单片机应用技术（C语言 第二版）课件：简易波形发生器

任务一数控电压源任务二简易波形发生器本任务的内容用按键控制单片机系统输出模拟电压，具体功能要求为：1．输出电压范围：0~9.9V，步进0.1V，即每按下一次按键，电压值变化0.1V。2．输出电压值由数码管显示。3．由“＋”“－”两键分别控制输出电压步进增减。任务提出任务一数控电压源根据任务内容，需要输出0~9.9V的直流电压，步进为0.1V。如果每个电压值对应一个数据，也就是要求输出100个数据。表示100个数据最少需要7位二进制，因此，在本任务中选择8位数模转换器件DAC0832实现来实现数模转换。任务分析为了实现按键输入和数据显示，系统硬件以单片机最小系统为控制核心，增加按键电路和显示器件的驱动电路，同时将单片机的数据连接到DAC0832的数据接口，即可形成数控电压源的基本硬件电路。整个系统的框图如图所示。数控电压源硬件系统框图由于单片机端口及DAC0832内部都有锁存器，在系统没有按下按键时，输出电压受锁存的数据控制，将一直维持设定数据。因此，在编写控制程序时，可以不断检测按键，在确认有键按下时修改输出数据即能够实现输出电压的修改。一、D/A转换的基本概念能将数字量转换成模拟量的电路，称为数/模转换器（Digital-AnalogConverter），简称DAC或D/A转换器。相关知识完成D/A转换的具体电路有多种，特别是单片大规模集成D/A转换器的问世，为实现数模转换提供了极大的方便，使用者可借助于器件手册提供的器件性能指标及典型应用电路，正确使用这些器件。目前市场上供应的D/A变换器芯片种类颇多，按数据位数可分为8位、10位、12位等，按转换速度有低速、高速之分，按数据的传送方式有串行和并行之分。D/A转换芯片所需的基准电压UREF有芯片内部电路提供和外部引脚接入两种方式，多数转换电路由片外提供基准电源。为了使D/A转换器能连续输出模拟信号，CPU送给D/A转换器的二进制数值通过锁存保持，然后再与D/A转换器相连接。有的D/A转换器芯片内部带有锁存器，此种芯片可作为CPU的一个外围设备端口，挂在总线上。在需要进行D/A转换时，CPU通过片选信号和写控制信号将数据写至D/A转换器。二、D/A转换器的主要性能指标1．分辨率分辨率是指D/A转换器能分辨的最小输出模拟增量，取决于输入数字量的二进制位数。2．建立时间从数字信号输入DAC起，到输出电流（或电压）达到稳态值所需的时间为建立时间。建立时间的长短决定了数/模转换的速度，是DAC最重要的指标之一。3．转换精度转换精度是指满量程时DAC的实际模拟输出值和理论值的接近程度。4．偏移量误差偏移量误差是指输入数字量为零时，输出模拟量对零的偏移值。5．线性度线性度是指DAC的实际转换特性曲线和理想直线之间的最大偏移差。三、DAC0832简介DAC0832是采用CMOS工艺制成的单片电流输出型8位数模转换器。如图所示是DAC0832的逻辑框图及引脚排列，表是DAC0832的引脚功能说明。DAC0832逻辑框图和引脚排列DAC0832的引脚功能四、TL431简介德州仪器公司（TI）生产的TL431是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。因其性能好、价格低，广泛应用在各种电源电路中。例如，数字电压表、可调压电源、开关电源等。TL431是一种并联稳压集成电路。其输出电压用两个电阻就可以任意地设置2.5~36V范围内的任何值，如图a所示。图b相当于a中的R2短路且R3开路，电路稳压值为固定的2.5V。TL431的典型动态阻抗为0.2Ω，在很多应用中用它代替齐纳二极管。TL431的典型应用电路一、硬件设计根据任务目标和任务分析，本任务要输出0~9.9V的模拟电压，采用DAC0832来实现数模转换。任务实施DAC0832是典型的R-2R网络DAC器件，按DAC0832的典型应用电路，其输出电压与基准电压的极性相反，且输出的幅度略小于基准电压。在本任务中选择DAC0832的基准电压为-10V，用并联可调基准TL431实现基准电压的稳压。DAC0832采用直通方式，数据端直接连接到单片机的P3口。DAC0832的输出端采用运算放大器NE5532将输出电流转换为模拟电压，因最大输出电压约10V，在电路中NE5532采用±15V供电。本任务通过按键控制输出模拟电压，由于按键数量少，采用端口读取按键的方式检测按键是否按下，在电路中将按键一端直接接在单片机的引脚上，另一端直接接地。任务目标中要求用两只数码管显示两位数据，采用端口直接驱动共阳极数码管的静态显示电路。其中显示整数个位的数码管的小数点直接连接到地，使该数码管一直显示小数点。通过硬件电路和元器件的选择，本任务中单片机应用系统的硬件电路如图所示。D/A转换输出多种指定模拟电压原理图二、软件设计本系统中DAC0832采用直通工作方式，所以只需向单片机P3端口直接赋值，就能从DAC0832的电流输出端所接运算放大器NE5532的输出引脚得到所需要的模拟电压信号。数控电压源系统程序流程图a)主程序

