【正文】 51 單片機(jī)本身就是一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，具有組成微型計(jì)算機(jī)的各部分部件：中央處理器 CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM、只讀存儲(chǔ)器 ROM、 I/O 接口電路、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器以及串行通訊接口等，只 要將 89C51 再配置鍵盤及其接口、顯示器及其接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、指示燈及其接口等四部分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成原理框圖如圖 23 所示 [9]。 DDS 芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過(guò)高速 D/A 轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個(gè)可用的模擬頻率信號(hào) [7]。 DDS 是直接數(shù)字式頻率合成器（ Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫。 鍵 盤 輸 入80 C51L CD 顯 示M A X 0 3 8運(yùn) 放波 形 信 號(hào) 檢 測(cè)A D 51 71波 形 輸 出幅 度 調(diào) 節(jié)頻 率 初 調(diào)CD 4 0 5 210 pF1μF10 μ F100 μ F波 形 選 擇圖 21 基于 MAX038 的信號(hào)發(fā)生器原理圖 DAC0832 通過(guò)查表得方式輸出需要的波形，通過(guò)單片機(jī)定時(shí)向 DAC轉(zhuǎn)化器發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)不同的幅值和頻率的輸出。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 第 2 章 整體設(shè)計(jì)方案 方案的提出和整論 常用的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法有如下幾種： ，主要是通過(guò)模擬電路實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)的輸出，在通過(guò)各種積分微分電路實(shí)現(xiàn)各種不同波形的輸出。具有線路相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強(qiáng)，用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行細(xì)微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證。 函數(shù)發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的一般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(jī)。按照輸出波形分類可以 分為：正弦信號(hào)發(fā)生器和非正弦信號(hào)發(fā)生器，非正弦信號(hào)發(fā)生器又包括：脈沖信號(hào)發(fā)生器，函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、掃頻信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字序列波形發(fā)生器、圖形信號(hào)發(fā)生器、噪聲信號(hào)發(fā)生器等。利用單片機(jī)的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)合適的人機(jī)交互界面，使用戶能夠通過(guò)手動(dòng)的設(shè)定，設(shè)置所需波形?？梢哉f(shuō)，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用已滲透到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門，微機(jī)測(cè)控技術(shù)的應(yīng)用是產(chǎn)品提高檔次和推陳出新的有效途徑 [2]。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。加之各類功能的半導(dǎo)體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種低功耗、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形 并具有程控等低頻的信號(hào)發(fā)生器成為可能 [1]。而在我們?nèi)粘Ｉ钪?，以及一些科學(xué)研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號(hào)是常用的基本測(cè)試信號(hào)。尤其隨著 70 年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號(hào)發(fā)生器向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展。 80C51。本文描述使用匯編語(yǔ)言和 PROTEUS仿真實(shí)現(xiàn)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的基本功能，實(shí)現(xiàn)了方波、三角波、正弦波、鋸 齒波，頻率可調(diào)為 10HZ、 100HZ、 500HZ、 1000HZ。目前使用的信號(hào)發(fā)生器大部分是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，且特殊波形發(fā)生器的價(jià)格昂貴。 