【文章內容簡介】 較出， 方案一 利用傳統方 法輸出的函數信號頻率不穩(wěn)定，而 方案 二使用鎖相環(huán)式的頻率合成器 的電路 構造又比較 復雜， 頻率的范圍也難以有所突破。 所以 在進行比較之后，我決定 采用 第三種方案 的 思路 。 第三種方案， 用編程的方法 可以很方便 地通過調節(jié)硬件從而調節(jié)輸出波形的參數，并且方案三中所用到的一些元件的價格相對都比較低，所以比較適合用來完成畢業(yè)設計。 框圖設計 基于 單片機的函數信號發(fā)生器有以下幾部分組成； AT89C51 主控電路，外接按鍵電路，復位電路，電源電路和信號輸出電路，框圖如下圖 21 所示： 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 6 頁 圖 21 函數信號發(fā)生器系統 構成 圖 函數信號發(fā)生器的主控部分 就是 AT89C51 單片機 ，通過 編程軟件 對程序 進行編寫 ， 燒錄到 AT89C51 里面后就 可以產生不同 數字 波形 信號 ，也 可以通過單片機外接按鍵 對 輸出 波形的頻率 和 幅度 進行調節(jié)和改變 。 而單片機通過編程輸出的波形是數字信號，當經過與單片機連接的數模轉換模塊 DAC0832 后，數字信號就可以被轉換成模擬信號 。 而輸出波形的幅度則可以通過兩級放大進行調節(jié)。圖 21中的 輸出電路包含了D/A 轉換電路和運放調整電路。 圖 22為 此次設計 函數信號發(fā)生器的原理圖 ： [6] 圖 22 信號發(fā)生器原理框圖 單片機模塊 AT89C51 單片機 片內有 一個 4KB的 ROM/EPROM， 因此只需要在外部接入晶振電路和復位電路 . 按鍵電路 . AT89C51 主控電路 . 輸出電路 . 電源電路 . 89C51 單片機 . 接口 電路 . D/A 轉 換 . 濾波放大 . 輸出波形 . 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 7 頁 復位電路就可以構成單片機最小系統了 ， 所以單片機最小系統主要由電源、復位電路、振蕩電路以及擴展部分組成 [1]。最小單片機系統 如圖 23所示。 . 12XTAL30pFC130pFC210uFC310KR112345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U1P80C32UBPNU3SN74LS138NGNDGNDVCCS1S1S2S3S4 圖 23 單片機最小系統 . 該最小系統的特點如下 ： （ 1） 由于沒有擴展存儲器和外設， P0、 P P P3 都可以作為用戶 I/O 接口使用。 （ 2） 片內數據存儲器 大小 128B，空間地址為 00H— 7FH,片 外沒數據存儲器。 （ 3）片內有 4KB 的程序存儲器，地址為 0000H— 0FFFH，沒有偏外存儲器， EA .應接高電平。 （ 4） 有 兩個定時 /計數器 T0 和 T1 可以使用 ，一個全雙工串行通信接口， 5 個中斷源。 [6] 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 8 頁 電源供給模塊： 對于 任何一個電子設備來講 ， 電源是整個設備正常運行的根本 ， 所以供電系統是單片機系統運行的前提，所以單片機系統平穩(wěn)運行的前提就是有一個穩(wěn)定的電源系統 。 我們在實驗中發(fā)現，雖然 51 單片機作為經典的一種單片機芯片，但是提供的電源供電模塊不夠穩(wěn)定，那么 51 單 片機的運行就可能會受到影響，比如在運行中如果受到了外界的干擾，則 51 單片機很有可能會出現程序跑飛的現象 。 所以為了保證單片機能正常平穩(wěn)地運行，就要給它提供一個穩(wěn)定的電源。 可 以 使用外部穩(wěn)定的 5V 電源供電模塊供給 ，比如說可以用手機充電器（ 5V）給最小系統供電。 