【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 較出， 方案一 利用傳統(tǒng)方 法輸出的函數(shù)信號(hào)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(gòu)造又比較 復(fù)雜， 頻率的范圍也難以有所突破。 所以 在進(jìn)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(guò)調(diào)節(jié)硬件從而調(diào)節(jié)輸出波形的參數(shù)，并且方案三中所用到的一些元件的價(jià)格相對(duì)都比較低，所以比較適合用來(lái)完成畢業(yè)設(shè)計(jì)。 框圖設(shè)計(jì) 基于 單片機(jī)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器有以下幾部分組成； AT89C51 主控電路，外接按鍵電路，復(fù)位電路，電源電路和信號(hào)輸出電路，框圖如下圖 21 所示： 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 6 頁(yè) 圖 21 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng) 構(gòu)成 圖 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的主控部分 就是 AT89C51 單片機(jī) ，通過(guò) 編程軟件 對(duì)程序 進(jìn)行編寫(xiě) ， 燒錄到 AT89C51 里面后就 可以產(chǎn)生不同 數(shù)字 波形 信號(hào) ，也 可以通過(guò)單片機(jī)外接按鍵 對(duì) 輸出 波形的頻率 和 幅度 進(jìn)行調(diào)節(jié)和改變 。 而單片機(jī)通過(guò)編程輸出的波形是數(shù)字信號(hào)，當(dāng)經(jīng)過(guò)與單片機(jī)連接的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊 DAC0832 后，數(shù)字信號(hào)就可以被轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào) 。 而輸出波形的幅度則可以通過(guò)兩級(jí)放大進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖 21中的 輸出電路包含了D/A 轉(zhuǎn)換電路和運(yùn)放調(diào)整電路。 圖 22為 此次設(shè)計(jì) 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的原理圖 ： [6] 圖 22 信號(hào)發(fā)生器原理框圖 單片機(jī)模塊 AT89C51 單片機(jī) 片內(nèi)有 一個(gè) 4KB的 ROM/EPROM， 因此只需要在外部接入晶振電路和復(fù)位電路 . 按鍵電路 . AT89C51 主控電路 . 輸出電路 . 電源電路 . 89C51 單片機(jī) . 接口 電路 . D/A 轉(zhuǎn) 換 . 濾波放大 . 輸出波形 . 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 7 頁(yè) 復(fù)位電路就可以構(gòu)成單片機(jī)最小系統(tǒng)了 ， 所以單片機(jī)最小系統(tǒng)主要由電源、復(fù)位電路、振蕩電路以及擴(kuò)展部分組成 [1]。最小單片機(jī)系統(tǒng) 如圖 23所示。 . 12XTAL30pFC130pFC210uFC310KR112345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U1P80C32UBPNU3SN74LS138NGNDGNDVCCS1S1S2S3S4 圖 23 單片機(jī)最小系統(tǒng) . 該最小系統(tǒng)的特點(diǎn)如下 ： （ 1） 由于沒(méi)有擴(kuò)展存儲(chǔ)器和外設(shè)， P0、 P P P3 都可以作為用戶 I/O 接口使用。 （ 2） 片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 大小 128B，空間地址為 00H— 7FH,片 外沒(méi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 （ 3）片內(nèi)有 4KB 的程序存儲(chǔ)器，地址為 0000H— 0FFFH，沒(méi)有偏外存儲(chǔ)器， EA .應(yīng)接高電平。 （ 4） 有 兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器 T0 和 T1 可以使用 ，一個(gè)全雙工串行通信接口， 5 個(gè)中斷源。 [6] 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 8 頁(yè) 電源供給模塊： 對(duì)于 任何一個(gè)電子設(shè)備來(lái)講 ， 電源是整個(gè)設(shè)備正常運(yùn)行的根本 ， 所以供電系統(tǒng)是單片機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行的前提，所以單片機(jī)系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的前提就是有一個(gè)穩(wěn)定的電源系統(tǒng) 。 我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，雖然 51 單片機(jī)作為經(jīng)典的一種單片機(jī)芯片，但是提供的電源供電模塊不夠穩(wěn)定，那么 51 單 片機(jī)的運(yùn)行就可能會(huì)受到影響，比如在運(yùn)行中如果受到了外界的干擾，則 51 單片機(jī)很有可能會(huì)出現(xiàn)程序跑飛的現(xiàn)象 。 所以為了保證單片機(jī)能正常平穩(wěn)地運(yùn)行，就要給它提供一個(gè)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(shuō)可以用手機(jī)充電器（ 5V）給最小系統(tǒng)供電。 