為此，為節(jié)省成本，本文利用 80C51單片機(jī)構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器，可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波等多種特殊波形，波形的頻率可用程序控制改變。本文給出了源程序、各模塊的連接圖以及仿真圖，并做出了詳細(xì)的分析。 PROTEUS。現(xiàn)在，許多信號(hào)發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動(dòng)故障診斷和自動(dòng)波形形成和修正等功能，可以和控制計(jì)算機(jī)及其他測(cè)量?jī)x器一起方便的構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。譬如在示波器、電視機(jī)等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時(shí)基電路。 單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)是所有微處理機(jī)中性價(jià)比最高的一種，隨著種類的不斷全面，功能不斷完善，其應(yīng)用領(lǐng)域也迅速擴(kuò)大。 便攜式和智能化越來(lái)越成為儀器的基本要求，對(duì)傳統(tǒng)儀器的數(shù)字化，智能化，集成化也就明顯得尤為重要。 函數(shù)發(fā)生器分類 函數(shù)發(fā)生器應(yīng)用廣泛，種類繁多，性能各異，分類也不盡一致。按照信號(hào)發(fā)生器性能指標(biāo)可以分為一般信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。但是這種電路存在波形質(zhì)量差，控制難，可調(diào)范圍小，電路復(fù)雜和體積大等缺點(diǎn)。體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點(diǎn)。只要對(duì)電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級(jí)。但是這種方法頻率和幅值的調(diào)整比較困難，而且模擬電路受外部因素的影響較大，輸出的波形難以控制。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)各種需華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 要的波形的輸出，成本也不高，只是在擴(kuò)展外設(shè)的時(shí)候浪費(fèi)了大量的接口，以后的系統(tǒng)擴(kuò) 展可能會(huì)有影響 [6]。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比， DDS 具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。 相 位 相 加 器RO M波 形D /A 轉(zhuǎn) 換 器低 通 濾 波 器kcf N of圖 22 DDS 的原理框圖 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，頻率覆蓋系數(shù)難以達(dá)標(biāo)等缺點(diǎn)，所以決定采用方案三的設(shè) 計(jì)方法。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 顯 示 電 路鍵 盤 電 路單 片 機(jī)A / D 轉(zhuǎn) 換 電 路復(fù) 位 電 路放 大 電 路波 形 輸 出 圖 22 整體設(shè)計(jì)方案 80C51 是整個(gè)波形發(fā)生器的核心部分，通過(guò)程序的編寫和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號(hào)，并從鍵盤接收數(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)。 硬件整體設(shè)計(jì) 由頻率控制模塊、幅度控制模塊、鍵盤模塊和液晶顯示模塊組成整個(gè)系統(tǒng)。其工作系統(tǒng)框圖如下圖 41所示。 復(fù)位電路連接有三種連接方式，列舉一種，如圖 42所示 ： RSTsmVCC1RK10Ch1Eu22?80C51RST 42 復(fù)位電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路 單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩方式。本設(shè)計(jì)中時(shí)鐘電路圖如圖 43，選擇了 12MHZ和晶振分別接引腳 XTAL1 和 XTAL2，電容 C1， C2 均選擇為 30pF，對(duì)振蕩器的頻率有穩(wěn)定作用，當(dāng)頻率較大時(shí)，正弦波、方波、三角波及鋸齒波中每一點(diǎn)的延時(shí) 時(shí)間為幾微妙，故延時(shí)時(shí)間還加上指令時(shí)間才能獲得較大的頻率波形 [12]。 S1 用來(lái)切換現(xiàn)在產(chǎn)生的波形。第三次按下 S1 時(shí)，又產(chǎn)生方波信號(hào)。當(dāng)按下 S2 時(shí)，波形頻率降低，同時(shí)還要對(duì)應(yīng)向 LED 顯示緩沖區(qū)給定一個(gè)頻率值提供當(dāng)前頻率顯示所需要的數(shù)據(jù)。當(dāng) S3 沒(méi)有按下時(shí)，單片機(jī)只向 DAC0832 送波形 數(shù)據(jù)表和顯示當(dāng)前波形的頻率。當(dāng)采用行掃描方式讀取鍵值時(shí)，需要 4個(gè)上拉電阻，提供需要的高電平，當(dāng)采用線反轉(zhuǎn)法式需要采用 8個(gè)上拉電阻，顯然整個(gè)電路的接線都將變得更加復(fù)雜。 