晶振電路工作原理及應用 ： 單片機系統里都含有晶振，單片機系統里的晶振作用很大，晶振的全稱是晶體振蕩器，晶體振蕩器可以根據內部的特殊電路產生一定的時鐘頻率，就可以提供給單片機使用，理論上來講就是晶振產生的頻率信號就是單片機的時鐘信號。晶振產生的平率代表著 運行速度，因為單片機的一切指令都是基于晶振產生的頻率上的，所以頻率越大，單片機的運行速度就越快。 晶振能夠把電能轉化為機械能，并且能在轉化過程中的共振狀態(tài)下工作，一般情況下，普通晶振的頻率精度可以達到 50%，而且有些晶振可以通過外部電壓的變化，調整內部產生的頻率大小，這種晶振成為壓控振蕩器（ VCO）。 晶振的精確度也關系著單片機的精確度。比如說用單片機設計秒表和時鐘系統，單片機就對頻率的精確度要求很高。所以在某些特定情況下，單片機就需要一個很精確的晶振頻率。通常情況下，一個單片機系統會共用一個晶振，所以各部 就會在同一個頻率下運行，這樣會保證各系統之間運行同步。而在某些特殊情況下，某些通訊設備和射頻模塊會使用兩個晶振，這樣是為了使用方便，但是為了保證各部分能夠同步運行，人們會采取電子調整晶振頻率的方法使得兩個晶振產生的頻率相同，從而保證不同晶振系統能同步運行。而有些特殊的系統中各個子系統需要的頻率不同，可以使用兩個晶振為其提供時鐘頻率，也可以通過一個晶振搭配不同的鎖相環(huán)來提供不同的時鐘頻率。所以通常情況下，晶振會搭配鎖相環(huán)為單片機系統提供時鐘頻率。 此次設計使用的 AT89C51 只需要外接晶振和兩個電容就可以構成 單片機最小系統，晶振了兩端的電容一般大小為 15pF50pF，我們查閱資料后采用 22pF 的瓷片電 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 9 頁 容搭配 12MHz 的晶振來為單片機提供時鐘信號。因為 51 單片機內部在 18和 19兩個管腳之間設有內部振蕩電路，由一個反相放大器構成，而 18和 19兩腳及時反相放大器的兩個輸入端。這樣的時鐘方式成為內部時鐘，本次設計采用的就是這種方式。具體電路如圖 24所示： 單片機復位電路工作原理及應用 ： 單片機在運行過程中會因為程序問題或者操作失誤而發(fā)生死機現象，這時就要用到單片機的復位系統，按下復位鍵就能把單片機的運行狀態(tài)初始化，恢復到剛開機狀態(tài)。所以單片機的復位就是為了把系統恢復到某個確定的狀態(tài)。而由于單片機的內部寄存器一般在出廠時都有一個預設的初始值，所以單片機在開機時或者復位后，內部寄存器就會自動裝入這些初始值來達到初始化的目的。 從原理上來講，實現單片機上電自動復位，就是要保證復位管腳 RST的復位電平時間大于兩個機器周期，所以根據這個要求，晶振的時鐘頻率為 12MHz，我們可以用RC 電路的計算方法來計算出具體的參數值。而按鍵復位則為手動觸發(fā)電容放電，然后在充電，就達到 了開機上電的效果。下面則詳細敘述復位電路的兩個組成部分上電復位和按鍵復位 ： (1)上電復位： AT89C51 單片機的上電復位有效電平是高電平 ， 通常我們會在 RST復位管腳上連接一個電容，然后接到高電平 ， 再連接一個電阻接到低電平，這樣就會形成一個 RC 充放電回路。 當上電時，電容充電， RST 管腳為高電平，單片機進行復位；充電完成后， RST 與電阻連接到 GND，單片機正常運行。所以只要保證電容充電XTAL1 XTAL2 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 10 頁 時間能持續(xù)兩個機器周期以上就能讓單片機完成上電復位。 這個電阻和電容的典型值是 10K 和 10uF。 (2)按鍵復位： 從原理上來講，按鍵復 位就是手動觸發(fā)上電復位，而不是市使用關掉電源再打開。按鍵復位就是在電容兩端并聯一個開關，當開關按下時，電容兩端短路，電容放電，同時 RST也接通到了 VCC； 松開按鍵時，電容有個充電過程，此過程上電復位過程一樣， RST有足夠的時間來完成單片機復位。 