晶振電路工作原理及應(yīng)用 ： 單片機(jī)系統(tǒng)里都含有晶振，單片機(jī)系統(tǒng)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(jù)內(nèi)部的特殊電路產(chǎn)生一定的時(shí)鐘頻率，就可以提供給單片機(jī)使用，理論上來(lái)講就是晶振產(chǎn)生的頻率信號(hào)就是單片機(jī)的時(shí)鐘信號(hào)。晶振產(chǎn)生的平率代表著 運(yùn)行速度，因?yàn)閱纹瑱C(jī)的一切指令都是基于晶振產(chǎn)生的頻率上的，所以頻率越大，單片機(jī)的運(yùn)行速度就越快。 晶振能夠把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，并且能在轉(zhuǎn)化過(guò)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(dá)到 50%，而且有些晶振可以通過(guò)外部電壓的變化，調(diào)整內(nèi)部產(chǎn)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(guān)系著單片機(jī)的精確度。比如說(shuō)用單片機(jī)設(shè)計(jì)秒表和時(shí)鐘系統(tǒng)，單片機(jī)就對(duì)頻率的精確度要求很高。所以在某些特定情況下，單片機(jī)就需要一個(gè)很精確的晶振頻率。通常情況下，一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)會(huì)共用一個(gè)晶振，所以各部 就會(huì)在同一個(gè)頻率下運(yùn)行，這樣會(huì)保證各系統(tǒng)之間運(yùn)行同步。而在某些特殊情況下，某些通訊設(shè)備和射頻模塊會(huì)使用兩個(gè)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(yùn)行，人們會(huì)采取電子調(diào)整晶振頻率的方法使得兩個(gè)晶振產(chǎn)生的頻率相同，從而保證不同晶振系統(tǒng)能同步運(yùn)行。而有些特殊的系統(tǒng)中各個(gè)子系統(tǒng)需要的頻率不同，可以使用兩個(gè)晶振為其提供時(shí)鐘頻率，也可以通過(guò)一個(gè)晶振搭配不同的鎖相環(huán)來(lái)提供不同的時(shí)鐘頻率。所以通常情況下，晶振會(huì)搭配鎖相環(huán)為單片機(jī)系統(tǒng)提供時(shí)鐘頻率。 此次設(shè)計(jì)使用的 AT89C51 只需要外接晶振和兩個(gè)電容就可以構(gòu)成 單片機(jī)最小系統(tǒng)，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(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 9 頁(yè) 容搭配 12MHz 的晶振來(lái)為單片機(jī)提供時(shí)鐘信號(hào)。因?yàn)?51 單片機(jī)內(nèi)部在 18和 19兩個(gè)管腳之間設(shè)有內(nèi)部振蕩電路，由一個(gè)反相放大器構(gòu)成，而 18和 19兩腳及時(shí)反相放大器的兩個(gè)輸入端。這樣的時(shí)鐘方式成為內(nèi)部時(shí)鐘，本次設(shè)計(jì)采用的就是這種方式。具體電路如圖 24所示： 單片機(jī)復(fù)位電路工作原理及應(yīng)用 ： 單片機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)因?yàn)槌绦騿?wèn)題或者操作失誤而發(fā)生死機(jī)現(xiàn)象，這時(shí)就要用到單片機(jī)的復(fù)位系統(tǒng)，按下復(fù)位鍵就能把單片機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)初始化，恢復(fù)到剛開(kāi)機(jī)狀態(tài)。所以單片機(jī)的復(fù)位就是為了把系統(tǒng)恢復(fù)到某個(gè)確定的狀態(tài)。而由于單片機(jī)的內(nèi)部寄存器一般在出廠時(shí)都有一個(gè)預(yù)設(shè)的初始值，所以單片機(jī)在開(kāi)機(jī)時(shí)或者復(fù)位后，內(nèi)部寄存器就會(huì)自動(dòng)裝入這些初始值來(lái)達(dá)到初始化的目的。 從原理上來(lái)講，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)上電自動(dòng)復(fù)位，就是要保證復(fù)位管腳 RST的復(fù)位電平時(shí)間大于兩個(gè)機(jī)器周期，所以根據(jù)這個(gè)要求，晶振的時(shí)鐘頻率為 12MHz，我們可以用RC 電路的計(jì)算方法來(lái)計(jì)算出具體的參數(shù)值。而按鍵復(fù)位則為手動(dòng)觸發(fā)電容放電，然后在充電，就達(dá)到 了開(kāi)機(jī)上電的效果。下面則詳細(xì)敘述復(fù)位電路的兩個(gè)組成部分上電復(fù)位和按鍵復(fù)位 ： (1)上電復(fù)位： AT89C51 單片機(jī)的上電復(fù)位有效電平是高電平 ， 通常我們會(huì)在 RST復(fù)位管腳上連接一個(gè)電容，然后接到高電平 ， 再連接一個(gè)電阻接到低電平，這樣就會(huì)形成一個(gè) RC 充放電回路。 當(dāng)上電時(shí)，電容充電， RST 管腳為高電平，單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位；充電完成后， RST 與電阻連接到 GND，單片機(jī)正常運(yùn)行。所以只要保證電容充電XTAL1 XTAL2 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 10 頁(yè) 時(shí)間能持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就能讓單片機(jī)完成上電復(fù)位。 這個(gè)電阻和電容的典型值是 10K 和 10uF。 (2)按鍵復(fù)位： 從原理上來(lái)講，按鍵復(fù) 位就是手動(dòng)觸發(fā)上電復(fù)位，而不是市使用關(guān)掉電源再打開(kāi)。