波形发生器的设计

1、综合实验设计报告学生姓名:刘哲学 号：2011301020104学 院:电气工程学院班 级:电信111题 目:波形发生器的设计指导教师： 尹维春、王冬铂 职称: 2015 年 1 月 12 日一 设计要求综合运用电子技术解决电力系统中的实际应用问题，完成电子系统的设计、模拟电路和数字电路的构成、仿真和电路测试。基本要求要求学生学会使用电子电路的测试、熟练应用相关仪器仪表和设备。完成电路设计、仿真、硬件电路实现、相关程序编写和指标测试，写出详细的工程实践报告。微信：413605930二 设计原理及框图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

2、各种波形。周期的改变可采用插入延时子程序的方法来实现。开 始读取波形选择开关状态调波形发生子程初 始 化波形判别驱动相应的数码结 束波形转换否 图1 主程序流程图信号的产生:利用8位D/A转换器DAC0808,可以将8位数字量转换成模拟量输出。数字量输入的范围为0255，对应的模拟量输出的范围在VREF-到VREF+之间。根据这一特性，可以利用单片机的并行口输出的数字量，产生常用的波形。例如，要产生幅度为05V的锯齿波，只要将DAC0808的VREF-接地，VREF+接+5V，单片机的并行口首先输出00H，再输出01H、02H，直到输出FFH，再输出00H，依此循环，这样在图4.2所示的Vou

3、t端就可以看到在0到5V之间变化的锯齿波。三 器件说明3.1 MCS-51单片机的内部结构3.1.1 内部结构概述典型的MCS-51单片机芯片集成了以下几个基本组成部分： 1. 一个8位的CPU2. 128B或256B单元内数据存储器（RAM）3. 4KB或8KB片内程序存储器（ROM或EPROM）4. 4个8位并行I/O接口P0P3。5. 两个定时/计数器。6. 5个中断源的中断管理控制系统。7. 一个全双工串行I/O口UART（通用异步接收、发送器） 8. 一个片内振荡器和时钟产生电路。图2 单片机引脚3.1.2 CPU结构CPU 是单片机的核心部件。它由运算器和控制器等部件组成

4、。1. 运算器 运算器以完成二进制的算术/逻辑运算部件ALU为核心。它可以对半字节（4）、单字节等数据进行操作。例如，能完成加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等算术运算，完成与、或、异或、求反、循环等逻操作，操作结果的状态信息送至状态寄存器。运算器还包含有一个布尔处理器，用以处理位操作。它以进位标志位C为累加器，可执行置位、复位、取反、位判断转移，可在进位标志位与其他可位寻址的位之间进行位数据传诵等操作，还可以完成进位标志位与其他可位寻址的位之间进行逻辑与、或操作。2.程序计数器PCPC是一个16位的计数器，用于存放一条要执行的指令地址，寻址范围为64kB，PC有自

5、动加1功能，即完成了一条指令的执行后，其内容自动加1。3.指令寄存器 指令寄存器用于存放指令代码。CPU执行指令时，由程序存储器中读取的指令代码送如指令寄存器，经指令译码器译码后由定时有控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。3.1.3 存储器和特殊功能寄存器1.存储器（Memory）是计算机系统中的记忆设备，用来存放程序和数据。计算机中的全部信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果都保存在存储器中。它根据控制器指定的位置存入和取出信息。2.特殊功能寄存器特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为80HFFH。在MCS51中，除程序计数器PC和四个工作寄存器区外，其余21个

6、特殊功能寄存器都在这SFR块中。其中5个是双字节寄存器，它们共占用了26个字节。各特殊功能寄存器的符号和地址见附表2。其中带号的可位寻址。特殊功能寄存器反映了8051的状态，实际上是8051的状态字及控制字寄存器。用于CPU PSW便是典型一例。这些特殊功能寄存器大体上分为两类，一类与芯片的引脚有关，另一类作片内功能的控制用。与芯片引脚有关的特殊功能寄存器是P0P3，它们实际上是4个八位锁存器（每个I/O口一个），每个锁存器附加有相应的输出驱动器和输入缓冲器就构成了一个并行口。MCS51共有P0P3四个这样的并行口，可提供32根I/O线，每根线都是双向的，并且大都有第二功能。其余用于芯片控制的

7、寄存器中，累加器A、标志寄存器PSW、数据指针DPTR等的功能前已提及。微信：4136059303.2 P0-P3口结构P0口功能:P0口具有两种功能：第一，P0口可以作为通用I/O接口使用，P0.7P0.0用于传送CPU的输入/输出数据。输出数据时可以得到锁存，不需外接专用锁存器，输入数据可以得到缓冲。第二，P0.7P0.0在CPU访问片外存储器时用于传送片外存储器de低8位地址，然后传送CPU对片外存储器的读写P1口 功能:P1口的功能和P0口de第一功能相同，仅用于传递I/O输入/输出数据。 P2口的功能:2口的第一功能和上述两组引脚的第一功能相同，即它可以作为通用I/O使用。它的第二功

8、能和P0口引脚的第二功能相配合，作为地址总线用于输出片外存储器的高8位地址。 P3口功能:P3口有两个功能：第一功能与其余三个端口的第一功能相同；第二功能作控制用，每个引脚都不同。 P3.0RXD串行数据接收口 P3.1TXD串行数据发送口 P3.2INT0外中断0输入 P3.3INT1外中断1输入 P3.4T0计数器0计数输入 P3.5T1计数器1计数输入 P3.6WR外部RAM写选通信号 P3.7RD外部RAM读选通信号 3.3 时钟电路和复位电路单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准；复位操作则使单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。3.3.1时钟电路单

