【正文】 ................................... 21 出現(xiàn)問(wèn)題與解決方法 .............................................................................................. 21 實(shí)驗(yàn)總結(jié) ............................................................................................................................ 22 致謝 .................................................................................................................................... 22 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................ 22 附錄 1 電路原理圖 ........................................................................................................... 23 附錄 2 源程序 ................................................................................................................... 23 7 第一章 緒論 課題研究的動(dòng)態(tài)和意義 信號(hào)發(fā)生器也被稱(chēng)為函數(shù)發(fā)生器，主要作為試驗(yàn)用的信號(hào)源，是現(xiàn)金各種電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中不可或缺的儀器設(shè)備之一。目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的波形發(fā)生器多為純硬件搭接而成，波形種類(lèi)為正弦波、方波、三角波等各種波形。用分立元件組成函數(shù)發(fā)生器，難以達(dá)到很高的頻率，其工作也不穩(wěn)定，用集成芯片的函數(shù)發(fā)生器則可以改善這一缺點(diǎn)。既可以達(dá)到較高的頻率，又能產(chǎn)生多種易于調(diào)試的波形。利用單片集成芯片，成本也比較高。 在計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電子 技術(shù)飛速發(fā)展的今天，信號(hào)發(fā)生器的應(yīng)用越來(lái)越廣，對(duì)信號(hào)發(fā)生器的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度、頻率范圍和輸出信號(hào)的頻率微調(diào)分辨率提出越來(lái)越高的要求，普通的頻率源已經(jīng)不能滿(mǎn)足現(xiàn)代電子技術(shù)的高標(biāo)準(zhǔn)要求。國(guó)內(nèi)外紛紛設(shè)計(jì)制作先進(jìn)的信號(hào)發(fā)生器，從實(shí)用價(jià)值來(lái)看，各高校中信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用極為廣泛，能夠設(shè)計(jì)出低成本、高精度的信號(hào)發(fā)生器并推廣使用具有非常重要的意義。 基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，以性?xún)r(jià)比相對(duì)較高的 AT89C51 單片機(jī)為核心，以簡(jiǎn)單、廉價(jià)的元器件構(gòu)筑，能夠產(chǎn)生高精度、高純度的方波、三角波、正弦波，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)波形自由 切換，以及頻率和幅度在線(xiàn)調(diào)整。目前購(gòu)買(mǎi)的信號(hào)發(fā)生器價(jià)格昂貴，功能強(qiáng)大，實(shí)際在高校開(kāi)展實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用到最多的是低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。如果能夠在高校實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的儀器取代它們，將具有重要的實(shí)際意義。 單片機(jī)概述 單片機(jī)是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器 CPU 隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器 /計(jì)時(shí)器等功能（可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、 A/D 轉(zhuǎn)換器等電路）集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)具有集成度高、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、實(shí)現(xiàn)模塊化、可靠性高、處理功能強(qiáng)、速度快等特點(diǎn)，因?yàn)楸粡V泛應(yīng)用于儀器儀表、家用電器、醫(yī)用設(shè)備、航空航天、專(zhuān)用設(shè)備的智能化管理及過(guò)程控制等領(lǐng)域。 信號(hào)發(fā)射器分類(lèi) 信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)的儀器。因其應(yīng)用廣泛，種類(lèi)繁多，特性各異，分類(lèi)也不盡一致。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類(lèi)；按頻率覆蓋范圍分為低頻信號(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器和微波信號(hào)發(fā)生器；按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡(jiǎn)易信號(hào)發(fā)生器、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器和功率信 號(hào)發(fā)生器；按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號(hào)發(fā)生器、掃頻式信號(hào)發(fā)生器、程控式信號(hào)發(fā)生器和頻率合成式信號(hào)發(fā)生器等。