微机接口技术课程设计

1、河北科技大学课程设计报告学生姓名：专业班级：课程名称：学年学期：指导教师：学号：电子信息工程班微机接口技术课程设计2014 2015 学年第二学期王震洲2015年7月课程设计成绩评定表学生姓名学号成绩专业班级起止时间2015年7月6日7月10日设计题目数字存储示波器设计指导教师评语指导教师：年月日目录一、课程设计目的及意义1二、课程设计任务及要求1三、设计内容与步骤1四、硬件电路设计2五、程序设计7六、数字频率示波器调试11七、课程设计总结及体会13附录： A/ D 、 D/A接口实验卡电路原理图14一、课程设计目的及意义数字存储示波器是常用的电子测量仪器之一，其中采用的A/D 转换、 D/A

2、转换及数据处理技术与微机接口技术课程内容联系紧密。通过本设计，学生可掌握 A/D 、D/A 转换电路的设计和调试方法，培养学生分析解决实际问题的能力。二、课程设计任务及设计要求本设计通过简单的 A/D 转换接口电路，配合汇编语言程序设计，实现最基本的信号波形采集与存储，并通过简单的 D/A 转换接口电路，将存储的数据还原为信号波形，在普通示波器的屏幕上显示出来。被测信号产生电路参见“A/D 、D/A 接口实验扩展卡电路原理图” 。当按下S1 时，电容 C5 完全放电， A/D 转换器输入电压为零；抬起S1 时，电容 C5 开始充电，A/D 转换器输入电压按RC 过渡过程开始上升， 最终达到 +

3、5V。图中 RC时间常数约为 10ms，整个充电过程需要35 倍的 RC 时间常数时间。设计要求使用 A/D 转换器捕捉电容C5 充电的完整过程， 并将采样数据存储起来。 然后依次将采样数据通过D/A 转换器循环输出，产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。基本要求：使用一个D/A 转换器通道，将信号波形施加到示波器的X 轴扫描信号由示波器产生并调节，实现RC 充电过程的波形稳定显示。Y 轴，发挥部分：将示波器调整在 X-Y 方式，采样数据的 D/A 转换器输出接到 Y 轴输入端，增加一个 D/A 转换器通道，产生频率可变的 X 轴扫描信号，接到示波器 X 轴外部输入端，使 RC 充电过程

4、的波形稳定显示。三、设计内容与步骤1、数字存储示波器原理分析由于单片机实验系统已经提供了相关信号线，使用 ADC0809、DAC0832和相关外围电路元件， 组成了最基本的 A/D 转换和 D/A 转换电路。可由 ADC0809负责采集电容 C5 充电时的信号，并将其转换为数字信号，并存储。 DAC0832将存储的数字信号， 转换为模拟的电压值， 再将其设置为循环输出， 产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。2、 数字存储示波器总体结构框图图 1 总体方案设计四、硬件电路设计1、ADC0809 工作原理ADC0809是带有 8 位 A/D 转换器、8 路多路开关以及微处理机兼容的控制逻辑

5、的 CMOS组件。它是逐次逼近式 A/D 转换器，可以和单片机直接接口。（ 1） ADC0809的内部逻辑结构ADC0809由一个 8 路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。 多路开关可选通8 个模拟通道，允许 8 路模拟量分时输入，共用 A/D 转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当 OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。图 2 ADC0809 引脚图（ 2） ADC0809原理及使用ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大； 输入的模拟量在转换过程中应该保持不变

6、，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线： 4 条ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当 ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将 A，B，C 三条地址线的地址信号进行锁存， 经译码后被选中的通道的模拟量进入转换器进行转换。 A，B 和 C为地址输入线，用于选通 IN0 IN7 上的一路模拟量输入。数字量输出及控制线： 11 条ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间， ST应保持低电平。 EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。 OE为输出允许信号，用于控

7、制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据； OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ。数字输出为 TTL 电平 , 三态输出，时钟频率一般为640KHz(典型 ) ，转换时间为 100s，输入电压范围： 0VVREF，转换方式为逐次逼近式，输出：NBV IN -V REF255V REF V REF2、 DAC0832工作原理DAC0832 是采样频率为八位的D/A 转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使 DAC0832芯片具备双缓冲、

