【正文】 內(nèi)容 本次設(shè)計的任務(wù)是運用新一代高性能數(shù)字芯片設(shè)計一種使用方便，性能良好的獨立式波形發(fā)生器。 河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 第 2章 波形發(fā)生器系統(tǒng)方案設(shè)計及選擇 167。 方案四 ―程控波形發(fā)生器設(shè)計 ‖[8]是運用軟件編寫波形子程序，并通過單片機將數(shù)據(jù)向 D/A 轉(zhuǎn)換器的傳輸。下面分別予以介紹。（具體方法參見第四章 節(jié) ） 方案 二 ：通過對單片機的定時器（具體參見第三章 節(jié)第 3 部分 ）的編程來實現(xiàn)調(diào)頻。 方案三：采用兩片 DAC0832 串接在一起，即第一片 DAC 的電壓輸出接第二片 DAC 的基準電壓 Vref 引腳。方案二運用液 晶顯示可以顯示點陣字母和數(shù)字信息，速度快，功耗低，體積小，但是硬件價格較貴，且編程相對于 LED 較難。 由于此次設(shè)計是將波形離散成 256 個波形數(shù) 據(jù)，所以對 RAM 容量的要求大于 256B 即可。 167。 P0 口 ： 8 位漏級開路雙向 I/O 口 。具體功能表述如下： RXD，串行輸入口，輸 入。輸入編程脈沖（ PROG ）。方式 1 時的結(jié)構(gòu)圖 如圖 32。 其中， 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換電路是核心部件，它的內(nèi)部采用了 256 級的倒 R—2R 電阻譯碼網(wǎng)絡(luò)，由電流開關(guān)電路控制基準電壓 VREF，提供電阻網(wǎng)絡(luò)的電流來進行 D/A 轉(zhuǎn)換，因此轉(zhuǎn)換速度較快。當輸入全為 1 時 Iout1 最大。 PC0~PC7： C 口數(shù)據(jù)線，也可作為和外設(shè)的聯(lián)絡(luò)線。在此次設(shè)計中只用 555芯片作多諧振蕩器產(chǎn)生外部時鐘信號，在此只對此項功能進行簡要介紹。 表 38 8255A控制字各位 功能 位 功能 D7 為 1 時，表示為工作方式控制字；為 0 時，表示 C 口置位控制字 D6 A 口工作方式選擇： 00—方式 0； 01—方式 1； 1X—方式 2 D5 D4 A 口輸入輸出選擇： 1—輸入； 0—輸出 D3 C 口高位輸入輸出選擇： 1—輸入； 0—輸出 D2 B 口工作方式選擇： 0—方式 0； 1—方式 1 D1 B 口輸入輸出選擇： 1—輸入； 0—輸出 D0 C 口低位輸入輸出選擇： 1—輸入； 0—輸出 167。在本次設(shè)計中 8255A 主要是用于對單片機的 I/O 口進行擴展 [17]。 WR1 ：為輸入寄存器的寫選通信號。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 DAC0832 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 轉(zhuǎn)換集成芯片。 表 32 控制寄存器 —TCON 各位功能 位 名稱 功能 D7 TF1 定時器 /計數(shù)器 T1 的溢出標志 D6 TR1 定時器 /計數(shù)器 T1 的運行控制位 D5 TF0 定時器 /計數(shù)器 T0 的溢出標志 D4 TR0 定時器 /計數(shù)器 T1 的運行控制位 D3 IE1 外部中斷 1 請求標志位 D2 IT1 外部中斷 1 請求標志位出發(fā)類型選擇 D1 IE0 外部中斷 0 請求標志位 D0 IT0 外部中斷 0 請求標志位出發(fā)類 型選擇 （ 3） 數(shù)據(jù)寄存器 TH TL1 和 TH0、 TL0 T0、 T1 各有 1 個 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，這四個寄存器的地址如 表 33 所示 。 ALE/ PROG ： 地址鎖存允許信號，輸出。 P3 口 ： 8 位準雙向 I/O 口，具有內(nèi)部上拉電阻。 GND： 接地。 硬件波形發(fā)生器設(shè)計框圖 本系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)，鍵盤電路，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，串行 通信 模塊，USB 供電模塊，由外部時鐘和分頻電路組成的調(diào)頻模塊以及 8255A 芯片，SRAM 芯片組成。 167。 顯示模塊方案設(shè)計 方案一 ：采用 LED 七段數(shù)碼管對波形類型、頻率和幅度進行顯示。 調(diào)幅方案設(shè)計 在此之前，首先需要說明 DAC0832 的輸出電壓的計算方法： 82VrefVo N?? (211) 其中 Vref 為 DAC0832 的基準電壓 ， N 為單片機送給 DAC0832 的 8 位數(shù)字量。 167。 綜上所述，本次設(shè)計采用方案四和方案五進行兩種不同應用領(lǐng)域的波形發(fā)生器設(shè)計。 河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 對以上五個方案進行比較，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漂移），且結(jié)構(gòu)復雜，設(shè)備體積較大，不便于波形參數(shù)的調(diào)節(jié)。