按鍵復(fù)位就是在電容兩端并聯(lián)一個(gè)開(kāi)關(guān)，當(dāng)開(kāi)關(guān)按下時(shí)，電容兩端短路，電容放電，同時(shí) RST也接通到了 VCC； 松開(kāi)按鍵時(shí)，電容有個(gè)充電過(guò)程，此過(guò)程上電復(fù)位過(guò)程一樣， RST有足夠的時(shí)間來(lái)完成單片機(jī)復(fù)位。 上面已經(jīng)講過(guò)，復(fù)位就是使單片機(jī)恢復(fù)到初始化狀態(tài)，即內(nèi)部寄存器都轉(zhuǎn)入廠家預(yù)設(shè)的初始值 ，從這個(gè) 初始化 狀態(tài)開(kāi)始 運(yùn)行 [1]。 當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)上電后， RST 會(huì)接收到一個(gè)連續(xù)且持續(xù)兩個(gè)周期以上的高電平，這就是單片機(jī)復(fù)位的條件 。 上電復(fù)位和按鍵復(fù)位的具體電路 如圖 25所示 ： 圖 25 按鈕復(fù)位電路 按鍵控制 及 顯示電路設(shè)計(jì) 本次設(shè)計(jì) 的按鍵電路 共 包含 3個(gè)按鍵，分別為 按鍵 S S2 和 S3。 這三個(gè)按鍵 分別 連 接單片機(jī)的 、 腳 。 S1 用來(lái) 改變單片機(jī)輸出波形函數(shù) 的類別， 按下 S1 一次，表示對(duì)輸出波形進(jìn)行一 次切換 ； S2 和 S3 則是用來(lái)改變頻率的，當(dāng)按下 S2 時(shí)，輸出波形的頻率會(huì)按照一個(gè)特定的單位量進(jìn)行增加，比如說(shuō)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(duì)頻率進(jìn)行減小操作 。 通過(guò)與門(mén) 74LS21 可以對(duì) 各按鍵信號(hào)進(jìn)行與操作，然后將信號(hào)傳到 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 11 頁(yè) 腳，用來(lái)測(cè)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(zhuǎn)換電路 D/A轉(zhuǎn)換 模塊就是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。此模塊常 用于信號(hào)發(fā)生器 等一些需要數(shù)模轉(zhuǎn)換 的設(shè)計(jì)。 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(shù)字量， n為倍數(shù)。所以我們可以控制 AT89C51 單片機(jī)向 D/A 模塊發(fā)送一定規(guī)律的數(shù)字量（波形采樣得到），然后經(jīng)過(guò) D/A模塊轉(zhuǎn)換后就可以輸出有波形規(guī)律的模擬量 [1]。 D/A 轉(zhuǎn)換的必要性 此次設(shè)計(jì)中要產(chǎn)生的波形是模擬量，可以在示波器上顯示出來(lái)，但我們都知道，單片機(jī)作為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的主控，它所產(chǎn)生并輸出的量是并非是模擬量，而是不連續(xù)的數(shù)字量，相當(dāng)于對(duì)波形進(jìn)行采樣的結(jié)果。而 D/A 轉(zhuǎn)換模塊的用途就是把數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量 。 所以我們可以用數(shù)模 轉(zhuǎn)換 模塊歲單片機(jī)輸出的數(shù)字量進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬量就可以在示波器上顯示出來(lái)，從而達(dá)到我們的要求。 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 12 頁(yè) DAC0832 的特性及應(yīng)用 要完成我們這次的設(shè)計(jì)任務(wù)，就要用 D/A 轉(zhuǎn)換模塊把單片機(jī)輸出的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。說(shuō)到數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊，首先我們能想到的就是 DAC0832 芯片，作為一個(gè) 8位輸入的數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片，其價(jià)格便宜易于購(gòu)買(mǎi)，且芯片資料較多，可以很容易地查閱到DAC0832 的相關(guān)資料。 DAC0832 是一個(gè) 輸入為 8位的數(shù)模 轉(zhuǎn)換器， 且 DAC0832 的 8位輸入端 接口可以很容易地與單片機(jī)的 P口進(jìn)行連接 ， 所以控制 起來(lái)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(diào)的模擬量，而是對(duì)輸出量以其絕對(duì)分辨率為單位進(jìn)行增減，所以從嚴(yán)格意義上來(lái)講，它的輸出量是準(zhǔn)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(zhuǎn)換器、八位 DAC 寄存器和輸入控制電路。 其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳圖如圖 27 所示 ： 圖 27 DAC0832 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 西南交通大學(xué)本科 畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 第 13 頁(yè) 圖 28 DAC0832 的引腳圖 （ 1） D7D0： 8位數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)有兩個(gè)極端，全 1或者全 0，兩種情況時(shí)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(nèi)部已經(jīng)設(shè)有反饋電阻，所以 DAC0832的 Rfe 腳可以直接連到運(yùn)放輸出端，這樣就相當(dāng)于運(yùn)放的輸出端和輸入端之間有