【正文】 國內(nèi)外的研究狀況 3 3 4 第 2 章 5 5 5 6 7 8 11 11 12 15 第 3 章 16 16 17 17 17 19 19 19 20 21 23 23 24 25 26 第 4 章 27 27 27 28 28 28 29 30 31 31 結(jié) 論 32 參考文獻 33 附錄 1 35 附錄 2 42 致謝 48 第 1 章 緒 論 課題背景 隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類增多，性能高尤其隨著 70 年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展。而在我們常生活中，以及一些科學(xué)研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號是常用的基本測試信號。加之各類功能的半導(dǎo)體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種、寬頻帶，能產(chǎn) 生多種波形并具有程控等發(fā)生器成為可能。利用單片機的強大功能，設(shè)計合適的人機交互界面，使用戶能夠通過手動的設(shè)定，設(shè)置所需波形。信號發(fā)生 器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用 555 振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機。一旦工作需求功能有增 加，則電路復(fù)雜程度會大大增加。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。 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。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。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，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。在民用方面， VXI 模塊遠遠不如臺式儀器 更為方便。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。 以下給出了幾種波形發(fā)生器的性能指標，從中可以看出當(dāng)今世界上重要電子儀器生產(chǎn)商在波形發(fā)生器上的研制水平。 第 2 章 低頻信號發(fā)生器的方案研究 總體方案論證與設(shè)計 信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有以下幾種：用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不 很穩(wěn)定，不易調(diào)試。但成本較高。 內(nèi)存分配 P1 口的 ，分別控制鋸齒波、三角波、正弦波和方波 以及 P0 口與 P2 口與 DAC0832 的 DI0DI7 數(shù)據(jù)輸入端相連。 圖 31 AT89C51 芯片 它有 40 個管腳，分成兩排，每一排各有 20 個腳，其中左下角標有箭頭的為第 1 腳，然后按逆時針方向依次為第 2 腳、第 3 腳??第 40 腳。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。 P2口： P2 口為一個內(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 TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部 上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。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。 ??ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 ??EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。 ??XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。如采用外 部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。 MCS51?單片機復(fù)位電路單片機的初始化操作。 復(fù)位復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時提供復(fù)位信號，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號。值得指出的是，記住一些特殊功能寄存器復(fù)位后的主要狀態(tài)，對于了解單片機的初態(tài)，減少應(yīng)用程序中的初始化部分是十分必要的。晶振是晶體振蕩器的簡稱，在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學(xué)上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點，以頻率的高低分其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。他們是計算機應(yīng)用系統(tǒng)中必不可少的輸入、輸出設(shè)備，是控制系統(tǒng)與操作人員之間的交互窗口。鍵盤 可分為編碼鍵盤和非編碼鍵盤兩種類型。這種方法雖然沒有編碼鍵盤速度快，但它不需要專用的硬件支持，因此得到了廣泛的應(yīng)用 [9]。 反應(yīng)在電壓上就是呈現(xiàn)出高電平或低電平，若高電平表示斷開，那么低電平鍵閉合。不過單片機控制系統(tǒng)的資源有限，交互能力不強，通?？偸遣捎脝捂I按下有效，多鍵同時按下無效的原則。 鍵盤作為向系統(tǒng)提供操作人員的干預(yù)命令的接口，以其特定的按鍵代表著各種確定操作命令。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)閉合及斷開的 瞬間必然伴隨有一連串的抖動。 硬件消抖是通過在按鍵輸出電路上加一定的硬件線路來消除抖動，一般采用 R― S 觸發(fā)器或單穩(wěn)態(tài)電路。獨立式鍵盤就是各按鍵相互獨立，每個按鍵各接一根 I/O 口線，每根 I/O 口線上的按鍵都不會影響 其它的 I/O 口線 ，示例如圖 318 所示 [2]。對矩陣鍵盤的工作過程可分兩步：第一步是 CPU 首先檢測鍵盤上是否有鍵按下；第二步是再識別是哪一個鍵按下。鍵盤掃描子程序流程如圖 319 所示 。通過軟件控制液晶屏可以顯示波形的種類以及波形的頻率。 