第四章對系統(tǒng)兩種設(shè)計方案的硬件電路各模塊的設(shè)計及工作方法分別進行詳細介紹。但是總的來說，這些設(shè)計產(chǎn)品價格昂貴主要應用于航空、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)。但是由于這時期的設(shè)計主要采用軟件去實現(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)計產(chǎn)品只能輸出低頻波形。以便于讀者能夠通過本篇文章對本次設(shè)計全面理解。 硬件波形發(fā)生器仿真結(jié)果 .............................................54 167。 按鍵模塊 ......................................................................... 37 167。 定時器 555 ......................................................................25 河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） V 167。 子系統(tǒng)模塊方案選擇 .............................................................. 7 167。目前國內(nèi)市場上波形發(fā)生器種類匱乏，價格昂貴 。 本文研究的主要內(nèi)容 .............................................................. 4 167。 89C51 單片機 ...................................................................15 167。 波形產(chǎn)生及調(diào)幅模塊 ..................................................... 34 167。 PCB 設(shè)計 .................................................................................49 167。 本次設(shè)計運用 Keil c 軟件采用 C 語言進行軟件設(shè)計，使用仿真軟件Proteus 進行系統(tǒng)功能校驗，并使用 Protel 軟件制作印刷電路板（ PCB）。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。 選題意義 雖然我國對于波形發(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。第一章主要介紹了課題的研究背景、發(fā)展、意義，設(shè)計的整體內(nèi)容以及任務(wù)安排。我將此種方法稱作 ―程控波形發(fā)生器設(shè)計 ‖[6]。但是考慮到在實際的工業(yè)設(shè)計中所需的波形頻率是有限的，針對特定的系統(tǒng)我們可以通過分頻得到多個頻率來滿足系統(tǒng)的要求。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，且編程簡單，不需 要外圍硬件電路，但是芯片價格昂貴。但是由于輸出高頻時受到軟件執(zhí)行（例如對定時器的重新賦值指令需要占用 4 個機械周期，一周期波形需要進行 256 次再賦值操作，所以一個周期也就引 入了 32 5 6 4 1 .0 2 4 1 0T m e c s? ? ? ?的誤差）的影響，在高于1KHz 時得到波形頻率與期望頻率誤差較大，且得出低于 波形的意義不大，故設(shè)定有效調(diào)頻范圍為 —1KHz。方案二可以節(jié)省單片機的 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。 方案二：采用常用的 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器 DAC0832 進行設(shè)計。 程控波形發(fā)生器 系統(tǒng) 框圖 本系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)（由 51 單片機、晶振電路和復位電路組成），鍵盤電路， LED 顯示模塊，兩片 DAC0832 構(gòu)成的調(diào)幅模塊和電源供電模塊以及用于擴展 I/O 口的 8255A 芯片組成。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， 89C51 是一種高效微控制器， 89C2051 是它的一種精簡版本。 當使用片外存儲器（ RAM 或 RAM）時，輸出高位地址。 在振蕩器工作時，在 RST 上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復位。 定時器 /計數(shù)器 T0 和 T1 由計數(shù)器 TH0、 TL0 和 TH TL1；特殊功能寄存器 TMOD 和 TCON；時鐘分頻器；輸入引腳 T0、 T INT0 和 INT1 組成。 