac0832内部无参考电压源；须外接参考电压源。dac0832为电流输入型d/a转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。dac0832的引脚图及逻辑结构如下图： 图1 dac0832结构框图及引脚排列dac0832各引脚的功能如下：di0di7： 数据输入线。ile ： 数据允许锁存信号，高电平有效；/cs： 输入寄存器选择信号，低电平有效。/wr1为输入寄存器的写选通信号。输入寄存器的锁存信号/le1由ile 、/cs、/wr1的逻辑组合产生。当ile 为高电平、/cs为低电平、/wr1输

13、入负脉冲时，在/le1产生正脉冲；/le1为高电平，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，/le1的负跳变将数据线上的信息锁入输入寄存器。/xfer: 数据传送信号，低电平有效。/wr2为dac寄存器的写选通信号。dac寄存器的锁存信号/le2,由/xefr、/wr2的逻辑组合产生。当/xfer为低电平，/wr2输入负脉冲，则在/le2产生正脉冲；/le2为高电平是时，dac寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，/le2负跳变，输入寄存器的内容打入dac寄存器。vref ： 基准电源输入引脚 。rfb ： 反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片内部。iout1、iout2 ： 电流输出引脚。电流io

14、ut1、iout2 的和为常数，iout1、iout2 随dac寄存器的内容线性变化。vcc： 电源输入引脚。agnd： 模拟信号地dgnd： 数字地。2、dac0832三种数据输入方式： （1）双缓冲方式：即数据经过双重缓冲后再送入da转换电路，执行两次写操作才能完成一次da转换。这种方式可在da转换的同时，进行下一个数据的输入，可提高转换速率。更为重要的是，这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。此时，要用多片dac0832组成模拟输出系统，每片对应一个模拟量。 （2）单缓冲方式：不需要多个模拟量同时输出时，可采用此种方式。此时两个寄存器之一处于直通状态，输入数据只经过一级缓冲送入

15、da转换电路。这种方式只需执行一次写操作，即可完成da转换。 （3）直通方式：此时两个寄存器均处于直通状态，因此要将、和端都接数字地，ile接高电平，使le1、le2均为高电平，致使两个锁存寄存器同时处于放行直通状态，数据直接送入da转换电路进行da转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中或其他不须0832缓冲数据的情况。四.程序编写#include#include#includelcd_1602_h.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define dadata p1uchar code a67=1000.00,

16、/频率显示 0100.00, 0010.00,0001.00,0000.10,0000.05 ;uchar code squaretab72= /输出的幅度数组0x7f,0x7f, /0v 0x90,0x6e, /正负2v0xa1,0x5d, /正负4v0xb2,0x4c, /正负6v0xc3,0x3b, /正负8v0xd4,0x2a, /正负10v0xe5,0x19;/正负12vuchar code disp1=voltage: 000v ;uchar code disp2=frq:0000000.00hz;uint i,num,k,freq=0;uchar count,s;uchar ke

17、ytemp=0,keytemp2=0;sbit da=p23;sbit wr1=p24;sbit key1=p25;sbit key2=p26;sbit key3=p27;void delay(uint z)uint i,j;for(i=z;i0;i-)for(j=110;j0;j-);void t0_time()interrupt 1th0=(65536-1000)/256; /定时器装初值 精确到1mstl0=(65536-1000)%256;num+; void key1_ctr_frq() /调频控制按键if(key1=0) tr0=0;_nop_();if(key1=0)keytem

18、p+;while(!key1)tr0=1; if(keytemp=1) /通过按键按下的次数控制频率freq=1; /选择频率1khz /whileif(keytemp=2)/选择频率100hzfreq=10;if(keytemp=3)/选择频率10hzfreq=100;if(keytemp=4) /选择频率1hzfreq=1000;if(keytemp=5) /选择频率0.1hzfreq=10000;if(keytemp=6) /选择频率0.05hzfreq=20000;if(keytemp=6)keytemp=1;write_1602_com(0xc0+7);for(k=0;k=7)key

19、temp2=0;void key3_ctr() /总控制按键if(key3=0) /功能按键tr0=0;_nop_();/精确延时1usif(key3=0)delay(2);while(!key3)s+;/if(s=2)da=1;if(s=2)s=1;void init()tmod=0x01; /设定定时器0为工作方式1th0=(65536-1000)/256; /进行1ms的精确定时 tl0=(65536-1000)%256; /定时器装初值ea=1; /开总中断et0=1; /开定时器0中断tr0=1;init_1602();void main()dadata=0x00;da=0; wr1

20、=0;init();display_1602(0x80, disp1);_nop_();display_1602(0x80+0x40,disp2);_nop_();while(1)key3_ctr();/if(count=2)count=0;if(s=1) /总控制按键key1_ctr_frq();key2_ctr_vol();_nop_(); if(num=freq) /选频num=0;count+;if(count=2)count=0;switch(keytemp2)case 0:dadata=squaretab0count;break;case 1:dadata=squaretab1co

21、unt;break;case 2:dadata=squaretab2count;break;case 3:dadata=squaretab3count;break;case 4:dadata=squaretab4count;break;case 5:dadata=squaretab5count;break;case 6:dadata=squaretab6count;break; / end switch/end if/ end if / end while /end main液晶1602的初始化程序#ifndef lcd_1602_h#define lcd_1602_h#define ucha