主要性能： ◆輸入的數(shù)字量為 8 位； ◆采用 CMOS 工藝，所有引腳的邏輯電平與 TTL 兼容； ◆數(shù)據(jù)輸入可以采用雙緩沖、單緩沖和直通方式； ◆轉(zhuǎn)換時間： 1us； ◆精度： 1LSB； ◆分辨率： 8 位； ◆單一電源： 5― 15V，功耗 20mw； ◆參考電壓： 10― +10V； DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料 :芯片內(nèi)有兩級輸入寄存器，使 DAC0832 具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要 如要求多路 D/A 異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等 。 該片邏輯輸入滿足 TTL 電壓電平范圍，可直接與 TTL 電路或微機電路相接，下面是芯片電路原理圖 320 圖 320 DAC0832 電路原理圖 如圖 320所示，待轉(zhuǎn)換的 8位數(shù)字量由芯片的 8位數(shù)據(jù)輸入線 D0～ D7輸入，經(jīng) DAC0832 轉(zhuǎn)換后，通過 2 個電流輸出端 IOUT1 和 IOUT2 輸出， IOUT1 是邏輯電平為 1的各位輸出電流之和， IOUT2 是邏輯電平為 0的各位輸出電流之和。有時，微機控制系統(tǒng)要求同時輸出多個模擬量參數(shù)，此時對應(yīng)于每一種參數(shù)需要一片 DAC0832，每片 DAC0832 的轉(zhuǎn)換時間相同，就可采用 DAC 寄存器對 CPU 分時輸入到輸入寄存器的各參數(shù)在同一時刻開始鎖存，進而同時產(chǎn)生各模擬信號。當(dāng)為低電平，輸入負脈沖時，則在LE 產(chǎn)生正脈沖；其中 LE 為高電平時， DAC 寄存器的輸入與輸出的狀態(tài)一致， LE負跳變，輸入寄存器內(nèi)容存入 DAC 寄存器。 DAC0832 同 CPU 的接口如圖 321所示 .DAC0832 作為微處理器的一個端口，用地址 92H 的選通作為和的控制信號，微處理器的寫信號直接來控制和。 4 RFB：反饋電阻引出端， DAC0832 內(nèi)部已經(jīng)有 反饋電阻，所以 RFB 端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。 7 AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式制作低頻信號發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。 （ 2 用輸出模擬電壓的最小值與最大值的比值表示。 DAC0808 的最大滿刻度偏差為 +1LSB 。一般用滿刻度輸出條件下溫度每升高 1℃，輸出電壓變化的百分數(shù)作為溫度系數(shù)。當(dāng)外接運放時，轉(zhuǎn)換時間還應(yīng)加上運放的上升（下降）時間。 I/V 轉(zhuǎn)換波形輸出電路 DAC0832 為電流輸出型轉(zhuǎn)換器一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運算放大器轉(zhuǎn)換成電壓。 LM324 是四運放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。 LM324 的引腳排列見圖 2。 LM324 工作原理 （管腳功能如圖所示 圖 LM324管腳圖在此項目中用了 LM324的三組運放，分別置于第一級輸出，第一、二級之間，第二級輸出。由上兩式可得： （ 13） 取，當(dāng)時，；時，；時。設(shè)計出軟件的總體結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)清晰、流程合理。即根據(jù)功能要求，描述各個輸入和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，它是關(guān)系到系統(tǒng)好壞的重要因素。 7 加強軟件抗干擾設(shè)計，它是提高系統(tǒng)應(yīng)用可靠性的有利措施。 圖 41 初始化流程圖 鍵盤掃描及處理程序設(shè)計 這部分程序包括如下幾部分： judge； 2. 先對 P1 置數(shù)，行掃描； 3. 判斷是否有鍵按下； 4. 延時 10ms，軟件去 干擾； 5. 確認按鍵按下 X P1， 保存行掃描時有鍵按下時狀態(tài)； 6. 列掃描； 7. 保存列掃描時有鍵按下時狀態(tài)； 8. 取出鍵值； 9. 執(zhí)行相應(yīng)鍵值程序。既保證不失時機的響應(yīng)鍵盤操作，又不過多占用CPU 時間。 2 定時掃描方式 這種方式就是每隔一定的時間對鍵盤掃描一次。 本系統(tǒng)采用程序控 制掃描工作方式。一旦有鍵按下，先延時 10ms，去除鍵的抖動，然后關(guān)中斷，不允許定時器T0 發(fā)生中斷。如第一行第一列GW 編碼值為 11101110 2 0xee,第二行第三列 ZKBJ 編碼值為 10111101 2 0xbd。 //先對 P1 置數(shù)行掃描 if P1 ! 0x0f //判斷是否有鍵按下 delay10ms 。 //列掃描 Y P1。 case 0xee: key2 。 case 0xbe: key4 。 務(wù)程序設(shè)計 采用定時器 T0 定時中斷，根據(jù)不同的 choice 值，產(chǎn)生不同的波形。 th t / 256。 //正弦波 b ++。 else if wave_choice 3 // 方波 k zk * 256 / 100。 else if wave_choice 4 //鋸齒波 if e 255 P0 255 e。 TL0 tl。將一個周期內(nèi)的正弦波形等分為 256 份，那么第 1點的角度為 0176。 /256 ） ??，如此計算下去，將這些模擬量正弦值都轉(zhuǎn)換為單極性方式下的數(shù)字量，得到一張按照點號順序排列的正弦波波形數(shù)據(jù)表格 [11]。計算值可以用 C 語言編程得到。 else if wave_choice 2 //三角波 if c 128 P0 c。要給一個頻率，再計算所需的延時即可。 else P0 0xff。 else if wave_choice 4 //鋸齒波 if e 255 P0 255 e。 Proteus 可提供的仿真儀表資源擬儀器儀表的數(shù)量、類型和質(zhì)量，是衡量仿真軟件實驗室是否合格的一個關(guān)鍵因素。這些都盡可能減少了儀器對測量結(jié)果的影響。 因此在仿真和程序調(diào)試時，關(guān)心的不再是某些語句執(zhí)行時單片機寄存器和存儲器內(nèi)容的改變，而是從工程的角度直接看程序運行和電路工作的過程和結(jié)果。 2 硬件投入少，經(jīng)濟優(yōu)勢明顯 對于傳統(tǒng)的采用單片機實驗教學(xué)板的教學(xué)實驗，由于硬件電路的固定，也就將單片機的 CPU 和具體的接口電路固定了下來。因此采用軟件的方式進行教學(xué)，其經(jīng)濟優(yōu)勢是比較明顯的。還有，學(xué)生畢業(yè)后想對單片機控制技術(shù)或智能儀表等有較深的研究和學(xué)習(xí)，如果采用傳統(tǒng)的實驗教學(xué)方法，則學(xué)生需要購置的設(shè)備比較多，增加了他們學(xué)習(xí)和研究的投入。 5 與工程實踐最為接近，可以了解實際問