调幅脉冲信号发生器

1、西华大学课程设计说明书 调压脉冲信号发生器摘要:本设计采用AT89C51单片机构成脉冲信号发生器产生可调方波波形，其幅度可用程序控制改变。利用外接按键控制波形幅度的增减，在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换，由UA741实现I/V转换，再通过运放进行波形调整，最终得到方波信号。本设计具有线路简单、结构紧凑、性能优越等优点。本文给出了源代码，通过仿真测试，其性能指标达到了设计要求。关键词：AT89C51，D/A转换，波形整形放大，调幅Abstract：This design uses AT89C51 microcontroller pulse signal generator to

2、generate adjustable square wave, the amplitude can be programmed to change. By using external key control waveform amplitude fluctuation, the microcontroller output port is connected to the DAC0832 to D/A conversion, and then adjusted by operational amplifier is finally obtained wave, square wave si

3、gnal. With a simple circuit, compact structure, superior performance and other advantages of this design. This paper gives the source code, through the simulation test, the performance indexes meet the design requirements.Keywords: AT89C51, D/A conversion, waveform, amplitude modulation 目 录1前言12总体方案

4、设计22.1方案的提出和论证22.2方案的选择33单元模块的设计43.1单片机模块43.2 D/A转换模块53.3键盘控制模块83.4 I/V转化及波形放大整形模块94软件设计124.1 系统总框图124.2按键子程序125系统功能、指标参数146设计总结157 参考文献16附录一：电路原理图17附录二：设计程序181前言 随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能

5、，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。 在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的基本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面上能看到的仪器在

6、频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。 便携式和智能化越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化也就明显得尤为重要。平时常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。利用单片机的强大功能，设计合适的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形。2总体方案设计 2.1方案的提出和论证 常

7、用的函数信号发生器的实现方法有如下几种 方案一： 采用分立元件实现信号的输出，主要是通过模拟电路实现正弦信号的输出，在通过各种积分微分电路实现各种不同波形的输出。但是这种方法频率和幅值的调整比较困难，而且模拟电路受外部因素的影响较大，输出的波形难以控制。 方案二：采用集成信号发生芯片MAX038输出各种波形，并通过外接电阻值改变实现对幅值和频率的调整。图2.1基于MAX038的信号发生器原理图这种方法实现起来比较容易，但是频率和幅值的调节比较困难。 方案三： 采用DAC0832通过查表得方式输出需要的波形，通过单片机定时向DAC转化器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出。这种方法能够实现各

8、种需要的波形的输出，成本也不高，只是在扩展外设的时候浪费了大量的接口，以后的系统扩展可能会有影响。 方案四：采用DDS频率合成器，能输出各种波形，而且能够轻松调节幅值和频率。DDS同DSP（数字信号处理）一样，是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。 图2.2 DDS的原理框图一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分。频率控制寄存器可以串行

9、或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据DDS频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。2.2方案的选择根据设计要求，通过上述方案的论证与比较，我们采用AT89C51输出所需要信号的数字量，再由D/A转换器将数字量转化为模拟电流输出，通过运放转化为模拟电压输出。因为D/A数模转换器的最大输出电压是由其输入的基准电压来控制的，所以只要能控制D/A的基准电压便可以控制输出幅度，实现幅度可调

10、。所以设计用DAC0832来输出信号，通过UA741组成的单元逻辑电路实现波形的放大与整形，最后得到设计要求的幅度可调脉冲信号发生器。总体方案如下图所示：图2.3总体原理框图3单元模块的设计3.1单片机模块本次设计选用的单片机芯片是AT89C51单片机。AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。AT89C51

11、中有一个用于构成内部振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是该放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外石英晶休或陶瓷谐振器一起构成自激振荡器。外接石英晶体(或陶瓷诺振器)及电容C1, C2接在放大器的反馈回路中构成并联振荡电路。对外接电容C1, C2虽然没有十分严格的要求，但电容容量的大小会轻微影响振荡频率的高低、振荡器工作的稳定性、起振的难易程序及温度稳定性，这里选择使用石英晶休，我们的电容使用30pF。如使用陶瓷谐振器的话，应选择40pF士10pF的容值的电容。也可以采用外部时钟。采用外部时钟的电路的情况时，外部时钟脉冲接到XTAL1端，即内部时钟发生器的输