8、 单缓冲和直通三种输入方式， 以便适于各种电路的需要 ( 如要求多路 D/A 异步输入、同步转换等 ) 。D/A 转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号， 可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过 RFB端引用片内固有电阻，也可外接。 DAC0832逻辑输入满足 TTL 电平，可直接与 TTL 电路或微机电路连接。（ 1） DAC0832 内部结构图 3 DAC0832 内部结构及引脚图DAC0832的内部结构如图3 所示。 DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的锁存信号为ILE ；第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号为传输控制信

9、号XFER 。因为有两级锁存器， DAC0832可以工作在双缓冲器方式，即在输出模拟信号的同时采集下一个数字量， 这样能有效地提高转换速度。此外，两级锁存器还可以在多个 D/A 转换器同时工作时， 利用第二级锁存信号来实现多个转换器同步输出。图 3 中 LE 为高电平、 CS 和 WR1为低电平时，LE 1为高电平， 输入寄存器的输出跟随输入而变化；此后，当WR1 由低变高时， LE 1 为低电平，资料被锁存到输入寄存器中， 这时的输入寄存器的输出端不再跟随输入资料的变化而变化。对第二级锁存器来说，XFER 和 WR2 同时为低电平时， LE2 为高电平， DAC寄存器的输出跟随其输入而变化；

10、此后，当 WR2 由低变高时， LE2 变为低电平，将输入寄存器的资料锁存到 DAC寄存器中。（ 2）DAC0832原理及使用数字量的值是由每一位的数字权叠加而得的, 由电阻网络和运算放大器构成的 D/A 转换器 . 在 D/A 转换中采用独立的权电阻网络，对于一个8 位二进制数的D/A 转换器，就需要 R，2R，4R， 128R共 8 个不等的电阻，最大电阻阻值是最小电阻阻值的 128 倍，而且对这些电阻的精度要求比较高。 如果这样的话， 从工艺上实现起来是很困难的。所以， n 个如此独立输入支路的方案是不实用的。在 DAC电路结构中，最简单而实用的是采用 T 型电阻网络来代替单一的权电阻网

11、络，整个电阻网络只需要 R 和 2R 两种电阻。在集成电路中，由于所有的组件都做在同一芯片上， 电阻的特性可以做得很相近， 而且精度与误差问题也可以得到解决。图 4 是采用 T 型电阻网络的 4 位 D/A 转换器。 4 位元待转换资料分别控制 4 条支路中开关的倒向。在每一条支路中，如果（资料为 0）开头倒向左边，支路中的电阻就接到地；如果（资料为 1）开关倒向右边，电阻就接到虚地。所以，不管开关倒向哪一边，都可以认为是接“地” 。不过，只有开关倒向右边时，才能给运算放大器输入端提供电流。图 4T 型电阻网络的 4 位 D/A 转换器T 型电阻网络中，节点 A 的左边为两个 2R的电阻并联，

12、它们的等效电阻为 R，节点 B 的左边也是两个 2R的电阻并联，它们的等效电阻也是 R，依次类推，最后在 D 点等效于一个数值为 R 的电阻接在参考电压 VREF上。这样，就很容易算出， C点、 B 点、 A 点的电位分别为 -VREF/2，-VREF/4，-VREF/8。在清楚了电阻网络的特点和各节点的电压之后， 再来分析一下各支路的电流值。开关 S3，S2，S1，S0 分别代表对应的 1 位二进制数。任一资料位 Di=1，表示开关 Si 倒向右边； Di=0，表示开关 Si 倒向左边，接虚地，无电流。当右边第一条支路的开关 S3 倒向右边时， 运算放大器得到的输入电流为 -VREF/（2R

13、），同理，开关 S2，S1，S0 倒向右边时，输入电流分别为 -VREF/（ 4R），-VREF/（8R），-VREF/（ 16R）。如果一个二进制数据为1111，运算放大器的输入电流I=-VREF/ （ 2R）-VREF/（4R）-VREF/（8R）-VREF/（16R）=-VREF/（2R）（20+2-1+2-2+2-3 ） =-VREF/（ 24R）（23+22+21+20）相应的输出电压 V0=IR0=-VREFR0（24R）（23+22+21+20）将资料推广到 n 位，输出模拟量与输入数字量之间关系的一般表达式为：V0=-VREFR0/（2nR）（Dn-12n-1+Dn-2 2n-

