【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 對(duì)也比較容易實(shí)現(xiàn)。 正弦 波是比較難以實(shí)現(xiàn)的，也是比較麻煩的， 正弦波的產(chǎn)生是通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行采樣輸出而得到的，采樣間隔越小，正弦波的輸出精度就越高，失真度越小。輸出的波形就越標(biāo)準(zhǔn)。 本章小結(jié) 本章主要介紹了低頻信號(hào)發(fā)生器目前的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。從理論方面，對(duì)課題進(jìn)行了說(shuō)明和論證，并提出了解決方案的初步方法，列出了總體方案框圖。系統(tǒng)方案的論證是十分重要的，它是設(shè)計(jì)工作的開(kāi)始，也給出了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作步驟。有了充分的準(zhǔn)備，設(shè)計(jì)才能有條不紊開(kāi)始實(shí)施。 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 6 頁(yè) 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體電路圖 系統(tǒng)大致由 D/A 轉(zhuǎn)換電 路、按鍵輸入電路、 LED 數(shù)碼管顯示電路構(gòu)成。首先通過(guò)不同按鍵選擇輸出的波形、幅值、頻率等信息，然后根據(jù)要求由單片機(jī)輸出所需要信號(hào)的數(shù)字量，再由 D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)輸出，最后通過(guò)運(yùn)放轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出。 因?yàn)?D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓與其輸入的基準(zhǔn)電壓相關(guān)，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)。所以設(shè)計(jì)用兩片 DAC0832來(lái)輸出信號(hào)，第一片 D/A 用 來(lái)輸出信號(hào)，第二片 D/A 用來(lái)控制第一片 D/A 的基準(zhǔn)電壓。 P1 口做輸出：輸出八位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。 第一級(jí) DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器將 P1 口輸出的數(shù)字信號(hào)變成連續(xù)變化的的電流信號(hào)，這個(gè)電流信號(hào)經(jīng)過(guò)兩個(gè)集成運(yùn)算放大器組成的雙極型電壓輸出電路變化成電壓信號(hào)輸出。電壓變化范圍為 5V— +5V，做第二級(jí) DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。第一級(jí) DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為 5V，由電源以及分壓電路取得電壓。 P1口的八位二進(jìn)制數(shù)輸出信號(hào)再經(jīng)過(guò)第二級(jí) DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及集成運(yùn)放輸出，使輸出電壓信號(hào) U 的變化范圍滿(mǎn)足要求 . 系統(tǒng)總體電路圖如圖 2 所示： 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 7 頁(yè) 圖 2 系統(tǒng)總體電路圖 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 8 頁(yè) 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)，又稱(chēng)微處理器。 是現(xiàn)代電子設(shè)計(jì)中使用最廣泛的電子元件。它價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，體積小，性能穩(wěn)定。 單片機(jī)其最基本的結(jié)構(gòu)是將 CPU 和計(jì)算機(jī)外圍功能單元，如存儲(chǔ)器、 I/O 口、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等集成在一個(gè)芯片上構(gòu)成的。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，但是無(wú)論從組成還是從功能上看，它都具有了微型系統(tǒng)的特征。 AT89S51 是一種低功耗、高性能的片內(nèi)含有 4KB 快閃可編程 /擦除只讀存儲(chǔ)器的8 位 CMOS 微控制器，使用高密度、非易丟失存儲(chǔ)技術(shù)制造，并且與 8051 引腳和指令系統(tǒng)完全兼容。芯片上的 Flash 存儲(chǔ)器 允許在線(xiàn)編程或采用通用的非 易丟失存儲(chǔ)編程器重復(fù)編程。 單片機(jī) I/O 口 是本次設(shè)計(jì)中重點(diǎn)使用到的資源，因此下面對(duì) I/O 口的功能說(shuō)明 ： P0 口： P0 口共有 8 個(gè)引腳，其中 為最高位， 為最低位。這 8 條引腳有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同情況。第一種情況是 89S51 不帶片外存儲(chǔ)器，P0 口可以作為通用 I/O 口使用， － 用于傳送 CPU 的輸入 /輸出數(shù)據(jù)。這時(shí)，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專(zhuān)用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是 89S51 帶片外存儲(chǔ)器， — 在 CPU 訪(fǎng)問(wèn)片外存 儲(chǔ)器時(shí)用于傳送片外存儲(chǔ)器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對(duì)片外存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。 