【正文】 口的8255A芯片組成。硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)中首先需要單片機(jī)將數(shù)據(jù)寫入RAM中，然后需要RAM將數(shù)據(jù)發(fā)送給DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就意味著RAM即要從單片機(jī)接受數(shù)據(jù)又要輸出數(shù)據(jù)給DAC。方案二：采用常用的8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案三的液晶可以顯示漢字和圖形，這些功能在本次設(shè)計(jì)中用不到。方案二可以節(jié)省單片機(jī)的I/O口資源，但是其編程方法（行掃描法和反轉(zhuǎn)掃描法）難度較大。單片機(jī)通過程序改變送給第一片DAC0832的數(shù)字量來改變其輸出電壓，即第二片DAC的參考電壓Vref，從而改變幅值。但是由于輸出高頻時(shí)受到軟件執(zhí)行（例如對(duì)定時(shí)器的重新賦值指令需要占用4個(gè)機(jī)械周期，一周期波形需要進(jìn)行256次再賦值操作，所以一個(gè)周期也就引入了的誤差）的影響，在高于1KHz時(shí)得到波形頻率與期望頻率誤差較大，—1KHz。將一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)離散成256個(gè)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)（），然后令微處理器的累加器A自身循環(huán)增加，沒增加一次即向DAC送出一個(gè)波形采樣數(shù)據(jù)，并啟用一次定時(shí)器延時(shí)。方案三中的專用處理器生成的波形頻段寬，穩(wěn)定性好，精度高，執(zhí)行速度快，且編程簡(jiǎn)單，不需要外圍硬件電路，但是芯片價(jià)格昂貴。167。但是考慮到在實(shí)際的工業(yè)設(shè)計(jì)中所需的波形頻率是有限的，針對(duì)特定的系統(tǒng)我們可以通過分頻得到多個(gè)頻率來滿足系統(tǒng)的要求。因此只可用于低頻波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)。我將此種方法稱作“程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì)”[6]。 總體方案選擇波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)可以通過多種方案來實(shí)現(xiàn)，在設(shè)計(jì)之前需要對(duì)各種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較和選擇：方案一：采用分立元件構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩器，然后根據(jù)所需波形的要求加入積分電路等構(gòu)成波形發(fā)生器，如圖21所示。第一章主要介紹了課題的研究背景、發(fā)展、意義，設(shè)計(jì)的整體內(nèi)容以及任務(wù)安排。該波形發(fā)生器系統(tǒng)采用51單片機(jī)進(jìn)行控制，DAC0832芯片進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換。 選題意義雖然我國(guó)對(duì)于波形發(fā)生器的研制起步較晚，但是通過幾年的努力也取得了一些可喜的成果。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器產(chǎn)生的波形比較單一，如正弦波、方波、脈沖波、三角波等。所以模擬技術(shù)的波形發(fā)生器的發(fā)展在后期也受到了一定的制約。因此隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)今對(duì)信號(hào)源的頻率穩(wěn)定度、頻譜純度和頻率范圍以及信號(hào)波形的形狀提出越來越高的挑戰(zhàn)。本次設(shè)計(jì)運(yùn)用Keil c軟件采用C語言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)，使用仿真軟件Proteus進(jìn)行系統(tǒng)功能校驗(yàn)，并使用Protel軟件制作印刷電路板（PCB）。從上世紀(jì)20年代起，世界上對(duì)于波形發(fā)生器的研究與改進(jìn)從未間斷過，到現(xiàn)今已經(jīng)研制出了用于不同頻域的各種高性能的波形發(fā)生器。 PCB設(shè)計(jì) 49167。 按鍵子程序 40167。 波形產(chǎn)生及調(diào)幅模塊 34167。 EDA軟件Protel 28第4章 硬件實(shí)現(xiàn)及模塊設(shè)計(jì)電路 29167。 89C51單片機(jī) 15167。 顯示模塊方案設(shè)計(jì) 11167。 本文研究的主要內(nèi)容 4167。本次設(shè)計(jì)的兩種方案均能產(chǎn)生頻率、幅值可調(diào)的正弦波、三角波、鋸齒波和方波四種波形。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上波形發(fā)生器種類匱乏，價(jià)格昂貴。