信號(hào)發(fā)生器又稱(chēng)信號(hào)源或振蕩器，在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。 7 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求 本文是做基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，將采用編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)方波、三角波、正弦波的發(fā)生。根據(jù)設(shè)計(jì)的要求，對(duì)各種波形的頻率和幅度進(jìn)行程序的編寫(xiě)，并將所寫(xiě)程序裝入單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器中。在程序運(yùn)行中，當(dāng)接收到來(lái)自外界的命令，需要輸出某種波形時(shí)再調(diào)用相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序和波形發(fā)生程序，經(jīng)電路的數(shù) /模轉(zhuǎn)換器和運(yùn)算放大器處 理后，從信號(hào)發(fā)生器的輸出端口輸出。 第二章 方案的設(shè)計(jì)與選擇 方案的比較 方案一：采用單片函數(shù)發(fā)生器（如 8038）， 8038 可同時(shí)產(chǎn)生正弦波、方波等，而且方法簡(jiǎn)單易行，用 D/A 轉(zhuǎn)換器的輸出來(lái)改變調(diào)制電壓，也可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控調(diào)整頻率，但產(chǎn)生信號(hào)的頻率穩(wěn)定度不高。 方案二：利用 MAX038 芯片組成的電路輸出波形。 MAX038 是精密高頻波形產(chǎn)生電路，能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的三角波、方波和正弦波三種周期性波形。但此方案成本高，程序復(fù)雜度高。 方案三：采用單片機(jī)編程的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。該方法可以通過(guò)編程的方法 來(lái)控制信號(hào)波形的頻率和幅度，而且在硬件電路不變的情況下，通過(guò)改變程序來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的變換。此外，由于通過(guò)編程方法產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào)，所以信號(hào)的精度可以做的很高。 鑒于方案一的信號(hào)頻率不夠穩(wěn)定和方案二的電路復(fù)雜，所以決定采用方案三的設(shè)計(jì)方法。它不僅采用軟硬件結(jié)合，軟件控制硬件的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，使得信號(hào)頻率的穩(wěn)定性和精度的準(zhǔn)確性得以保證，而且它使用的幾種元器件都是常用的元器件，容易得到，且價(jià)格便宜，使得硬件的開(kāi)銷(xiāo)達(dá)到最省。 設(shè)計(jì)原理 本系統(tǒng)利用 AT89C51 單片機(jī)作為控制核心，采用程序設(shè)計(jì)的方法產(chǎn)生三角波、正弦波、方波等幾種波形，再通過(guò) D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，濾波放大，最終由示波器顯示出來(lái)，通過(guò)鍵盤(pán)來(lái)控制三種波形的類(lèi)型選擇、頻率變化。其系統(tǒng)框圖如圖 21 所示。 圖 信號(hào)發(fā)生器原理框圖 89C51 單片機(jī) 接口 電路 D/A 轉(zhuǎn)換器 濾波放大 輸出 7 89C51 是整個(gè)波形發(fā)生器的核心部分，通過(guò)程序的編寫(xiě)和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號(hào)，并從鍵盤(pán)接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)接口電路到達(dá)轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)也就是所需要的輸出波形。 設(shè)計(jì)功能 （ 1）本方案利用 8155 擴(kuò)展 8 個(gè)獨(dú)立式按鍵， 6 個(gè) LED 顯示器。其中“ S0”號(hào)鍵代表方波輸出，“ S1”號(hào)鍵代表正弦波輸出，“ S2”號(hào)鍵代表三角波輸出，“ S3” 號(hào)鍵代表鋸齒波輸出。 （ 2）“ S4”號(hào)鍵為 10Hz 的頻率信號(hào)，“ S5”號(hào)鍵為 100Hz 的頻率信號(hào)，“ S6”號(hào)鍵為 500Hz 的頻率信號(hào)，“ S7”號(hào)鍵為 1KHz 的頻率信號(hào)， 6 個(gè) LED 顯示器輸出信號(hào)的頻率值，選用共陽(yáng)極 LED。 （ 3）利用兩片 DAC0832 實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)的信號(hào)源，（其中一片用來(lái)調(diào)節(jié)幅度，另外一片用來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)源的輸出）。 （ 4）頻率范圍： 10~1000Hz。 （ 5） 輸出波形 幅度為 0～ 5V。 