12、入端，XTAL2则悬空。 图3.1：单片机最小系统1、主电源引脚（2根） VCC(Pin40)：电源输入，接5V电源GND(Pin20)：接地线2、外接晶振引脚（2根）XTAL1(Pin19)：片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20)：片内振荡电路的输出端3、控制引脚（4根）RST/VPP(Pin9)：复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31)：程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。4、可编程输入/输出引

13、脚（32根）AT89S51单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位（8根引脚），共32 根。每一根引脚都可以编程。 PO口（Pin39Pin32）：8位双向I/O口线，名称为P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位准双向I/O口线，名称为P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位准双向I/O口线，名称为P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位准双向I/O口线，名称为P3.0P3.73.2 D/A转换模块 本次试验选择的D/A转化器是DAC0832,是一款8分辨率的D/A转换集成芯片。与微处理器完全兼容。这个DA芯片以其价格

14、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。图3.2 DAC0832内部结构图 DAC0832内部有输入寄存器和DAC寄存器，所以无需外部连接专门的锁存器。图3.3 DACA0832引脚图各引脚的功能如下：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

15、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

16、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DAC0832主要性能参数1. 分辨率为8位；2. 电流稳定时间1us；3. 可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；4. 只需在满量程下调整其线性度；5. 单一电源供电（+5V+15V）；6. 低功耗，200mW。通常DAC0832有三种不同的工作方式，主要依据对数据锁存器和DAC锁存器的控制方式划分：直通方式，单缓冲方式和双缓冲方式。其中直通方式CS,XFER,WR1和WR2直接接低电平，DAC0832随时转换输入的数据，占用的I/O口比较少，

17、但是当需要I/O口做扩展的时候容易受到干扰。 单缓冲方式者把数据锁存器和DAC锁存器的使能端接在一起，只需要一组信号就能同时控制两个寄存器的。双缓冲方式是将数据锁存器和DAC锁存器分开单独控制，这种做法容易占用大量的I/0口。综上所诉，本次设计采用了单缓冲控制方式。图3.4 DAC0832的单缓冲方式连线图3.3键盘控制模块 通常单片机外部扩展键盘的方式有独立式键盘，矩阵键盘以及专门的键盘电路。独立式键盘就是一个I/O口扩展一个开关，这种方式程序编写比较容易，只需要检测单片机I/O某一时刻是否为低电平就能检测出其的按键输入情况，而且按键和I/O口一一对应，所以能够轻松识别按键的值，缺点是由于一

18、个I/O口只能连接一个按键，当按键数量比较多的时候，势必占用了大量的I/O口，对系统的扩展造成巨大的困难。图3.5 独立键盘输入矩阵键盘相比独立式键盘其扩充的量大大增加，例如常见的4*4矩阵键盘占用的I/O口为4+4=8个，当需要扩充为20键输入时只需要4+5=9个I/O口，而采用独立式键盘的时候要分别用掉16个I/O口和20个I/O口，由于单片机的I/O口数量有限，很难将大量的I/O口用于，显然矩阵键盘能够大大的减少系统I/O口的使用，矩阵键盘的缺点是编写程序比较麻烦，需要上拉电阻系统的连线和元器件都增加。当采用行扫描方式读取键值时，需要4个上拉电阻，提供需要的高电平，当采用线反转法式需要采

19、用8个上拉电阻，显然整个电路的接线都将变得更加复杂。图3.6 矩阵键盘连线图专用的键盘电路能够实现键盘的输入，而且读取数据也比较简单，例如周立功公司的数码管键盘扩展电路7289，能同时控制8位7段共阴极数码管和64个按键输入，内部自带消抖设置，当检测按键输入时能够给单片机发送中断信号，并直接将对应的值发送给单片机，而不需要单片机另外程序对其进行识别，数码管显示部分能够通过单片机设置各位的显示段码，并设置其导通与否和偏移方向。但是采用专门的键盘电路芯片会加大设计的成本。由于本次设计使用的按键数量并不要求很多，要求的只有模式，幅值+-，所以采用独立键盘能够减少系统电路的复杂程度，也大大简化了对编程