22、r unsigned char#define uint unsigned intuchar com_1602,date_1602;sbit lcd_1602_rs=p20;sbit lcd_1602_rw=p21;sbit lcd_1602_en=p22;sbit lcd_busy=p07;void delay_1602(uint x) /延时子函数uint i,j;for(i=x;i0;i-)for(j=110;j0;j-);void write_1602_com(uchar com_1602)lcd_busy=0;lcd_1602_rs=0; /选择写命令模式p0=com_1602;del

23、ay_1602(5); /稍做延时以待数据稳定lcd_1602_en=1; /使能端给一高脉冲，因为初始化函数中已经将lcden置为0delay_1602(5); /稍做延时lcd_1602_en=0; /将使能端置0 ，以完成高脉冲void write_1602_data(uchar date_1602)lcd_busy=0;lcd_1602_rs=1;p0=date_1602;delay_1602(5);lcd_1602_en=1;delay_1602(5);lcd_1602_en=0;void display_1602(uchar addr,uchar *temp)uchar i;wri

24、te_1602_com(addr);delay_1602(5);for(i=0;i16;i+)write_1602_data(tempi);delay_1602(5) ;void init_1602(void)lcd_1602_rs=0;/清除读操作lcd_1602_rw=0; /初始化写操作lcd_1602_en=1;delay_1602(10);write_1602_com(0x01);delay_1602(10);write_1602_com(0x02);/光标归位,此处不设置可能出现错误write_1602_com(0x38); /设置16x2显示，5x7点阵，8位数据接口write_

25、1602_com(0x0c); /设置开显示，且显示光标并闪烁write_1602_com(0x06); /写一字符后光标自动加一五、系统调试与测试结果1. 硬件调试整个硬件调试过程基本顺利，由于采用了分单元模块制作，各单元电路工作稳定，给调试工作带来很大的方便。1.1 放大模块部分在实物模拟时，出现发送信号不稳定、跳变的问题。经过仔细检查电路线路路径和连线问题，最终发现pcb板子上某些连线存在断路的问题，于是用焊锡焊好，从而得以解决。1.2 调试过程中，由于某些元器件参数的问题，在频率要求上没有达到预期效果，频率最低未能达到0.01h，最高也不能达到100khz。各单元调试通过以后，进行整机

26、调试，调试结果显示，整个系统能够正常工作。2. 软件调试由于对51系列单片机编程不是很熟悉，在软件的仿真调试过程中请同学帮了忙，在同学的帮助和指导下，调试也顺利完成。3. 调试结果3.1 液晶显示结果图3.2 方波波形图3.3三角波波形3.4正弦波波形3.5 实验结果与实际要求对比3.5.1 经液晶显示可得频率范围为0.05hz1khz,频率调节分度为0.01hz，最大频率和最小频率都没有达到老师的要求，经分析原因是元器件参数的选择原因，焊接电路板时由于找不到7.5k的电阻，就用了8k的电阻代替了。所以最大频率和最小频率都没有达到老师的要求。3.5.2 具有输出频率设定与显示功能，显示位数为9

27、位；输出波形的占空比应在47%53%之间；输出幅度为012v，分级可调，且能显示幅度，幅度与频率显示交替进行；这三点要求均基本达到。3.3.3 由示波器观察到的方波图形可得的方波稳定准确度高，失真少，只是有一些杂波干扰。3.5.4 频率温度度：10-6/天；输出信号上升时间100ns，下降时间50ns；输出阻抗75。这三个要求由于验证不方便，所以没有检测。3.6 设计和调试遇到的主要问题3.6.1 设计时的主要问题是软件方案上，涉及到51单片机编程，由于没有学单片机，对单片机不熟悉，所以编程时很迷茫，这一大模块是在同学的帮助下得以顺利完成的。3.6.2 第一次观察波形时，达到的波形很不稳定，而

28、且不像方波，仔细检查线路才发现pcb板上某些地方由于洗板子时不小心断路了，用焊锡焊接好后，得到了精确度比较高的方波。六、实验心得两周的专业综合设计结束了，本次课程设计题目是数字式波形发生器的设计，虽然设计的时间不是很长，但在这短短的两周时间里确实使我学到了很多东西，在李老师的细心教导和同学的帮助下，我初步学会了使用单片机进行编程，也知道了一个单片机的工作过程，与此同时，还在对一些硬件的使用上，电路板的设计上有了很大的进步，对今后的学习有很大的帮助。 设计刚开始时，我通过老师和同学给的教学讲义，学习了本次使用单片机系统的基本工作原理，了解它的强大功能，用了两天的时间学习初步了解了用c语言对单片机

29、进行编程以及进一步复习了数模转换的工作原理，在老师的指导和同学的指点下，很顺利的完成了这个步骤。 其次，我们要进行的就是编写其它部分的程序，主要是按照设计的任务书来做，根据自己设计的实验步骤，一点点去实现各部分的功能。在这个过程中，学到了很多我已前没有用到过的新知识，真正的了解了一个单片机的基本工作原理，在了解了之后，设计程序才得心应手，在这个过程当中，遇到了很多问题，经过老师的耐心教导，最终把程序都给实现了。 在此次综合设计的整个过程中，学习了使用protel dxp软件绘制原理图和进行了单片机编程，同时还学习了单片机的一系列内容，包括：复位电路、时钟电路、数码管与单片机的接口、汇编指令系统。对于一些器件的工作原理也有了进一步的了解，如：led显示器等。而且软件程序和硬件电路的结合，更加深刻体会了单片机系统的妙处。在本次设计中，让我学到了很多的知识也懂得了很多的道