第三章 主要電路元器件介紹 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī)簡(jiǎn)介 單片機(jī) 是一種集成 電路芯片 ，是采用 超大規(guī)模集成電路 技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的 中央處理器 CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器 RAM、 只讀存儲(chǔ)器 ROM、多種 I/O 口和 中斷系統(tǒng) 、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 等功能集成到一塊 半導(dǎo)體 硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的 微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng) ，在工業(yè)控制領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。從上世紀(jì) 80 年代，由當(dāng)時(shí)的 4 位、 8 位 單片機(jī) ，發(fā)展到現(xiàn)在的 32 位 300M 的高速單片機(jī) 。 在本次設(shè)計(jì)中所使用的單片機(jī)是 AT89C51。 AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī) [13]，片內(nèi)含 4k bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器（ PEROM）和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM），器件采用 ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8位中央處理器（ CPU）和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的 AT89C52 單片機(jī)可提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域 [14]。其外形及引腳排列如圖 32 所示。 7 圖 32 AT89C51引腳圖 AT89C51 為 8 位 通用微處理器 ，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 C51 內(nèi)核，在內(nèi)部功能及管腳排布上與通用的 8xc52 相同，其主要用于會(huì)聚調(diào)整時(shí)的功能控制 [15]。功能包括對(duì)會(huì)聚主 IC 內(nèi)部 寄存器 、數(shù)據(jù) RAM 及外部接口等功能部件的初始化，會(huì)聚調(diào)整控制，會(huì)聚測(cè)試圖控制，紅外遙控信號(hào) IR 的接收解碼及與主板 CPU 通信等。主要管腳有：XTAL1（ 19 腳）和 XTAL2（ 18 腳）為振蕩器輸入輸出端口，外接 12MHz 晶振。 RST/Vpd（ 9 腳）為復(fù)位輸入端口，外接電阻電容組成的復(fù)位電路。 VCC（ 40 腳）和 VSS（ 20 腳）為供電端口，分別接 +5V 電源的正負(fù)端。 P0~P3 為可編程通用 I/O 腳，其功能用途 通常 由 軟件 定義 [16] 。 管腳功能說(shuō)明 VCC：供電電壓 4~6V 典型值 5V）； GND：接地； 復(fù)位引腳輸入高電平使 89C51 復(fù)位，返回低電平退出復(fù)位； EA/Vpp：運(yùn)行方式時(shí)， EA 為程序存儲(chǔ)器選擇信號(hào)， EA 接地時(shí) CPU 總是從外部存 儲(chǔ)器中取指令， EA 接高電平時(shí) CPU 可以從內(nèi)部或外部取指令； FLASH 編程方式時(shí)，該引腳為編程電源輸入端 Vpp（ =5V 或 12V）； PSEN:外部程序存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)， CPU 從外部?jī)?chǔ)存器取指令時(shí)，從 PSEN 引腳輸出讀選通信號(hào)（負(fù)脈沖）； ALE/PROGALE:運(yùn)行方式時(shí)， ALE 為外部?jī)?chǔ)存器低 8 位地址鎖存信號(hào)， FLASH 編程方式時(shí)，該引腳為負(fù)脈沖輸入端； XTAL1， XTAL2 為內(nèi)部振蕩器電路 (反相放大器 )的輸入端和輸出端，外接晶振電路； P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門(mén)電流。當(dāng) P0口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高； 7 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器能接收輸出 4TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收； P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出4 個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě)“ 1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址“ 1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)； P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL 門(mén)電流。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 DAC0832 簡(jiǎn)介 工作原理 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片，由 8 位輸入鎖存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路四部分構(gòu)成。 8 位輸入鎖存器用于存放主 機(jī)送來(lái)的數(shù)字量，使輸入數(shù)字得到緩沖和鎖存，并加以控制； 8 位 DAC 寄存器用于存放存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，并加以控制； 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流，由與門(mén)、與非門(mén)組成的輸入控制的輸入電路來(lái)控制 2 個(gè)寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。 當(dāng) WR2 和 XFER 同時(shí)有效時(shí)， 8 位 DAC 寄存器端為高電平“ 1”，此時(shí) DAC寄存器的輸出端 Q 跟隨輸入端 D 也就是出入寄存器 Q 端得電平變化，反之，當(dāng)端為低電平“ 0”時(shí)，第一級(jí)