表 35 中斷矢量地址 中斷源 中斷矢量地址 外 部中斷 0（ INT0 ） 0003H 定時器 /計數(shù)器 0（ T0） 000BH 外部中斷 1（ INT1 ） 0013H 定時器 /計數(shù)器 1（ T1） 001BH 串行口（ RI、 TI） 0023H 中斷允許控制字 IE 的字節(jié)地址為 A8H，其格式如下： 位地址 AFH AEH ADH ACH ABH AAH A9H A8H 符號 EA ES ET1 EX1 ET0 EX0 IE 寄存器中各位為 0 時，禁止中斷；為 1 時 ，允許中斷。 芯片引腳及其功能介紹如下： 圖 33 DAC0832 引腳圖 DI0~DI7：數(shù)據(jù)輸入線， TLL 電平。 可編程并行接口電路 8255A 圖 34 8255A引腳圖 Intel 公司開發(fā)的可編程并行接口電 路 8255A 具有 24 個可編程設(shè)置的 I/O口，包括 3 組 8 位的 I/O 為 PA 口、 PB 口、 PC 口，又可分為 2 組 12 位的 I/O口： A 組包括 A 口及 C 口高 4 位， B 組包括 B 口及 C 組的低 4 位。 8255A 的工作方式共有三種，本次設(shè)計實現(xiàn)的功能比較簡單，設(shè)定其工作在方式 0(基本的輸入輸出方式，即無須聯(lián)絡(luò)就可以直接進行的 I/O 方式。 河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 26 OUT：輸出。 RD ：為內(nèi)部寄存器的讀選通信號。 Rfb： 反饋信號輸入線 ， 芯片內(nèi)部有反饋電阻 。 其主要特點歸結(jié)如下： （ 1） 數(shù)字 輸入端具有雙重緩沖功能，可以雙緩沖、單緩沖或直通輸入。當 GATE=1 時， A 點的電位由 INTx 決定， B 點的電位由 TRx和 INTx 決定，即 定時器 /計數(shù)器的啟動 /停止由 TRx 和 INTx 兩個條件 決定。從片外程序存儲器取指令期間，在每個機器周期中，當 PSEN 有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0 口（數(shù)據(jù)總線）。 INT1 ， 外部中斷 1，輸入。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（這時需要加外部上拉電阻） 。 河南科技大學本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 第 3章 主要芯片及設(shè)計軟件介紹 167。但是考慮到 IDT7132 芯片的價格昂貴，且 Proteus 仿真軟件也沒有提供此類軟件，所以我選擇用普通的 6116RAM 解決問題。 硬件波形發(fā)生器設(shè)計 不準備加入顯示模塊，主要是因為此種方案適用于生成特定波形的系統(tǒng)中，使用人員并不需要經(jīng)常對波形的頻率和幅值進行更改，所以顯示模塊在此種方案中顯得冗余。方案一與方案三相比，雖然方案三增加了額外的硬件和軟件的開銷，但是可以通過按鍵對程序參數(shù)進行設(shè)定來改變輸出幅值，不需要對硬件滑動變阻器進行手動調(diào)節(jié)，具有優(yōu)越的人機交互性。如此，周而復始就可以從 DAC 得到要求的波形輸出。 方案二：選用 FPGA、 CPLD 等可編程器件組 合構(gòu)成控制模塊 [10]?；谶@些考慮，此種設(shè)計產(chǎn)品仍有很大的應用前途，例如，用于實驗教學的信號源或低頻段的工業(yè)設(shè)計。通過調(diào)節(jié)第一級運放的 RC 參數(shù)，可以改變頻率。 （ 2） 擴展有鍵盤模塊用于對對波形類型、頻率和 峰峰值 進行設(shè)定。如電子設(shè)備的性能指針測試中就需要能提供一些非常規(guī)的測試信號的信號源，即能產(chǎn)生現(xiàn)場所需要波形的任意波形發(fā)生器 (Arbitrary Waveform Generator, AWG)。 波形發(fā)生器的發(fā)展狀況 早在上世紀 20 年代就出現(xiàn)了作為測量儀器的波形發(fā)生器 [1]。在這種情況下，在實際工業(yè) 應用中往往需要設(shè)計人員自行設(shè)計出所需的波形發(fā)生器，帶來不必要的工程開銷。 波形子程序 ..................................................................... 42 167。 單片機最小系統(tǒng)及 I/O 擴展模塊 .................................. 29 167。 靜態(tài) RAM 的選擇 ..........................................................12 167。 本次設(shè)計的兩種波形發(fā) 生器具有精度高、誤差小、功耗低、數(shù)據(jù)傳輸速度快、可靠性高等特點，且具有良好的經(jīng)濟性，具有一定的開發(fā)價值。 本次設(shè)計運用 Keil c 軟件采用 C 語言進行軟件設(shè)計，使用仿真軟件Proteus 進行系統(tǒng)功能校驗，并使用 Protel 軟件制作印刷電路板（ PCB）。 D/A