P1 口： P1 口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，其緩沖器可接收輸出4TTL 門(mén)電流。 P1 口管腳寫(xiě)入“ 1”后，被內(nèi)部上拉為高電平，用作輸入；被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流。 P2 口： P2 口的第一功能和 P0 口的第一功能相同，即它可以作為通用 I/O 口使用。它的第二功能和 P0 口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高 8 位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不能像 P0 口那樣還可以傳送存儲(chǔ)器的讀寫(xiě)數(shù)據(jù)。 P3 口：作輸入 /輸出時(shí)同 P1 口。 P3 口也可作為 89S51 的一些特殊功能口。 單片機(jī)想要正常工作，那就讓它滿(mǎn)足一定的基本條件，我們稱(chēng)之為最小應(yīng)用系統(tǒng)。 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 9 頁(yè) 它主要包括 時(shí)鐘 電路也就是 XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端 ，然后要特別注意幾個(gè)引腳，比如復(fù)位端、外部程序存儲(chǔ)器地址允許使用端。 在啟動(dòng)的時(shí)候都需要復(fù)位，使 CPU 和系統(tǒng)中的其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。 MCS51 單片機(jī)都有一個(gè)復(fù)位引腳 RST， 在振蕩器運(yùn)行時(shí)， RST 引腳上保持至少兩個(gè)機(jī)器周期的高電平輸入信號(hào)，復(fù)位過(guò)程即可完成。為響應(yīng)這一過(guò)程， CPU 發(fā)出內(nèi)部復(fù)位信號(hào)。內(nèi)部復(fù)位操作是在發(fā)現(xiàn) RST 為高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期進(jìn)行的，并且此后的每個(gè)周期都重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作，直到 RST 變成低電平為止。 復(fù)位電路的連接方法有很多，有上電復(fù)位電路、采用反向器的復(fù)位電路、按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位。本設(shè)計(jì)中采用的是按鍵電平復(fù)位，并帶有上電復(fù)位功能，其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用電阻分壓的方式給 RST 提供高電平。這種設(shè)計(jì)使用元件少，而且計(jì)算簡(jiǎn)便，只要兩個(gè)分壓電阻的阻值選擇適當(dāng)，可以使得分壓值達(dá)到復(fù)位需要，也可以使時(shí)間常數(shù) τ不太大，及時(shí)復(fù)位。 具體電路如下圖所示： 圖 3 復(fù)位電路 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 10 頁(yè) 在計(jì)算機(jī)中有一個(gè)起到協(xié)調(diào)作用的“口號(hào)”，這個(gè)就是時(shí)鐘信號(hào)。為了能保證計(jì)算機(jī)的正常工作，內(nèi)部各個(gè)功能電路必須在該時(shí)鐘信號(hào)的同步下按時(shí)序工作。 考慮性能問(wèn)題，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘電路。利用 AT89S51 內(nèi)部一個(gè)高增益的反向放大器，把一個(gè)晶體振蕩器和兩個(gè)電容器組成自激振蕩電路，接于 XTAL1 和XTAL2 之間，電路如圖所示。 圖 4 時(shí)鐘電路 圖中晶體振蕩器是石英晶體或陶瓷結(jié)構(gòu)，振蕩頻率一般選在 ~12MHz之間， C1， C2 在 30PF 左右； 單片機(jī)與 DAC0832 的接口技術(shù) 在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，特別是在實(shí)驗(yàn)室控制和智能儀表等系統(tǒng)中，常常需要把一些連續(xù)變化的物理量變成數(shù)字量，以便送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工、處理；也需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為連續(xù)變化的物理量，用以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的控制，下面涉及到的是數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量這一轉(zhuǎn)化過(guò)程。 DAC0832 簡(jiǎn)介 DAC0832 是采用 CMOS 工藝制成的單片直流輸出型 8 位數(shù) /模轉(zhuǎn)換器。它由倒 T型 R2R 電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開(kāi)關(guān)、運(yùn)算放大器和參考電壓 VREF 四大部分組成。 如下圖5 所示。 運(yùn)算放大器輸出的模擬量 V0 為： 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 11 頁(yè) 由上式可見(jiàn)，輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量（ ） 成正比，這就實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。 圖 5 DAC0832 電路圖 一個(gè) 8位 D/A轉(zhuǎn)換器有 8個(gè)輸入端（其中每個(gè)輸入端是 8位二進(jìn)制數(shù)的一位），有一個(gè)模擬輸出端。輸入可 有 2^8=256個(gè)不同的二進(jìn)制組態(tài)，輸出為 256 個(gè)電壓之一，即輸出電壓不是整 個(gè)電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是 256個(gè)可能值。 圖 6 DAC0832 引腳圖 上圖是 DAC0832 的引腳圖。 