關(guān)鍵詞：波形發(fā)生器，單片機(jī)，DAC0832，程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì)，硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)THE DESIGN OF WAVEFORM GENERATOR BASED ON 51 MCUABSTRACTWaveform generators are widely used in the electronics industry, automatic control and scientific experiments and other fields. Currently, waveform generators, in domestic market, are very limit. So the development of a waveform generator which is fully functional and easy to use is very important for experimental, research, and industrial needs.This article describes two schemes of the design of waveform generator (WG) based on 51 MCU and DAC 0832 chip. And the two schemes have their own advantages to meet different areas’ need. Among them, in the scheme of programmable WG design, we use the MCU to generate waveform data, and then use the timer timing to control DAC converter which translate the waveform data into the output waveform. This scheme expanded with LED display module and keyboard module, which has a good humanmachine interaction. In hardware WG design scheme, we use the MCU to generate waveform data or accept the data from PC, and then transfer this data to external RAM. Specially, we use an external circuit to control the DAC conversion. This design can generate highfrequency waves, and it also has good scalability. What’s more, these two schemes can produce four kinds of waveforms (sine, triangle, sawtooth and square wave)。 子系統(tǒng)模塊方案選擇 7167。 系統(tǒng)總體框圖 13167。 定時(shí)器555 25167。 波形產(chǎn)生及調(diào)幅模塊 30167。 按鍵模塊 37167。 定時(shí)器中斷子程序 43167。 硬件波形發(fā)生器仿真結(jié)果 54167。所以說研制一種功能齊全、使用方便的波形發(fā)生器十分重要。以便于讀者能夠通過本篇文章對(duì)本次設(shè)計(jì)全面理解。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，波形發(fā)生器實(shí)現(xiàn)了從定性分析的測(cè)試儀器到用于測(cè)試接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)波形發(fā)生器的轉(zhuǎn)變。但是由于這時(shí)期的設(shè)計(jì)主要采用軟件去實(shí)現(xiàn)程控波形的功能，所以也就帶來了一些問題，即由于CPU工作頻率的制約使得設(shè)計(jì)產(chǎn)品只能輸出低頻波形。 早期的任意波形發(fā)生器主要著重音頻等低頻頻段，現(xiàn)在的任意波形發(fā)生器已擴(kuò)展到射頻頻段，目前任意波形發(fā)生器的帶寬可以達(dá)到2GHz，足夠仿真許多移動(dòng)通信、衛(wèi)星電視的復(fù)雜信號(hào)。但是總的來說，這些設(shè)計(jì)產(chǎn)品價(jià)格昂貴主要應(yīng)用于航空、軍事等高端領(lǐng)域，在日常民用方面并沒有形成自己真正的產(chǎn)業(yè)。（3） 擴(kuò)展有顯示輸出模塊顯示當(dāng)前輸出波形的類型、頻率和峰值信息。第四章對(duì)系統(tǒng)兩種設(shè)計(jì)方案的硬件電路各模塊的設(shè)計(jì)及工作方法分別進(jìn)行詳細(xì)介紹。圖21 采用分立元件構(gòu)成的簡(jiǎn)易波形發(fā)生器方案二：采用單片機(jī)控制的單片函數(shù)發(fā)生器（如8038芯片）來進(jìn)行波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)。