【正文】 控制產(chǎn)生正弦波、三角波、方波和鋸齒波四種常用低頻信號(hào)。 城 市 學(xué) 院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì) 基于單片機(jī)的函數(shù)發(fā)生器 學(xué)生姓名： 班 級(jí)： 專(zhuān) 業(yè)： 指導(dǎo)教師 ： 2020 年 5 月 摘 要 信號(hào)發(fā)生器，它是一種用于產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)的電子儀器，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)它的要求越來(lái)越高?？梢酝ㄟ^(guò)鍵盤(pán)選擇波型和輸入任意頻率值。能夠產(chǎn)生多種波形 ,如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱(chēng)為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。美國(guó)安捷倫生產(chǎn)的 33250A型函數(shù) /任意波形發(fā)生器可以產(chǎn)生穩(wěn)定、精確和低失真的任意波形，其輸出頻率范圍為 1μHz ～ 80MHz，而輸出幅度為 10mVpp～ 10Vpp；該公司生產(chǎn)的 8648D 射頻信號(hào)發(fā)生器的頻率覆蓋范圍更可高達(dá) 9kHz～ 4GHz。 高頻：幾百 KHZ 到幾 MHZ。 高頻、低頻和超低頻信號(hào)發(fā)生器，大多使用文氏橋振蕩電路，即 RC 振蕩電路，通過(guò)改變電容和電阻值，改變頻率。我們可以把產(chǎn)生各種波形的程序，寫(xiě)在 ROM 中，裝入本機(jī)，按用戶的選擇，運(yùn)行不同的程序，產(chǎn)生不同的波形。 本次設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)是學(xué)習(xí)和運(yùn)用單片機(jī)的 C 語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，通過(guò)現(xiàn)有多功能電子學(xué)習(xí)機(jī)部分已有器件，實(shí)現(xiàn)利用單片機(jī) AT98C52和 8位 D/A轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832共同實(shí)現(xiàn)正弦波，方波，三角波，鋸齒波這四種常見(jiàn)波形的發(fā)生，并且可以 接收外接鍵盤(pán)輸入而在一定范圍內(nèi)改變頻率。 設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求 設(shè)計(jì)的基本要求 （ 1）原始數(shù)據(jù) 1．正弦波的頻率范圍：下限頻率為 ，上限頻率暫時(shí)不確定，但應(yīng)盡量提高，并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中分析影響上限頻率的因素和已完成的最大值。 4．頻率輸入為數(shù)字量，在 10 Hz 范圍內(nèi)分辨率為 Hz； 10～ 100Hz 內(nèi)為 1Hz； 100～ 1000Hz 內(nèi)為 10 Hz。 課題具體 的 工作內(nèi)容 本設(shè)計(jì)采用 89S52及其外圍擴(kuò)展系統(tǒng)，軟件方面主要是應(yīng)用 C語(yǔ)言設(shè)計(jì)程序。 本設(shè)計(jì)將完成以下幾個(gè)方面的工作： （ 1）選芯片，盡量滿足一般工業(yè)控制要求、以增強(qiáng)其實(shí)用性。 （ 5）掌握單片機(jī)仿真軟件 keil3 的使用。我 們通過(guò)對(duì)電路的分析，參數(shù)的確定選擇出一種最適合本課題的方案。全文共分為 六 章，本章介紹本課題的研究現(xiàn)狀和選題目的意義等；第二章介紹 函數(shù) 發(fā)生器設(shè)計(jì)的總體方案 與論證 ；第三章介紹 函數(shù) 發(fā)生器 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì) ；第四章介紹 函數(shù) 發(fā)生器 系統(tǒng)功能的軟 件設(shè)計(jì) （信號(hào)產(chǎn)生、 D/A 轉(zhuǎn)換等的軟件設(shè)計(jì)），并給出了各個(gè)子模塊的程序流程圖；第五章介紹了系統(tǒng)的調(diào)試過(guò)程和調(diào)試結(jié)果，并對(duì)系統(tǒng)調(diào)試過(guò)程中出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行了分析，給出了相應(yīng)的解決方案。 主要性能指標(biāo)正弦波的頻率范圍：下限頻率為 ，上限頻率暫時(shí)不確定，但應(yīng)盡量提高，并在實(shí)驗(yàn)報(bào)告中分析影響上限頻率的因素和已完成的最大值 ； 輸出正弦波中不能含有尖峰干擾 ； 輸出正弦波峰峰值最大為 5 V、最小幅度自定，直流偏移為177。 3％，六位數(shù)碼管顯示 。且單片機(jī)功耗低，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。并且 FPGA作為數(shù)字邏輯器件，競(jìng)爭(zhēng)、冒險(xiǎn)是數(shù)字邏輯器件較為突出的問(wèn)題，因此在使用時(shí)必須注意毛刺的產(chǎn)生、消除及抗干擾性。 方案二：為了提高單片機(jī)的資源利用率和運(yùn)行的效率 ,按鍵顯示部分我們直接使用 zlg7289 擴(kuò)展鍵盤(pán)，鍵盤(pán)與單片機(jī)連接。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； 178。 一般功耗僅為 15mW； 178。C ，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為 ?40176。 178。 178。 178。 178。