上面已經講過，復位就是使單片機恢復到初始化狀態(tài)，即內部寄存器都轉入廠家預設的初始值 ，從這個 初始化 狀態(tài)開始 運行 [1]。 當單片機系統上電后， RST 會接收到一個連續(xù)且持續(xù)兩個周期以上的高電平，這就是單片機復位的條件 。 上電復位和按鍵復位的具體電路 如圖 25所示 ： 圖 25 按鈕復位電路 按鍵控制 及 顯示電路設計 本次設計 的按鍵電路 共 包含 3個按鍵，分別為 按鍵 S S2 和 S3。 這三個按鍵 分別 連 接單片機的 、 腳 。 S1 用來 改變單片機輸出波形函數 的類別， 按下 S1 一次，表示對輸出波形進行一 次切換 ； S2 和 S3 則是用來改變頻率的，當按下 S2 時，輸出波形的頻率會按照一個特定的單位量進行增加，比如說單位量是50，初始值為 100Hz，則按下 S2一次，頻率變?yōu)?150Hz，同樣 S3的作用為對頻率進行減小操作 。 通過與門 74LS21 可以對 各按鍵信號進行與操作，然后將信號傳到 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 11 頁 腳，用來測定是否有按鍵按下。具體電路 如圖 26所示。 圖 26按鍵電路 D/A 轉換電路 D/A轉換 模塊就是把數字量轉換為模擬量。此模塊常 用于信號發(fā)生器 等一些需要數模轉換 的設計。 我們都知道， D/A 模塊的輸入量和輸出量 成正比，即 Uo=n*Ui，其中 Uo 為輸出模擬量 ， Ui 為輸入的數字量， n為倍數。所以我們可以控制 AT89C51 單片機向 D/A 模塊發(fā)送一定規(guī)律的數字量（波形采樣得到），然后經過 D/A模塊轉換后就可以輸出有波形規(guī)律的模擬量 [1]。 D/A 轉換的必要性 此次設計中要產生的波形是模擬量，可以在示波器上顯示出來，但我們都知道，單片機作為函數信號發(fā)生器的主控，它所產生并輸出的量是并非是模擬量，而是不連續(xù)的數字量，相當于對波形進行采樣的結果。而 D/A 轉換模塊的用途就是把數字量轉換成模擬量 。 所以我們可以用數模 轉換 模塊歲單片機輸出的數字量進行 D/A 轉換，轉換后的模擬量就可以在示波器上顯示出來，從而達到我們的要求。 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 12 頁 DAC0832 的特性及應用 要完成我們這次的設計任務，就要用 D/A 轉換模塊把單片機輸出的數字量轉換為模擬量。說到數模轉換模塊，首先我們能想到的就是 DAC0832 芯片，作為一個 8位輸入的數模轉換芯片，其價格便宜易于購買，且芯片資料較多，可以很容易地查閱到DAC0832 的相關資料。 DAC0832 是一個 輸入為 8位的數模 轉換器， 且 DAC0832 的 8位輸入端 接口可以很容易地與單片機的 P口進行連接 ， 所以控制 起來也比較容易。 雖然DAC0832 的使用很頻繁，有很重要的地位，但 DAC0832 的輸出量不是真正的連續(xù)可調的模擬量，而是對輸出量以其絕對分辨率為單位進行增減，所以從嚴格意義上來講，它的輸出量是準模擬量。 DAC0832 主要由四部分組成，它們分別是八位輸入寄存器、八位 D/A轉換器、八位 DAC 寄存器和輸入控制電路。 其內部結構及引腳圖如圖 27 所示 ： 圖 27 DAC0832 的內部結構 西南交通大學本科 畢業(yè)設計 (論文 ) 第 13 頁 圖 28 DAC0832 的引腳圖 （ 1） D7D0： 8位數據輸入端， D7位最高位。 （ 2） OUT1為模擬電流輸出 1端， OUT2 為模擬 電流輸出端 2。跟編碼器類似， DAC寄存器中的數據有兩個極端，全 1或者全 0，兩種情況時分別輸出為最大值和最小值。 （ 3） Rfe為反 饋電 阻的 引出 端，由于 0832內部已經設有反饋電阻，所以 DAC0832的 Rfe 腳可以直接連到運放輸出端，這樣就相當于運放的輸出端和輸入端之間有