對(duì)以上五個(gè)方案進(jìn)行比較，可以得出如下結(jié)論：方案一由于采用分立元件，模擬信號(hào)容易受到干擾難以保證高的精度（如放大器有飽和失真、截止失真、交越失真，集成電路難免有零點(diǎn)漂移），且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)備體積較大，不便于波形參數(shù)的調(diào)節(jié)。方案五“硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)”[9]首先它運(yùn)用單片機(jī)將波形數(shù)據(jù)寫入SRAM中，然后由外部時(shí)鐘源控制SRAM向D/A轉(zhuǎn)換器輸送數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。綜上所述，本次設(shè)計(jì)采用方案四和方案五進(jìn)行兩種不同應(yīng)用領(lǐng)域的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)。方案三：選用專用于波形發(fā)生器的集成微處理器8XC196MC/MD作為控制器。167。當(dāng)然通過對(duì)定時(shí)器初值的設(shè)定可以改變波形的頻率。 調(diào)幅方案設(shè)計(jì)在此之前，首先需要說明DAC0832的輸出電壓的計(jì)算方法： (211)其中Vref為DAC0832的基準(zhǔn)電壓，N為單片機(jī)送給DAC0832的8位數(shù)字量。綜合考慮而言，硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)選擇方案一，程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì)選擇方案三。 顯示模塊方案設(shè)計(jì)方案一：采用LED七段數(shù)碼管對(duì)波形類型、頻率和幅度進(jìn)行顯示。167。167。由于設(shè)計(jì)時(shí)RAM的輸入和輸出不是同步進(jìn)行的，可以運(yùn)用鎖存器去控制不同執(zhí)行階段數(shù)據(jù)的傳輸方向。 硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)，鍵盤電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，串行通信模塊，USB供電模塊，由外部時(shí)鐘和分頻電路組成的調(diào)頻模塊以及8255A芯片，SRAM芯片組成。 主要芯片介紹為了便于對(duì)下章硬件電路進(jìn)行說明，本節(jié)將對(duì)設(shè)計(jì)中起主要作用的一些芯片進(jìn)行介紹，如89C51[11]、8255A[12]、DAC0832[13]、DAC90555[14]、74161。GND：接地。P0口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。 T0，定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入端，輸入。ALE/：地址鎖存允許信號(hào)，輸出。可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。表32 控制寄存器—TCON各位功能位名稱功能D7TF1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出標(biāo)志D6TR1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的運(yùn)行控制位D5TF0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的溢出標(biāo)志D4TR0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的運(yùn)行控制位D3IE1外部中斷1請(qǐng)求標(biāo)志位D2IT1外部中斷1請(qǐng)求標(biāo)志位出發(fā)類型選擇D1IE0外部中斷0請(qǐng)求標(biāo)志位D0IT0外部中斷0請(qǐng)求標(biāo)志位出發(fā)類型選擇（3） 數(shù)據(jù)寄存器THTL1和TH0、TL0T0、T1各有1個(gè)16位的數(shù)據(jù)寄存器，它們都是由高8位寄存器和低8位寄存器組成，這四個(gè)寄存器的地址如表33所示。計(jì)數(shù)溢出時(shí)，TFx置位。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。（2） 與所有通用微處理器可直接連接。：為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。Vcc：電源輸入線 (+5v~+15v)Vref：基準(zhǔn)電壓輸入線 (10v~+10v)AGND：模擬地，摸擬信號(hào)和基準(zhǔn)電源的參考地。在本次設(shè)計(jì)中8255A主要是用于對(duì)單片機(jī)的I/O口進(jìn)行擴(kuò)展[17]。VCC：運(yùn)行時(shí)加+5V電壓。