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅 為 32μS ，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。但由于 DO端與 DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將 DO 和 DI 并聯(lián)在一根 數(shù)據(jù)線上使用。在第 1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前 DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。當(dāng) 2 位數(shù)據(jù)為 “0” 、 “1” 時(shí)，將 CH0作為負(fù)輸入端 IN， CH1 作為正輸入端 IN+進(jìn)行輸入。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第 11個(gè)字節(jié)的下沉輸出 DATA0。如果作為由 IN+與 IN輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。用過(guò)匯編語(yǔ)言后再使用 C來(lái)開(kāi)發(fā)，體會(huì)更加深刻。 Keil C51 單片機(jī)軟件開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu) C51 工具包的整體結(jié)構(gòu)， uVision 與 Ishell 分別是 C51 for Windows 和for Dos 的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境 (IDE)，可以完 成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開(kāi)發(fā)流程。 ABS 文件由 OH51 轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的 Hex 文件，以供調(diào)試器 dScope51 或 tScope51 使用進(jìn)行源代碼級(jí)調(diào)試，也可由仿真器使用直接對(duì)目標(biāo)板進(jìn)行調(diào)試，也可以直接寫(xiě)入程序存貯器如 EPROM 中 。 uVision2 IDE 可為它們提供單一而靈活的開(kāi)發(fā)環(huán)境。開(kāi)發(fā)工具選項(xiàng)可以對(duì)應(yīng)目標(biāo)，組或單個(gè)文件。 第三部分編輯器和調(diào)試器 一、源代碼編輯器 uVision2 編輯器包含了所有用戶熟悉的特性。用戶啟動(dòng) V2 調(diào)試器之后，斷點(diǎn)即被激活。 三、調(diào)試函數(shù)語(yǔ)言 uVision2 中，你可以編寫(xiě)或使用類(lèi)似 C 的數(shù)語(yǔ)言進(jìn)行調(diào)試。 一、 protel99se 概述 Protel 99 SE 主要由原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)、印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng)兩大部分組成。 2．印制電路板設(shè)計(jì)系統(tǒng) 它是一個(gè)功能強(qiáng)大的印制電路板設(shè)計(jì)編輯器，具有非常專(zhuān)業(yè)的交互式布線及元件布局的特點(diǎn)，用于印制電路板（ PCB）的設(shè)計(jì)并最終產(chǎn)生 PCB 文件，直接關(guān)系到印制電路板的生產(chǎn)。 同時(shí)，它還提供了一個(gè)高效、通用的可編程邏輯器件設(shè)計(jì)工具。由于系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中要進(jìn)行大量的運(yùn)算和存儲(chǔ)，所以對(duì)機(jī)器的性能要求也比較高，配置越高越能充分發(fā)揮它的優(yōu)點(diǎn)。 3．印制電路板的設(shè)計(jì) 印制電路板的設(shè)計(jì)主要是利用 Protel 99 SE 的 PCB 設(shè)計(jì)系統(tǒng)來(lái)完成印制電路板圖的繪制 第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 單片機(jī)及其外圍電路 單片機(jī)介紹 89S52單片機(jī)有 44個(gè)引腳 PLCC和 TQFP方形封裝形式， 40個(gè)引腳的雙列直插式封裝形式，最常用的 40個(gè)引腳封裝形式及其配置如圖 31所示，各個(gè)引腳功能說(shuō)明如下： 圖 31 單片機(jī) GND：接地 P0口： P0口是一個(gè) 8位漏極開(kāi)路的雙向 I/O口。在這種模式下， P0具有內(nèi)部上拉電阻。對(duì) P1 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使 用。 P2口： P2口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4個(gè) TTL 邏輯電平。在這種應(yīng)用中， P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1。對(duì) P3 端口寫(xiě)“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉電阻把端口拉高，此時(shí)可以作為輸入口使用。 RST：復(fù)位輸入。 DISRTO默認(rèn)狀態(tài)下，復(fù)位高電平有效。然而，特別強(qiáng)調(diào)，在每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， ALE脈沖將會(huì)跳過(guò)。這個(gè) ALE 使能標(biāo)志位（地址為 8EH的 SFR的第 0位）的設(shè)置對(duì)微控制器處于外部執(zhí)行模式下無(wú)效。