D/A 轉(zhuǎn)換器的功能在于把對(duì)其輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成與此數(shù)值成正比的模擬電壓或電流。 DAC0832 是以 CMOS 工藝制造的 8 位 D/A 轉(zhuǎn) 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 12 頁(yè) 換芯片，價(jià)格低廉，接口簡(jiǎn)單，在單片機(jī)制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。 DAC0832 主要由兩個(gè) 8 位寄存器和一個(gè) 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器組成。其運(yùn)作原理可從它的 20 個(gè)引腳之功能中領(lǐng)略到。 D0~D7： 8 位數(shù)據(jù)輸入引腳， D7 為最高位。 ILE：輸入數(shù)據(jù)鎖存允許信號(hào)，輸入，高電平有效。 CS：芯片選擇信號(hào)，輸入，低電平有效。 WR1：輸入鎖存器的寫(xiě)選通信號(hào)，輸入，低電平有效。 從上述三信號(hào)的邏輯關(guān)系中可以看出，當(dāng) ILE 為高電平， CS 和 WR1 均為低電平時(shí)，輸入鎖存器的鎖存允許信號(hào) IE1 將為高電平。此時(shí)輸入鎖存器的內(nèi)容根據(jù)輸入數(shù)據(jù)變化，但當(dāng) LE1 由于三輸入信號(hào)的變化而跳變成低電平時(shí)，則來(lái)自 D0~D7 的 輸入數(shù)據(jù)被鎖定 在輸入鎖存器中。 WR2：寄存器的寫(xiě)選通信號(hào)，輸入，低電平有效。 XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)，輸入，低電平有效。 若 WR2 和 XFER 兩信號(hào)均為低電平，則 DAC 寄存器的鎖存信號(hào) LE2 為高電平，此時(shí)輸入鎖存器的輸入數(shù)據(jù)被傳送至 DAC 寄存器中；但當(dāng) LE2 因上述兩信號(hào)的變化而跳變成低電平時(shí)，第二級(jí)，即 DAC 寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖定。 D/A 轉(zhuǎn)換器隨時(shí)對(duì) DAC寄存器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換。 Vref：基準(zhǔn)電壓（可為 10V~+10V）輸入引腳?；鶞?zhǔn)電壓決定 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出電壓的范圍：若 Vref 接 +10V，則輸出電壓范圍為 0~10V；若接 5V，則輸出電壓為+5V~0V。 Rfb： 內(nèi)部反饋電阻對(duì)外引腳，用以輸入來(lái)自片外運(yùn)算放大器的反饋信號(hào)。 Iout1 和 Iout2：電流輸出引腳。 DAC0832 屬電流輸出型，且兩輸出電流之和為常數(shù)。欲得到與輸入數(shù)字量成正比的電壓輸出，必須外接運(yùn)算放大器，把此兩引腳輸出電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓形式。對(duì)于這類(lèi) D/A 轉(zhuǎn)換器，通常以電流建立時(shí)間來(lái)表示其轉(zhuǎn)換速度。所謂電流建立時(shí)間，系指輸入數(shù)字量由全 0 變成 1 時(shí)，輸出電流自初始值達(dá)到滿(mǎn)量程177。 LSB/2 所需要的時(shí)間。本芯片的電流建立時(shí)間為 1181。s。 VCC：供電電源引 腳，可接 +5V~+10V 電壓。 DGND：數(shù)字量地，即 VCC、數(shù)據(jù)、地址及控制信號(hào)的 0 電平輸入引腳。 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 13 頁(yè) AGND：模擬量地，即 Vref 及模擬電壓的地線(xiàn)。 從前 面對(duì) DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的講述中得知，其前級(jí)輸入鎖存器和 DAC 寄存器可允許數(shù)據(jù)進(jìn)入其中，亦可鎖定數(shù)據(jù)，拒絕新數(shù)據(jù)進(jìn)入。這拒絕于內(nèi)部信號(hào) LE1 和LE2 各自受外部信號(hào)控制的情況。據(jù)此我們可歸納出三點(diǎn)： 單緩沖方式： LE2 和 LE1 受控于同一組外部信號(hào)，兩級(jí)積存器同時(shí)鎖存數(shù)據(jù)。 雙緩沖方式： LE2 和 LE1 分別受不同信號(hào)控制，兩級(jí)寄存器先后接收數(shù)據(jù)。 直通方式 ： LE1 和 LE2 均恒為 1，外來(lái)數(shù)據(jù)直接通過(guò)前兩級(jí)到達(dá) D/A 轉(zhuǎn)換器。 LM324 功能 在波形產(chǎn)生這部分，還用到的一個(gè) 重要的 電子元器件就是 LM324。 LM324 的功能特點(diǎn)如下所述： LM324 系列器件為價(jià)格便宜的帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。與單電源應(yīng)用場(chǎng)合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點(diǎn)。該四放大器可以工作在低到 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。共模輸入范圍包括負(fù)電源，因而消除了在許多應(yīng)用場(chǎng)合中采用外部偏置元件的必要性。 LM324 的特點(diǎn)： 短跑保護(hù)輸出 真差動(dòng)輸入級(jí) 可單電源工作： 3V32V 低偏置電流：最大 100nA 每封裝含四個(gè)運(yùn)算放大器。 具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)墓δ堋? 共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列 輸入端具有靜電保護(hù)功能 設(shè)計(jì)（論文）專(zhuān)用紙 第 14 頁(yè) LM324 引腳圖如下圖 7 所示： 圖 7 LM324 引腳圖 DAC0832 和 MCS51 的接口 在本設(shè)計(jì)中。我們要用到兩塊 DAC0832 芯片，以完成方波、鋸齒波、正弦波的輸出。 電路圖如下所示：