20、的要求。3.4 I/V转化及波形放大整形模块由于D/A转化器输出的是电流信号，所以还需要将其转化为电压信号,我们采用UA741进行I/V转换，并实现波形放大整形功能。 UA741放大器为运算放大器中最常被使用的一种，拥有反相向与非反相两输入端，由输入端输入欲被放大的电流或电压信号，经放大后由输出端输出。放大器作动时的最大特点为需要一对同样大小的正负电源，其值由12Vdc至18Vdc不等，该设计我们使用15Vdc的电压。UA741运算放大器的接脚配置如图3.7所示。图3.7 UA741放大器输出入脚位图UA741运算放大器使用时需于7、4脚位供应一对同等大小的正负电源电压Vdc与Vdc，一旦于2

21、、3脚位即两输入端间有电压差存在，压差即会被放大于输出端，唯Op放大器具有一特色，其输出电压值决不会大于正电源电压Vdc或小于负电源电压Vdc，输入电压差经放大后若大于外接电源电压Vdc至Vdc之范围，其值会等于Vdc或Vdc，故一般运算放大器输出电压于到达Vdc和Vdc后会呈现饱和现象。UA741若在非反相输入端输入电压，会于输出端得到被放大的同极性输出；若以相同电压信号在反相输入端输入，则会在输出端获得放大相同倍率后但呈逆极性之信号输出。而当对放大器两输入端同时输入电压时，则是以非反相输入端电压值(V1)减去反相输入端电压值(V2)，可于输出端得到(V1V2)经过倍率放大后之输出。 该模块

22、设计原理如图3.8所示：图3-7 I/V转化模块及波形放大整形电路 4软件设计4.1 系统总框图图4-1.系统总框图4.2按键子程序本次设计由于要求对幅值进行控制，所以要求用相关的按键输入，前面已经介绍了各种按键的优缺点，最后选择了独立式键盘，+-幅值，模式选择3位，共占用3个IP口，选择P3口的高3位作为按键输入。 图4-2按键子程序框图Mode：模式选择位，用于选择输出的波形。Ampl+：幅值+位，步进为0.1，系统的基准电压为+-2.5V。Ampl-：幅值-位。程序中的模式选择是通过MODE位输入，通过设定一个模式标志位，当执行一次模式位按键程序，标志位自动+1，并指向其所指定的波形。幅

23、值选择通过按键AMPL+和AMPL-输入，当执行了幅值子程序的时候，系统通过改变X9511抽头的位置，改变其Vw的输出电压，通过VREF改变输出电压的幅值。5系统功能、指标参数该调压脉冲信号发生设计电路在输入常规频率时，可调电压范围为0v-12v，单位步进为0.1v，当按下中断按键，能实现电压幅度持续可调功能。输出仿真波形如图所示：图5-1仿真波形图6设计总结课程设计是培养学生综合运用所学知识,发现,提出,分析和解决实际问题,锻炼实践能力的重要环节,是对学生实际工作能力的具体训练和考察过程.随着科学技术发展的日新日异，单片机已经成为当今计算机应用中空前活跃的领域， 在生活中可以说得是无处不在。

24、因此作为二十一世纪的大学来说掌握单片机的开发技术是十分重要的。回顾起此次单片机课程设计，我们感慨颇多，的确，从选题到定稿，从理论到实践，在这几个星期的日子里，可以说得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的，只有理论知识是远远不够的，只有把所学的理论知识与实践相结合起来，从理论中得出结论，才能真正为社会服务，从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。7 参考文献1 徐爱钧，智能化测量控制仪表原理与设计，北京航空航天大学出版社，20042 徐爱钧，Keil Cx51 V7.0单片机高级语言编程与u Vision2应用实践，电子工业出版社，2004.3 刘乐善.微型计算机接口技术及应用M.北