14、2+ +D121+D020） (Di=1或 0)上式表明，输出电压 V0 除了和待转换的二进制数成比例外，还和网络电阻R、运算放大器反馈电阻 R0、标准参考电压 VREF有关。DAC0832是采用 CMOS工艺制成的单片直流输出型 8 位数 / 模转换器。如图 5 所示，它由倒 T 型 R-2R电阻网络、模拟开关、 运算放大器和参考电压 VREF四大部分组成。运算放大器输出的模拟量 V0 为：由上式可见， 输出的模拟量与输入的数字量 （比这就实现了从数字量到模拟量的转换。） 成正图5DAC0832直流输出型8 位数 /模转换器一个8 位 D/A转换器 有8个输入端（其中每个输入端是 8 位二进

15、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。3、硬件设计思路由于本次课设利用现有的单片机实验系统板，系统板已经提供了相关信号线及 ADC0809、DAC0832和相关外围电路元件，组成了最基本的A/D 转换和 D/A 转换电路。所以此次设计就变得相对简单。可由ADC0809采集电容 C5 充电时的信号，并将其转换为数字信号，并存储。DAC0832将存储的数字信号，转换为模拟的电压值，再将其设置为循环输出， 产生一定频率的重复波形，送到普通示波器显示。五、程序设计1、 数字

16、存储示波器程序设计根据数字存储示波器的基本工作原理编写实验程序，实现触发点的捕捉、 被测信号的采集和数据的存储以及信号波形的再现功能。参考程序流程如下：开始数据采集NS1 按下吗？采集并存储N设定初始地址有触发吗？Y输出存储的数据设定存储字节数地址 +1采集并存储N完成吗？Y程序“开始”部分是初始化内容，包括指定堆栈指针定采集数据的存储首地址，本设计为单片机外部RAM的SP（例如： 50H）；设C000H。“数据采集”部分包括启动A/D 转换、执行延时程序（延时时间可设定在200 s）等待转换结束、取回转换结果，为S1 是否按下提供参考数据。“S1 按下吗？”部分为按键 S1 是否按下判断程序

17、。本设计采用上升沿触发方式， S1 按下时产生下降沿。当 A/D 采样数据大于判断点（例如： 20H）时，表明按键尚未按下， 当 A/D 采样数据小于触发点时， 表明按键已经按下， 转入触发检测环节，循环存储采样数据。 当 A/D 采样值重新上升到大于或等于触发点数据时，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。“采集并存储” 部分包括启动 A/D 转换、执行延时程序等待转换结束、 取回转换结果并存储到 C000H开始的 RAM中和存储器地址加 1，为下次存储做准备等程序。其中延时程序决定了数据采样周期，采样周期（延时时间）可初步设定在 200 s，全部程序调试完成后， 再尝试改变采样周期， 观

18、察采样周期变化对重现被测信号波形的影响，并说明原因。本设计数据存储深度为 256 字节，存满 256 字节后自动从头开始刷新。 可用 DPTR做数据指针，利用 INC DPL 指令实现 DPTR在 C000H C0FFH之间自动循环。“有触发吗？” 部分为触发点（触发点数据要大于等于 S1 按下判断点数据）判断程序。本设计采用上升沿触发方式， 当 A/D 采样数据小于触发点时， 表明按键按下尚未抬起， 继续循环存储采样数据。 当 A/D 采样值上升到大于或等于触发点数据时，表明按键按已抬起，便认为触发信号到来，转入下面的采样程序。“设定存储字节数” 程序将触发后的采样点数设定在 128 个字节

19、。接下来的“采集并存储”部分与前面叙述的完全相同。 “完成吗？”判断 128 个字节的采样是否完成，如果完成就进入下面的 D/A 转换程序。这样在 256 个字节的存储器中，就包含了触发前、后各 128 字节的采样数据，可完全记录电容 C5充电前后的电压变化波形。“设定初始地址”部分将数据指针（例如： DPTR）重新设定在 C000H。“输出存储的数据”程序将数据存储器中的 A/D 采样值送到 D/A 转换器输出。“地址 1”程序修改数据指针的低 8 位地址，使数据存储器地址在 C000HC0FFH之间自动循环。这样便可以通过D/A 转换器反复重现电容C5 充电过程的完整波形，实现存储波形的稳

