【正文】 1 目錄 一、前言 ............................................................ 2 二、設(shè)計要求 ........................................................ 2 三、方案設(shè)計與論證 .................................................. 3 信號發(fā)生電路方案論證 ......................................... 3 顯示方案論證 ................................................. 3 鍵盤方案論證 ................................................. 4 四、總體系統(tǒng)設(shè)計 .................................................... 5 五、單元電路設(shè)計 .................................................... 6 功能與基本原理 ............................................... 6 主板： MCS51 單片機 .......................................... 6 波形轉(zhuǎn)換（ D/A）電路 .......................................... 7 復(fù)位電路 ..................................................... 9 外部時鐘電路 ................................................ 10 數(shù)碼管顯示部分電路 ......................................... 10 鍵盤電路原理 ............................................... 11 六、系統(tǒng)軟件 ....................................................... 13 輸出的各 個波形程序 .......................................... 14 延時程序 .................................................... 21 鍵盤掃描程序 ................................................ 21 數(shù)碼管顯示 .................................................. 24 波形頻率調(diào)節(jié) ................................................ 25 七、調(diào)試結(jié)果與調(diào)試說明 ............................................. 26 硬件調(diào)試 .................................................... 26 軟件調(diào)試 .................................................... 26 調(diào)試結(jié)果 ................................................... 27 八、實驗成果 ....................................................... 28 九、總結(jié)與感想 ..................................................... 31 十、參考文獻 ....................................................... 32 十一、附件材料 ..................................................... 33 元器件清單 ................................................. 33 實物圖片 ................................................... 35 程序 ....................................................... 36 2 一、前言 波形發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學(xué)實驗等領(lǐng)域。目前使用波形發(fā)生器大部分是利用分立元件組成的起體積大，可靠性差，準確度低。本次課程設(shè)計使用的 8051 單片機構(gòu)成的發(fā)生器可產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波、等多種波形，波形的周期可以用程序改變，具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、性能優(yōu)越等優(yōu)點。在本設(shè)計的基礎(chǔ)上，加上鍵盤控制，則可通過鍵盤設(shè)定所需要的波形頻率。 二、設(shè)計要求 利用 51 系列單片機、數(shù)碼管或點陣 LCD、 D/A 轉(zhuǎn)換器DAC832等器件，設(shè)計一個 簡易波形發(fā)生器 。 該 簡易波形發(fā)生器具體設(shè)計要求 如下： （ 1）可以輸出單極性和雙極性波形。 （ 2）輸出波形形狀可選。波形包括正弦波、脈沖波、方波，鋸齒波等?？梢酝ㄟ^按鍵選擇。 （ 3）輸出頻率可調(diào)，可以通過兩 個按鍵（‘ +’、‘ ’）調(diào)整。 3 三、方案設(shè)計與論證 信號發(fā)生電路方案論證 方案一：通過單片機控制 D/A，輸出四種波形。此方案輸出的波形不夠穩(wěn)定，抗干擾能力弱，不易調(diào)節(jié)。但此方案電路簡單、成本低。 方案二：使用傳統(tǒng)的鎖相頻率合成方法。通過芯片IC145152，壓控振蕩器搭接的鎖相環(huán)電路輸出穩(wěn)定性極好的正弦波，再利用過零比較器轉(zhuǎn)換成方波，積分電路轉(zhuǎn)換成三角波。此方案，電路復(fù)雜，干擾因素多，不易實現(xiàn)。 