b)按键检测及处理函数三、Proteus仿真参照前面任务介绍的方法和步骤进行Proteus仿真。在仿真时，按下“+”按键，将使显示的数字增加，同时使运放输出的模拟电压上升；按下“-”按键，将使显示数字减小，同时使运放输出的模拟电压下降。如图所示为通过按键设置输出电压为2.5V时的仿真效果图。数控电压源仿真效果图在单片机应用系统中常需要用单片机作为信号源，为电路提供模拟信号。本任务以按键控制单片机系统，通过DAC0832输出三角波和正弦波，要求输出频率为100Hz。任务提出任务二

简易波形发生器根据任务目标，需要控制DAC0832输出模拟电压形成正弦波和三角波。这两种不同的波形频率均为100Hz。两个波形的区别是按指定顺序依次输出不同的模拟电压。为了实现按键选择输出不同的波形，系统硬件以单片机最小系统为控制核心，增加按键电路，同时将单片机的数据连接到DAC0832的数据接口，即可形成波形发生器的基本硬件电路。整个系统的框图如图所示。任务分析简易波形发生器硬件系统框图在数字化处理系统中，往往需要对模拟信号进行抽样处理。所谓抽样，就是对时间连续的信号隔一定的时间间隔抽取一个瞬时幅度值（样值）。在进行模拟/数字信号的转换过程中，当抽样频率大于信号中最高频率的2倍时，抽样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，这一原理称为抽样定理，又称奈奎斯特定理。一般实际应用中，要求采样频率为信号最高频率的5～10倍。相关知识在实际应用中还应注意在抽样前后对模拟信号进行滤波，把高于1/2抽样频率的频率滤掉，这是抽样中必不可少的步骤。抽样定理说明一个连续模拟信号完全可用离散样本值表示。可以用抽样的方式将模拟信号变为离散的数字信号，这样数字信号又可以还原出原模拟信号。一、硬件设计根据任务目标和任务分析，本任务由单片机最小系统、按键及DAC0832相关电路组成。任务实施在本任务中，选择DAC0832的基准电压为5V，在DAC0832的输出端采用运算放大器NE5534将输出电流转换为模拟电压，故输出电压范围为0~-5V，在电路中NE5534采用±9V供电。如果要得到纯交流信号，可以在运放的输出端串接一隔直流的电容，也可以使用运算电路平移电平实现。本任务通过两只按键控制输出波形，将按键直接接在单片机的外部中断引脚上，可使用外部中断检测按键。通过硬件电路和元器件的选择，本任务中单片机应用系统的硬件电路如图所示。简易波形发生器电路原理图二、软件设计本系统中DAC0832采用直通工作方式，所以只需向单片机P3端口直接赋值，就能从DAC0832的电流输出端所接运算放大器NE5534的输出引脚得到所需要的模拟电压信号。根据任务要求，由按键控制电路输出波形，所以在程序中必须要检测这两个按键。而这两个键连接在外部中断的两个引脚上，最简单、有效的方法是使用外部中断的方式。同时，因为只要检测到键按下就转换到相应的状态，所以不需要按键的消抖，并且外部中断应使用边沿触发的方式。本任务中设置P3.2所接按键功能为输出三角波，设置P3.3所接按键功能为输出正弦波。切换输出方式时，使用一个全局变量作为波形标志，规定其值为1时为三角波状态，值为2时为正弦波状态。在系统初始化时，将波形标志初始化为0，不输出信号，此时规定输出为0，则在外部中断0中将该标志设置为1，在外部中断1中将该标志设置为2即可实现输出波形的切换。对于输出信号的频率，由于这里只是一个演示程序，设置其输出为100Hz，即每个周期需要10ms，为了方便，将每个周期的输出确定为250个点，则每两个不同的输出值之间就相差40μs。对于这个固定的时间间隔，程序中采用定时中断完成。为了保证定时的准确，在定时中断服务程序中设置一个标志。在主程序中，当时间标志出现的时候，根据波形标志的不同，输出不同的数值，以输出规定的波形。下面分析使用DAC0832输出三角波和正弦波的具体控制程序。1.三角波的输出从单片机传输到DAC的数字量最小变化量为1，当输入数字量变化1时，数/模转换器对应输出的模拟量的大小就是其分辨率，随着数字的增大或减小，数/模转换器输出模拟量也随之增大或减小，因而从数/模转换器输出的三角波不是理想的线性变化三角波，只有当电压的变化量很小时，才可以看作是线性增长（降低）的。2.正弦波的输出与三角波相似，系统也只能输出近似的正弦波。不同的是，正弦波不通过计算的方式来获得需要输出的数字量，因为