表38 8255A控制字各位功能位功能D7為1時(shí)，表示為工作方式控制字；為0時(shí)，表示C口置位控制字D6A口工作方式選擇：00—方式0；01—方式1；1X—方式2D5D4A口輸入輸出選擇：1—輸入；0—輸出D3C口高位輸入輸出選擇：1—輸入；0—輸出D2B口工作方式選擇：0—方式0；1—方式1D1B口輸入輸出選擇：1—輸入；0—輸出D0C口低位輸入輸出選擇：1—輸入；0—輸出167。：復(fù)位，低電平有效。 計(jì)數(shù)器7416174161是常用的四位二進(jìn)制可預(yù)置的同步加法計(jì)數(shù)器，他可以靈活的運(yùn)用在各種數(shù)字電路，以及單片機(jī)系統(tǒng)種實(shí)現(xiàn)分頻器等很多重要的功能。Q0~Q3而只有當(dāng)==CEP=CET=CP脈沖上升沿作用后，計(jì)數(shù)器加1。 設(shè)計(jì)軟件介紹本次設(shè)計(jì)總共分為硬件仿真設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和PCB板制作設(shè)計(jì)，對(duì)此分別應(yīng)用了Proteus、Keil C51和Protel三個(gè)軟件，下面對(duì)這三個(gè)軟件進(jìn)行說明。還可以直接在基于原理圖的虛擬原型上編程，再配合顯示及輸出，能看到運(yùn)行后輸入輸出的效果。在開發(fā)大型軟件時(shí)更能體現(xiàn)高級(jí)語言的優(yōu)勢(shì)。 程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì)硬件電路如圖22 程控波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖所示，本方案的硬件系統(tǒng)可以分為：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)及I/O擴(kuò)展模塊，波形產(chǎn)生及調(diào)幅模塊，按鍵模塊和LED顯示模塊。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制，本設(shè)計(jì)采用將上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵復(fù)位的組合復(fù)位方式，使得系統(tǒng)在上電瞬間可以自行復(fù)位，也可以通過按鍵K1隨時(shí)對(duì)系統(tǒng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)中8255A只是用于向外設(shè)輸出數(shù)據(jù)，因此設(shè)定為方式0，控制字為0x80H（控制位各位含義參見表38）。然后同樣將運(yùn)用運(yùn)放將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓輸出。由于38譯碼器產(chǎn)生的位選信號(hào)與LED所需的信號(hào)極性相反，所以需要8個(gè)反相器，即兩片7404芯片。按鍵“L”和“R”控制LED左右移位選擇，按鍵“+”“”控制LED數(shù)值的加1和減1，這4個(gè)按鍵配合使用來對(duì)波形的頻率和幅值數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定更改。圖46 單片機(jī)最小系統(tǒng)及I/O擴(kuò)展模塊其中單片機(jī)外圍晶振電路、這里不再贅述，只對(duì)I/O擴(kuò)展8255A的功能進(jìn)行說明。此種設(shè)計(jì)方案幅值仍然沒有超出系統(tǒng)的線性區(qū)，因此理論上不會(huì)出現(xiàn)飽和失真現(xiàn)象。另外需要說明的是這里用于置位的信號(hào)RCO和引腳LOAD極性相反，所以需要加入反相器7404。其電路連接如圖49所示。圖410 按鍵模塊4路開關(guān)中其中前兩路控制波形的選擇，不再贅述，具體見表41。兩者電平不匹配，必須對(duì)電平進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即由12V轉(zhuǎn)換為5V。但是仍具有如下缺點(diǎn)：（1） 匯編語言是面向機(jī)器的，處于整個(gè)計(jì)算機(jī)語言層次結(jié)構(gòu)的底層，故被視為一種低級(jí)語言，通常是為特定的計(jì)算機(jī)或系列計(jì)算機(jī)專門設(shè)計(jì)的。167。主程序的流程圖如圖51。 顯示子程序該顯示子程序的結(jié)構(gòu)為一個(gè)順序結(jié)構(gòu)體。此段波形程序的主要作用是對(duì)定時(shí)器初始化和開中斷操作，然后等待定時(shí)器中斷去完成波形輸出。由于一個(gè)字節(jié)8位最大為255，再繼續(xù)加一為0，即上個(gè)周期的最后一個(gè)數(shù)據(jù)（255）自增一就為下個(gè)周期的第一個(gè)數(shù)據(jù)（0），故鋸齒波的波形數(shù)據(jù)設(shè)置變量s3依次自增一就可實(shí)現(xiàn)。 主程序本設(shè)計(jì)方案的主程序?yàn)橐豁樞蚪Y(jié)構(gòu)體。i++)”將256個(gè)波形數(shù)據(jù)寫入RAM中，每個(gè)循環(huán)是將i值作為地址信息，tosin