20、定显示。2、参考程序：（ 1）、基本程序清单：ORG:0100H地址机器码MOV DPTR #0F006H0100H 90 F0 06; 初始化MOV P2 #0C0H0103H75 A0 C0MOV R0 #00H0106H78 00NEXT: LCALL AD0108H12 03 00CLR C010BHC3CJNE A,#20H,CP010CH B420 00;判断有键是否按下CP: JNC NEXT010FH50F7;没键按下继续判断P1: LCALL AD0111H1203 00;有键按下存储数据MOVX R0,A0114HF2INC R00115H08CLR C0116HC3CJN

21、E A,#30H,P20117HB43000 ;判断按键是否抬起P2: JC P1011AH 40F5 ; 按键不抬起继续判断按键抬起MOV P2,#0C0H011CH75A0 C0;有键抬起存储 128 个充电数MOV R3,#80H011FH7B 80P3: LCALL AD0121H12 03 00MOVX R0,A0124HF2INC R00125H08DJNZ R3,P30126H DB F9DA: MOV P2,#0C0H0128H 75 A0 C0 ;DA转换部分MOV R0,#00H012BH 78 00P4: MOV DPTR,#0F800H012DH90 F8 00MOVX

22、 A,R00130H E2MOVX DPTR,A0131H F0INC R00132H08SJMP P40133H80 F8;无限循环AD子程序ORG:0300HAD: MOV DPTR,#0F006H0300H 90 F0 06 ;AD转换子程序MOVX DPTR,A0303HF0LCALL DELAY0304H 12 04 00MOVX A,DPTR0307HE0RET0308H22延时子程序ORG:0400HDELAY:MOV R6,#32H0400H 7E 32;延时子程序DJNZ R6,$0402H DE FERET0403H22发挥部分将 DA部分改为DA:MOV P2,#0C0H

23、0128H75 A0 C0MOV R0,#00H012BH 78 00MOV R5,#00H012DH 7D 00P4: MOV DPTR,#0F800H012FH E2MOVX A,R00130H 90 F8 00MOVX DPTR,A0133HF0MOV DPTR,#0F400H0134H90 F4 00MOV A,R50137H EDMOVX DPTR,A0138HF0INC R00139H08INC R5013AH0DSJMP P4013BH 80 F2六、 数字存储示波器调试1、 硬件电路调试及方法图 1 中 RP2 为参考电压调节电位器， RP3 为 VO1 输出的调零电位器， R

24、P1 为 VO1 输出的满度调节电位器。 RP4 为参考电压调节电位器， RP5 为 ADC0809的 IN-7 输入电压调节电位器。可以通过 SW1-3 改变参考电压的极性（ SW1-3 闭合时为 -5V）。2、程序调试方法及过程存储示波器的硬件电路调试分为 A/D 和 D/A 两个部分，参见附录电路原理图。 A/D 转换器部分只要调节 RP4 使基准电压 VREF2 为最大值（ VCC ）即可。 D/A 转换器部分，首先调节 RP2 和 SW1-3，使基准电压 VREF1 为-5.00V 。然后向 D/A 转换器写入 00H，调节 RP3，使 VO1 输出电压为 0V ；再向 D/A 转换

25、器写入 FFH，调节 RP1，使 VO1 输出电压为 5.00V。存储示波器的控制程序可分为三个步骤进行调试：（1）A/D 转换部分调试。无条件循环执行数据采集和存储程序，分别在 S1 按下和抬起状态终止程序的执行（按 MON 键），观察存储器中采集到的数据是否全部为 00H 或 FFH。如果是，则说明 A/D 转换和数据存储程序工作正常，否则说明 A/D 转换和数据存储程序没有正常工作。（2）D/A 转换部分调试。将存储器中输入一些有规律的数据，例如多个 FFH和 OOH，循环执行 D/A 转换程序，看示波器中是否有对应的高、低电压波形出现。如果有，则说明 D/A 转换程序工作正常，否则说明 D/A 转换程序没有正常工作。（3）触发点捕捉部分调试。连续执行全部程序，在不断的按下和抬起S1时，按下 MON 键，根据当前的 PC 值，确定程序终止在哪个部分的循环程序中，判断相关指令的使用是否正确。在程序调试期间出现了很多问题：在S1 按下和抬起状态终止程序的执行（按 MON 键），观察存储器中采集到的数据不全部为00H 或 FFH，既没有采集到数据，导致不能循环输出存储器中采集到的数据，经过仔细分析采集数据和存储的过程，发现