【正文】 常州大學(xué)硬件實習(xí)報告 第 1 頁 共 31 頁 目 錄 1 波形發(fā)生器概述 ..................................... 1 波形發(fā)生器的背景 ............................... 1 波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r ........................... 1 2 設(shè)計要求 ........................................... 2 3 硬件設(shè)計 ........................................... 3 設(shè)計方案 ...................................... 3 系統(tǒng)總框圖 ................................. 3 8255 可編程通用并行接口芯片 ..................... 4 DAC0832 芯片 ................................... 6 ADC0832 芯片 ................................... 7 51 單片機(jī)原理 ………………………………………………… . 硬件原理圖設(shè)計 ……………………………………………… . 4 軟件設(shè)計 ........................................... 8 軟件框圖設(shè)計 ………………………………………………… 源程序代碼 ………………………………………………………… 5系統(tǒng)調(diào)試及分析 ..................................... 17 運行結(jié)果 ..................................... 17 軟件調(diào)試錯誤及處理 ............................ 19 硬件接線調(diào)試 .................................. 19 6心得體會 ....................................... 19 參考文獻(xiàn) ............................................ 19 附錄 1 ........................................... 20 常州大學(xué)硬件實習(xí)報告 第 2 頁 共 31 頁 背景 波形發(fā)生器也稱函數(shù)發(fā)生器，作為實驗信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒波，正弦波，方波，三角波等波形。 在電子工程、通信工程、自動控制、遙測控制、測量儀器、儀表和計算機(jī)等技術(shù)領(lǐng)域，經(jīng)常需要用到各種各樣的信號波形發(fā)生器。隨著集成電路的迅速發(fā)展，用集成電路可很方便地構(gòu)成各種信號波形發(fā)生器。用集成電路實現(xiàn)的信號波形發(fā)生器與其它 信號波形發(fā)生器相比，其波形質(zhì)量、幅度和頻率穩(wěn)定性等性能指標(biāo)，都有了很大的提高。 波形發(fā)生器的發(fā)展?fàn)顩r及應(yīng)用 波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標(biāo)準(zhǔn)信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進(jìn)行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進(jìn)行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。 在 70 年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函 數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標(biāo)準(zhǔn)波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復(fù)雜的電路和機(jī)電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。 在 70 年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、 A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的 功能擴(kuò)大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對 DAC 的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能、高價格的函數(shù)發(fā)生器、但是 HP 公司推出了型號為 HP770S 的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A 任意波形數(shù)字化和 HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。 HP8770A 實際上也只能產(chǎn)生 8 中波形，而且價格昂貴。不久以后， Analogic 公司推出了型號為 Data2020 的多波形合成器， Lecroy 公司生產(chǎn)的型號為 9100 的任意波形發(fā)生器等。 到了二十一世紀(jì)，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過 GHz 的 DDS 芯片，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展， 2021 年， Agilent的產(chǎn)品 33220A 能夠產(chǎn)生 17 種波形，最高頻率可達(dá)到 20M， 2021 年的產(chǎn)品 N6030A 能夠產(chǎn)生高達(dá) 500MHz 的頻率，采樣的頻率可達(dá) 。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面： 常州大學(xué)硬件實習(xí)報告 第 3 頁 共 31 頁 （ 1）過去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng) 用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種強(qiáng)有力的數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復(fù)合成 v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生。從而促進(jìn)了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機(jī)語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言 (如 Visual Basic ,Visual C 等等 )編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許 從計算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。 （ 2）與 VXI 資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機(jī)的插卡以及新近開發(fā)的 VXI 模塊。