T 89 C .7K0K1K2K3K5K6K4K8 K7K9 K1 1K10K12 K14K13 K15 行線列線5V? 45 矩陣式鍵盤 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 D/A 轉(zhuǎn)換模塊 DAC0832 轉(zhuǎn)換器簡(jiǎn)介 DAC0832 是雙列直插式 8位 D/A 轉(zhuǎn)換器。從圖 中可見，在 DAC0832 中有兩級(jí)鎖存器，第一級(jí)鎖存器稱為輸入寄存器，它的允許鎖存 信號(hào)為 ILE，第二級(jí)鎖存器稱為 DAC 寄存器，它的鎖存信號(hào)也稱為通道控制信號(hào) XFER。 DAC0832 各引腳編號(hào)及其作用： 號(hào) CS 引腳：片選信號(hào)輸入線，低電平有效； 號(hào) WR1 引腳：為輸入寄存器的寫選通信號(hào)； 號(hào) AGND 引腳：模擬地，模擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地； ， 1316號(hào) D0D7 引腳：數(shù)據(jù)輸入線， TLL 電平； 號(hào) V ref 引腳：基準(zhǔn)電壓輸入（ 10V～ +10V）； 號(hào) RFB 引腳 ：反饋信號(hào)輸入線，芯片內(nèi)部有反饋電阻； 號(hào) DGND 引腳：數(shù)字地； 號(hào) IOUT1 引腳：電流輸出線，當(dāng)輸入全為 1時(shí)， IOUT1最大； 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 號(hào) IOUT2 引腳：電流輸出線，其值與 IOUT1 為一常數(shù)； 號(hào) XFRE 引腳：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)輸入線，低電平有效； 號(hào) WR2 引腳：為 DAC 寄存器寫選通輸入線； 號(hào) ILE 引腳：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號(hào)輸入線，高電平有效； 號(hào) V cc 引腳：電源輸入線（ +5V～ +15V） Vref。 D/A轉(zhuǎn)換器由 8位輸入鎖存器、 8位 DAC寄存器、 8位 D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。 D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓是由其輸入的基準(zhǔn)電壓來(lái)控制的，所以只要能控制 D/A 的基準(zhǔn)電壓便可以控制輸出幅度，實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)。 DAC0832。 華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 顯示電路設(shè)計(jì) 顯示電路是用來(lái)顯示波形信號(hào)的頻率，使得整個(gè)系統(tǒng)更加合理，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，所以顯示器件采用 LED 數(shù)碼管顯示器。 LED 顯示器工作方式有兩種：靜態(tài)顯示方式和動(dòng)態(tài)顯示方式。缺點(diǎn)是硬件電路比較復(fù)雜，成本較高。動(dòng)態(tài)顯示的亮度比靜態(tài)顯示要差一些，所以在選擇限流電阻時(shí)應(yīng)略小于靜態(tài)顯示電路中的 [16]。 頻率控制：?jiǎn)纹瑱C(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)只有 0、 1 之分，所產(chǎn)生的信號(hào)也都是離散信號(hào)。兩次采樣點(diǎn)的輸出時(shí)間間隔是由定時(shí)、計(jì)數(shù)器來(lái)控制的，因此，通過(guò)控制不同的計(jì)數(shù)初值就可以控制整個(gè)信號(hào)的頻率。單片機(jī)只能產(chǎn)生離散頻率的信號(hào)，所以所得到的信號(hào)頻率不是連續(xù)的，而是離散的頻率點(diǎn)。在中斷結(jié)束后，還要來(lái)判斷波形是否符合，如符合，華東交通大學(xué)理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 則顯示其頻率，不符則返回，重新判斷。如圖所示，在中斷服務(wù)子程序開始后，通過(guò)判斷來(lái)確定各種波形的輸出，當(dāng)判斷選擇的不是方波后，則轉(zhuǎn)向?qū)φ也ǖ呐袛啵绱朔磸?fù)。方波的幅值大小可以不用考慮，這些可由外部的運(yùn)算放大器來(lái)放大。因?yàn)槠漭敵龆擞羞\(yùn)算放大器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波形信號(hào)的放大。頻率的選擇則是通過(guò) FREQ+和 FREQ進(jìn)行選擇的，當(dāng)執(zhí)行頻率調(diào)節(jié)子程序的時(shí)候，通過(guò)改變定時(shí)的初值實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)使用 12M 晶振時(shí)候，正弦表位 256 位時(shí)，理想中最大的頻率可以達(dá)到 4KHz，當(dāng)頻率為 10Hz 的 時(shí)候，計(jì)數(shù)初值為 390。 通常的數(shù)碼管動(dòng)態(tài) 顯示程序都要進(jìn)行延時(shí)，然后靠人眼的余光實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸出，當(dāng)延時(shí)時(shí)間太小的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)數(shù)碼閃爍甚至亂碼，當(dāng)延時(shí)時(shí)間設(shè)定的太大的時(shí)候，有可能出現(xiàn)輸出斷續(xù)的可能，通常需延時(shí) 5ms， 6位數(shù)據(jù)顯示就是 30ms，而按鍵的消抖時(shí)間不過(guò) 10ms