9、片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡方式。图3 时钟部分电路图在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐振荡器，构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自积振荡，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ、或24MHZ。单片机的时序单位振荡周期:晶振的振荡周期，又称时钟周期，为最小的时序单位。状态周期:振荡频率经单片机内的二分频器分频后提供给片内CPU的时钟周期。因此一个状态周期包含2个振荡周期。机器周期:1个机器周期由6个状态周期12个振荡周期组成，是计算机执行一种基本操作的时间单位。指令周期:执行一条指令所需的时

10、间。一个指令周期由1-4个机器周期组成，依据指令不同而不同.3.3.2单片机的复位状态当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST(全称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时，根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：上电复位和上电或开关复位。上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。图4 复位电路单片机的复位操作使单片机

11、进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这表明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能寄存器复位后的状态为确定值统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要寄存器

12、设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据则不变。微信：4136059303.4 DAC0832的引脚及功能1. DAC0832芯片：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DA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。2. DAC0832的主要特性参数如下：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；只需在满量程下调整其线性度；单一电源供电（+5V+15V）；低功耗，200mW。3. DAC0832结构： D0D7：8

13、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

14、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4 DAC0832的工作方式：根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式四 设计过程依据应

15、用场合需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。依据不同的设计要求选取不同的设计方案。通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。有些场合可能还需要任意波形的产生。各种波形共有的指标有：波形的频率、幅度要求，频率稳定度，准确度等。对于不同波形，具体的指标要求也会有所差异，例如，占空比是脉冲波形特有的指标。波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为三大类：纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。微信：4136059304.1 方案一波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角

16、波。工作原理嗍也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号；石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号且稳定度高；对于频率低于几MHz，特别是在几百

17、Hz时，常采用RC振荡电路。RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。其中，以文氏桥振荡电路最为常用。目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里，外加少量的电阻、电容元件来实现。采用这种方法的突出优势是电路简单，实现方便，精度高，性能优越；缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。实际中应用较多的单片函数信号发生器有MAX038(最高频率可达40MHz)和ICL8038(最高频率为300kHz)。4.2 方案二波形发生器设计的纯软件法 波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。虚拟仪器鞠使传统仪

18、器发生了革命性的变化，是21世纪测试仪器领域技术发展的重要方向。它以计算机为基础，软件为核心，没有传统仪器那样具体的物理结构在计算机上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。例如用图形化编程工具LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板(如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面)，在软件的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功能；完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。实现任意波形发生器的功能。采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效，仅改变软件程

19、序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。从长远角度来看，纯软件法成本较低。软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法。4.3 方案三1.软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器为核心（如图2.2）。辅以键盘控制、液晶显示等电路，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器，同时还可以扩展波形发生器的功能，比如通过软件编程控制实现波形的存储、运算、打印等功能，采用USB接口设计。使波形发生器具有远程通信功能等。目前，实验、科研和

20、工业生产中使用的信号源大多采用此方法来实现。AT89C51单片机DAC0832复位键键盘数码管显示图 5 软硬件结合的波形发生器2. 纯硬件设计法功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外。基本不被采用。纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵活，但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。综

21、合以上几种设计方案，本设计采用方案三的方法软硬件设计法。其方案能够产生很好的波形，也易实现。微信：413605930五. 仿真调试过程5.1 锯齿波仿真图图6 锯齿波仿真锯齿波产生是通过P0口将00H送入寄存器A中，DAC0832输出A中的内容，读取P2口的状态，取反后作为延时常数，当A中的内容不为0FFH时，A中的内容加1，当A中的内容等于FFH返回开始，从而输出波形。锯齿波程序void juchi() uint i; i=0; while(1) P0=i; delay(t); i=i+1; P0=i; delay(t); xianshiqi(t); if(i=256) i=0; if(s5

22、=0) t=t+1; if(s6=0) t=t-1; 5.2 三角波仿真图图7 三角波仿真三角波产生是通过P0口将00H送入寄存器A中，DAC0832输出A中的内容，通过A中数值的加1递升，同时延时，当A中的内容为0FF时，A中的内容减1递减，从而循环产生三角波。三角波程序如下：void sanjiaobo() uint j=0; while(1) P0=j;delay(t);j=j+1;P0=j;delay(t); xianshiqi(t);if(j=256) if(j!=0) j=j-1; P0=j; delay(t); xianshiqi(t); if(s5=0) t=t+1; if(s

23、6=0) t=t-1; if(s5=0) t=t+1; if(s6=0) t=t-1; 5.3 方波仿真图图8 方波的仿真方波产生是通过P0口将00H输出给DAC0808，输出对应模拟量，然后读取P2口的状态，取反后作为延时常量，延时时间到，将FFH输出时，同样输出对应模拟量，再延时，从而得到方波。方波程序如下：void fangbo() while(1) P0=256; delay(t); P0=0; delay(t); xianshiqi(t); if(s5=0) t=t+1; if(s6=0) t=t-1; 5.4 正弦波仿真图图9 正弦的波仿真正弦波波形设计通过查表指令得出。正弦程序如下：void zhengxianbo() uint k=0; while(1) P0=tablek+; delay(t); xianshiqi(t); if(k=182) k=0; if(s5=0) t=t+1; if(s6=0) t=t-1; 六. 设计体会及收获在本次设计的过程中，我发现很多的问题，虽然以前还做过这样的设计但这次设计