由于 VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用 VXI 系統(tǒng)測量產(chǎn)生復(fù)雜的波形， VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā) VXI 模塊的周期長，而且需要專門的 VXI 機(jī)箱的配套使用，使得波形發(fā)生器 VXI 模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面， VXI 模塊遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如臺式儀器更為方便。 （ 3）隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一 段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。 早在 1978 年，由美國 Wavetek 公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為 5MHz ，可以形成 256 點 (存儲長度 )波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為 8bit，主要用于振動、醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號源，經(jīng)過將近 30 年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高 。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強(qiáng)。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 設(shè)計內(nèi)容 設(shè)計一個波形發(fā)生器，能產(chǎn)生三角波、方波、正弦波。用按鍵來選擇波形輸出（ A按鍵輸出三角波， B按鍵輸出方波， C按鍵輸出正弦波），調(diào)節(jié)電位器能改變輸出波形的頻率。并用四位 LED 顯示，第 1 位顯示目前輸出什么波形，后 3位顯示頻率值，即經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后得到的數(shù)字值。 設(shè)計目的 2．掌握軟硬件的相互配合和相 互作用的關(guān)系 常州大學(xué)硬件實習(xí)報告 第 4 頁 共 31 頁 設(shè)計方案 系統(tǒng)總體框圖： 系統(tǒng)框圖 使用 51 單片機(jī)來控制 8255 輸入輸出 ,鍵盤輸入和七段數(shù)碼管顯示由 8255控制 ,按 A選擇三角波代碼為 A，按 B 選擇方波代碼為 B，按下 C選擇正弦波代碼為 C。通過軟件程序來判斷是哪種波形，由 DAC0832 產(chǎn)生波形。通過 ADC0809，將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量 ,數(shù)字量可作為軟件中的參數(shù)，通過電位器調(diào)節(jié)模擬量而改變數(shù)字量從而改變波形頻率。波形的頻率可以通過 一系列的算法計算出顯示在數(shù)碼管上。 8255 芯片 8255 是 Intel 公司生產(chǎn)的可編程并行 I/O 接口芯片，有 3 個 8 位并行 I/O口。具有 3 個通道 3 種工作方式的可編程并行接口芯片（ 40 引腳）。 其各口功能可由 軟件 選擇，使用靈活，通用性強(qiáng)。 8255 可作為單片機(jī)與多種外設(shè)連接時的中間接口電路。 8255 作為主機(jī)與外設(shè)的連接芯片，必須提供與主機(jī)相連的 3 個總線接口，即數(shù)據(jù)線、地址線、控制線接口。同時必須具有與外設(shè)連接的接口 A、B、 C 口。由于 8255 可編程 ,所以必須具有邏輯控制部分，因而 8255 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 分為 3 個部分：與 CPU 連接部分、與外設(shè)連接部分、控制部分。 1）與 CPU 連接部分 根據(jù)定義， 8255 能并行傳送 8 位數(shù)據(jù)，所以其數(shù)據(jù)線為 8 根 D0～ D7。單片機(jī) 8255A 鍵盤輸入 數(shù)碼管顯示 DAC0832 示波器 ADC0809 電位器 常州大學(xué)硬件實習(xí)報告 第 5 頁 共 31 頁 由于 8255 具有 3 個通道 A、 B、 C，所以只要兩根地址線就能尋址 A、 B、C 口及控制寄存器，故地址線為兩根 A0～ A1。此外 CPU 要對 8255 進(jìn)行讀、寫與片選操作，所以控制線為片選、復(fù)位、讀、寫信號。各信號的引腳編號如下： （ 1）數(shù)據(jù)總線 DB：編號為 D0～ D7，用于 8255 與 CPU 傳送 8 位數(shù)據(jù)。 （ 2）地址總線 AB：編號為 A0～ A1，用于選擇 A、 B、 C 口與控制寄存器。 （ 3）控制總線 CB：片選信號、復(fù)位信號 RST、寫信號、讀信號。當(dāng)CPU 要對 8255 進(jìn)行讀、寫操作時，必須先向 8255 發(fā)片選信號選中 8255 芯片，然后發(fā)讀信號或?qū)懶盘枌?8255 進(jìn)行讀或?qū)憯?shù)據(jù)的操作。 2）與外設(shè)接口部分 根據(jù)定義， 8255 有 3 個通道 A、 B、 C 與外設(shè)連接，每個通道又有 8 根線與外設(shè)連接，所以 8255 可以用 24 根線與外設(shè)連接，若進(jìn)行開關(guān)量控制，則 8255 可同時控制 24 路開關(guān)。各通道的引腳編號如下： （ 1） A 口：編號為 PA0～ PA7，用于 8255 向外 設(shè)輸入輸出 8 位并行數(shù)據(jù)。 （ 2） B 口：編號為 PB0～ PB7，用于 8255 向外設(shè)輸入輸出 8 位并行數(shù)據(jù)。 （ 3） C 口：編號為 PC0～ PC7，用于 8255 向外設(shè)輸入輸出 8 位并行數(shù)據(jù)，當(dāng) 8255 工作于應(yīng)答 I/O 方式時， C 口用于應(yīng)答信號的通信。 3）控制器 8255 將 3 個通道分為兩組，即 PA0～ PA7 與 PC4～ PC7 組成 A組， PB0～PB7 與 PC0～ PC3 組成 B 組。如圖 所示，相應(yīng)的控制器也分為 A 組控制器與 B 組控制器，各組控制器的作用如下： （ 1） A 組控制器：控制 A 口與上 C 口的輸入與 輸出。 （ 2） B 組控制器：控制 B 口與下 C 口的輸入與輸出。 8255 管腳 常州大學(xué)硬件實習(xí)報告 第 6 頁 共 31 頁 特性 (1)一個并行輸入 /輸出的 LSI 芯片 ,多功能的 I/O 器件 ,可作為 CPU 總線與外圍的接口 . (2)具有 24 個可編程設(shè)置的 I/O 口 ,即 3 組 8 位的 I/O 口為 PA 口 ,PB 口和 PC 口 .它們又可分為兩組 12 位的 I/O 口 ,A 組包括 A 口及 C 口 (高 4位 ,PC4~PC7),B 組包括 B 口及 C 口 (低 4 位 ,PC0~PC3).A 組可設(shè)置為基本的I/O 口 ,閃控 (STROBE)的 I/O 閃控式 ,雙向 I/O3 種模式 。B 組只能設(shè)置為基本I/O 或閃控式 I/O 兩種模式 ,而這些操作模式完全由控制寄存器的控制字決定 . 引腳功能 RESET:復(fù)位輸入線，當(dāng)該輸入端處于高電平時，所有內(nèi)部寄存器（包括控制寄存器）均被清除，所有 I/O 口均被置成輸入方式。 CS:芯片選擇信號