方案三：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)生準確的三角波、方波、正弦波三種周期性波形。但此方案成本高，程序復(fù)雜度高。 以上三種方案綜合考慮，選擇方案一。 單片機的選擇論證 方案一： AT89S52 單片機是一種高性能 8 位單片微型計算機。它把構(gòu)成計算機的中央處理器 CPU、存儲器、寄存器、I/O 接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構(gòu)成較為完整的計算機、而且其價格便宜。 方案二： C8051F005 單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與 8051 兼容的微控制器內(nèi)核，與 MCS51 指令集完全兼容。除了具有標準 8052 的數(shù)字外設(shè)部 件，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，而且執(zhí)行速度快。但其價格較貴 以上兩種方案綜合考慮，選擇方案一。 顯示方案論證 方案一：采用 LED 數(shù)碼管。 LED 數(shù)碼管由 8 個發(fā)光二極管組成，每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視 4 覺暫留特性，當每只數(shù)碼管顯示的時間間隔小于 1/16s 時人眼感覺不到閃動，看到的是每只數(shù)碼管常亮。 方案二：采用 LCD 液晶顯示器 1602。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示字母，但價格較貴。 以上兩種方案綜合考慮，選擇方案一。 鍵盤方案論證 方案一：采用獨立按鍵，他的按鍵的數(shù)目比少，但是它的結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，執(zhí)行效率高等優(yōu)勢。 方案二：采用矩陣鍵盤，它以較少得 IO 口實現(xiàn)了按鍵的功能，隨之其操作比較復(fù)雜。 經(jīng)對比，由于我們需求的按鍵比較多，對執(zhí)行的效率比較高，所以采用矩陣按鍵。 5 四、總體系統(tǒng)設(shè)計 該系統(tǒng)采用單片機作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單片機完成人機界面、系統(tǒng)控制、信號的采集分析以及信號的處理和變換，采用按鍵輸入，利用數(shù)碼管顯示電路輸出數(shù)字顯示的方案。將設(shè)計任務(wù)分解為按鍵電路、數(shù)碼顯示電路等模塊。 總體 方框圖 6 五、單元電路設(shè)計 本系統(tǒng)由單片機、波形轉(zhuǎn)換（ D/A）電路、顯示接口電路、鍵盤電路、電源電路等五部分組。 原理圖如下圖所示 功能與基本原理 功能：形成掃描碼、鍵值識別、案件處理、參數(shù)設(shè)置、字符設(shè)置等形成液晶顯示波形的類型及頻率和幅值；通過定時器 0 產(chǎn)生定時中斷，形成波形的數(shù)字編碼，并輸出到 D/A接口電路和顯示驅(qū)動電路。 主板： MCS51 單片機 7 如果按功能劃分，它由 8 個部件組成，即微處理器（ CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（ RAM）、程序存儲器（ ROM/EPROM）、 I/O 口（ P0口、 P1 口、 P2 口、 P3 口）、串行口、定時器 /計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（ SFR）的集中控制方式。 軟、硬件設(shè)計是必不可少的，為了滿足功能和指標的要求，資源分配為：單片機用 12MHz 晶振， P0 口與 DAC0832 相連； P2 口接矩陣按鍵，實現(xiàn)頻率、幅值以及波形的選擇； P0口同時接 74LS374,控制數(shù)碼管的顯示。 波形轉(zhuǎn)換（ D/A）電路 功能：將波形樣值得編碼轉(zhuǎn)換成模擬值，完成波形的輸出。 8 由一片 DAC0832 和 LM324 運放組成。 DAC0832 是一個具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器的 8 位 DAC。目前生產(chǎn)的 DAC 芯片分為兩類，一類芯片內(nèi)部設(shè)置有數(shù)據(jù)寄存器，不需要外加電路就可以直接與微型計算機接口。另一類芯片內(nèi)沒有數(shù)據(jù)寄存器，輸出信號隨數(shù)據(jù)輸入線的狀態(tài)的變化而變化，因此不能直接與微型計算機接口，必須通過并行口與微型計算機接口。 DAC0832 是具有 20 條引線的雙列直插式 CMOS 器件，它內(nèi)部具有兩級數(shù)據(jù)寄存器，完成 8 位電流 D/A 轉(zhuǎn)換，股不需要外加電路。 DAC0832 是電流輸出型，示波器上顯示波形，通常需要電壓信號，電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換可以用運算放大器 LF356 實現(xiàn)。 單片機想 DAC0832 發(fā)送數(shù)字編碼，產(chǎn)生不同的輸出。先利用采樣定理對各種波形進行抽樣，然后把各種采樣值進行編碼，收到的數(shù)字量存入各個波形表，執(zhí)行程序時通過查表的方法依次取出，經(jīng)過 D/A 轉(zhuǎn)換后輸出就可以得到波形。假如 N 個點構(gòu)成波形的一個周期，則 DAC0832 輸出 N 個樣點值后，樣值點形成運動軌跡，即，一個周期。重復(fù)輸出 N 個點后，成為第二個周期。 9 復(fù)位電路 這種復(fù)位電路的工作原理是：單片機的復(fù)位電路在剛接通電時，剛開始電容是沒有電的，電容內(nèi)的電阻很低，通電后， 5V 的電通過電阻給電容進行充電，電容兩端的電會由0V 慢慢 的升到 4V 左右（此時間很短一般小于 秒）， RC構(gòu)成的微分電路在上電瞬間產(chǎn)生一個微分脈沖，其寬度大于兩個機器周期， 89C51 將復(fù)位。正因為這樣，復(fù)位腳的電由低電位升到高電位，引起了內(nèi)部電路的復(fù)位工作， RST 端電壓慢慢下降，降到一定電壓值以后，即為低電平，單片機開始正常工作（這是單片機的上電復(fù)位，也叫初始化復(fù)位）；當按下復(fù)位鍵時，電容兩端放電，電容又回到 0V 了，