為使能從 0000H 到 FFFFH的外部程序存儲(chǔ)器讀取指令， EA 必須接 GND。 XTAL2：振蕩器反相放大器的輸出端。晶振電路解法圖 32，一條引腳接在 XTAL1，另一條接在 XTAL2。設(shè) U5 的輸入電壓為 2V ； ADC0832(2)的內(nèi)部的電阻為 2R 。 o u t4 1 2 3U U + U + U? 即： 9 1 13 9 9 32out4 out 3 314 1 13 14 13 2 11 13 3 1112 129 1 13 9 32out 314 1 13 14 13 2 11 3 1112 12()U U 12 U 12()() U 12()R R R R R RRR R R R R R R R R R R RR R R R RRR R R R R R R R R R R?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ??? ? ? ?? ? ? ? ? ?左 左左 左（ ）下面對(duì) out4U 的結(jié)果作一些輔助說(shuō)明： 特例：當(dāng) 23RR? 時(shí) 9 1 13ou t4 1 ou t 314 1 13 14()U U U()R R RR R R R?? ? ? ?? 以下進(jìn)行代入數(shù)據(jù)的具體的分析： 于是對(duì)于將圖 312 與圖 313 及連在一起時(shí)，這時(shí)系統(tǒng)的的框圖如圖 314 圖 314 對(duì)于如圖 DAC 轉(zhuǎn)換部分電路圖如圖所示 當(dāng)單片機(jī)分別向 DAC0832（ 1）和 DAC0832（ 2）輸入數(shù)據(jù) 1D 和 2D 時(shí) 0 2 2 2U = D V R = 1 2 D / 2 5 6?? （ 1） 0 1 1 0 2 1U = D V R = U D / 2 5 6?? （ 2） 0 3 1 0 1 0 2 3 1U = R / R U U R / R?? （ 3） 其中 13R =R =10k?， 2R =20k? ，代入以上各式，得 0 0 2 1U = U (D /1 2 8 1 )/2? （ 4） 或著： 1 0 0 2D = 1 2 8 (U /U + 1 )? （ 5） 由 （ 4） 式可知，當(dāng) 1D 在 0～ 255 之間變化時(shí)， 0U 可在 02U2? ～ 02U+2 之間 變化，即輸出信號(hào)的峰峰值可由 02U 控制。當(dāng)電位器的滑動(dòng)觸頭分別位于最右端與最左端時(shí)，輸出電壓分別為 4v 和 +4v，電位器的電壓與輸出的電壓通過(guò)一個(gè)加法器實(shí)現(xiàn)直流偏移的調(diào)節(jié)。 方案一：用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器 見(jiàn)圖 315 圖 315 方案二：用二極管折線近似電路以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器 根據(jù)二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波 —— 正弦波的變換的原理圖，頻率調(diào)節(jié)部分設(shè)計(jì)時(shí)，可先按三個(gè)頻率段給定三個(gè)電容值： 1000pF、 f、 F 然后再計(jì)算 R 的大小。輸入波形中不能含有直流成分 。由于 5G8038 本身的線性度僅在掃描頻率范圍 10： 1 時(shí)為 %，更大范圍（如 1000： 1）時(shí)線性度隨之變壞，所以控制電壓經(jīng)μ A741 后再送入5G8038 的 8 腳，這樣會(huì)有效地改善壓控線性度（優(yōu)于 1%）。 圖 316 方案三 由軟件產(chǎn)生。 將 各種波形的數(shù)據(jù)固定在單片機(jī)的程序存儲(chǔ)器里，通過(guò)改變這些數(shù)據(jù)的輸出速度來(lái)改變信號(hào)的頻率，然后通過(guò)改變 D/A 轉(zhuǎn)換器的參考點(diǎn)要來(lái)改變信號(hào)的峰峰值，電路較為簡(jiǎn)單，成本較低。這種方式占用系統(tǒng)資源較多，并且效率低，程系編寫(xiě)大量而復(fù)雜。 zlg7289A 是一片具有串行接口的可同時(shí)驅(qū)動(dòng) 8 位共陰式數(shù)碼管或 64 只獨(dú)立 LED 的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片該芯片同時(shí)還可連接多達(dá) 64 鍵的鍵盤(pán)矩陣單片即可完成LED 顯示﹑鍵盤(pán)接口的全部功能 zlg7289A 內(nèi)部含有譯碼器可直接接受 BCD 碼或16 進(jìn)制碼并同時(shí)具有 2 種譯碼方式參看后文此外還具有多種控制指令如消隱﹑閃 爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等 zlg7289A 具有片選信號(hào)可方便地實(shí)現(xiàn)多于 8 位的顯示或多于 64 鍵的鍵盤(pán)接口 。179。179。 0H～ 9H 0～ 9 1000 0001 1 0179。179。179。 DH L 1000 0101 5 0179。179。179。179。 AH A 1100 1010 2 0179。179。179。 EH E 1100 1110 6 0179。高字節(jié)操作碼為“ 88H”，低字節(jié)為數(shù)據(jù)位“ d7～ d0”分別控制第 8 個(gè)到第 1個(gè)數(shù)碼管的是否閃爍，0為閃爍， 1為不閃爍，開(kāi)機(jī)后默認(rèn)不閃爍； ? 消隱控制 雙字節(jié)指令，控制各個(gè)數(shù)碼管的消隱屬性。 串行接口 zlg7289A 采用串行方式與微處理器通訊串行數(shù)據(jù)從 DATA 引腳送入芯片并由 CLK 端同步當(dāng)片選信號(hào)變?yōu)榈碗娖胶?DATA 引腳上的數(shù)據(jù)在 CLK 引腳的上升沿被寫(xiě)入 zlg7289A 的緩沖寄存器 。 單片機(jī) zlg7289 notCS CLK DIO notKEY 表 4