【文章內(nèi)容簡介】 試。鑒于此，美國馬克西姆公司開發(fā)了新一代函數(shù)信號發(fā)生器 ICMAX038，它克服了上述方案二中芯片的缺點，可以達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，是上述芯片望塵莫 及的。 MAX038 頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號發(fā)生器 IC。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計上， MAX038都是優(yōu)選的器件。 方案四：利用專用直接數(shù)字合成ＤＤＳ芯片的函數(shù)發(fā)生器，能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率，但成本較高。 方案五：采用函數(shù)信號發(fā)生器 ICL8038 集成模擬芯片，它是一種可以同時產(chǎn)生方波、三角波、正弦波的專用集成電路。但是這種模塊產(chǎn)生的波形都不是純凈的波形，會寄生一些高次諧波分量，采用其他的措施雖可濾除一些，但不能完全濾除掉 ,且價格 較 高 。 方案六：采用 AT89C51 單片機和 DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器相結(jié)合的電路來產(chǎn)生波形，由于是軟件濾波，所以不會有寄生的高次諧波分量，生成的波形比較純凈。它的特點是價格低、性能高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少，適合學(xué)生畢業(yè)設(shè)計。 經(jīng)比較，方案六既可滿足畢業(yè)設(shè)計的基本要求又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢，電路簡單，易控制，性價比高，所以采用該方案。 基于單片機 AT89C51 的信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn) 4 方案的結(jié)構(gòu)模塊劃分 本次設(shè)計 所研究的就是 用單片機將某種波形所對應(yīng)的數(shù)字量進(jìn)行輸出，再 通過 D/A 轉(zhuǎn)換器 轉(zhuǎn)換輸出一組連續(xù)變化的 5V 的電壓脈沖值，同時再 通過 液晶 顯示部分顯示其 頻率 值 和波形 名稱。在設(shè)計時分塊來做，分為 D/A 轉(zhuǎn)換， 單片機系統(tǒng)，鍵盤控制和液晶顯示 4 個 主要模塊，最后通過聯(lián)調(diào)仿真，做出電路板成品， 從而簡化人機交互的問題，具體設(shè)計模塊如圖 21 所示。 圖 21 系統(tǒng)總框圖 各功能模塊介紹 如下： 單片機 最小系統(tǒng) ：包括時鐘電路和復(fù)位電路 鍵盤 控制電路 ： 用按鍵來控制輸出 波形的 種類和調(diào)節(jié)頻率 D/A 轉(zhuǎn)換 電路 ： 單片機把待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量輸送到 DAC0832 來把 數(shù)字信號 轉(zhuǎn)換為模擬信號 。 顯示電路 ： 采用液晶顯示器 顯示波形的 名稱和 頻率 系統(tǒng)要求是便攜式低 功耗的，所以在硬件電路建立前首先粗略計算一下整個系統(tǒng)所需的功耗， 考慮單片機部分 功耗的大小，選擇合適的器件以及參數(shù)。 AT89C51 LCD 鍵盤控制 DAC0832 運放輸出 時鐘電路 復(fù)位電路 基于單片機 AT89C51 的信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn) 5 第 3 章 硬件電路的設(shè)計 主控電路及主控芯片的選擇 單片機即單片微型計算機（ Single CHip Microputer）是把組成微型計算機的各種功能部件，包括中央處理單元（ CPU）、隨機存儲器（ RAM）、程序存儲器（ ROM）、定時器/計數(shù)器及輸入輸出接口等部件都集成在一塊芯片上。是一種集成度高、性 價比優(yōu)越、質(zhì)量小、體積小的微型計算機。單片機按其使用目的可以分為通用和專用兩種類型。通用單片機是一種基本芯片，內(nèi)部功能及資源豐富，性能全面，適應(yīng)性強 ， 可覆蓋多種用途。用戶可以根據(jù)需要設(shè)計成各種不同的單片機控制系統(tǒng)，即有一個再設(shè)計的過程。專用型單片機在設(shè)計時已對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化，對軟、硬件進(jìn)行了優(yōu)化，可靠性高，成本低，但是這類單片機功能單一，通常是針對某一特定的產(chǎn)品。本設(shè)計應(yīng)采用通用型單片機。 隨著半導(dǎo)體集成工藝的不斷發(fā)展，單片機也正朝著 CMOS 化、低功耗、體積小、大容量、高性能低價格和外圍電路內(nèi)裝化等幾個 方向發(fā)展。在單片機家族中， Intel 公司推出的MCS51 系列中的 80C51 是其中的佼佼者 。 MCS51 系列單片機是 8 位單片機中應(yīng)用范圍最廣的一類單片機。近幾年來，許多單片機開發(fā)廠商也推出了許多基于 80C51 單片機內(nèi)核的擴展型單片機，產(chǎn)品在保持與 51 單片機兼容的基礎(chǔ)上改善了很多特性，性能各異。常用的單片機有很多種： Intel8051 和 8751 系列、 Motorola 的 MC6801 系列、 Atmel 的 AT89系列、臺灣 Winbond(華邦 )W7 和 W78 系列、荷蘭 PHilips 的 51LPC 和 LPC900 系列、 ZILOG的 Z8 系列等。本設(shè)計中最終選用了 ATMEL 公司的 AT89C51 單片機。 AT89C51 單片機是美國 ATMEL 公司推出的低功耗 /低電壓 、 高性能的 8 位單片機，片內(nèi)含 4KBFlasH 程序存儲器，它采用了 CMOS 工藝和 ATMEL 公司的高密度非易失性存儲器（ NURAM）技術(shù)，該 存儲器的全稱為閃速可編程可擦除只讀存儲 器 （ FPEROM， FlasH Programmable and Erasable Read Only Memory），其輸出引腳和指令系統(tǒng)與標(biāo)準(zhǔn) MCS51 系統(tǒng)兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合 在單個芯片中，是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 單片機的發(fā)展史 單片機誕生于 20 世紀(jì) 70 年代末，經(jīng)歷了 SCM、 MCU、 SoC 三大階段。 起初模型 即 單片微型計算機（ Single Chip Microputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結(jié)構(gòu)。 “創(chuàng)新模式 ”獲得成功，奠定了 SCM 與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上， Intel 公司功不可沒。 即微控制器（ Micro Controller Unit）階段，主要的技術(shù)發(fā)展方向是：不 基于單片機 AT89C51 的信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn) 6 斷擴展?jié)M足嵌入式應(yīng)用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領(lǐng)域都與對象系統(tǒng)相關(guān)，因此，發(fā)展 MCU 的重任不可避免地落在電氣、電子技術(shù)廠家。從這一角度來看， Intel 逐漸淡出 MCU 的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展 MCU 方面，最著名的廠家當(dāng)數(shù) Philips 公司。 Philips 公司以其在嵌入式應(yīng)用方面的巨大優(yōu)勢，將 MCS51 從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當(dāng)我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記 Intel 和Philips 的歷史功績。 嵌入式系統(tǒng) 單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路 ，向 MCU 階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應(yīng)用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了 SoC 化趨勢。隨著微電子技術(shù)、 IC 設(shè)計、 EDA 工具的發(fā)展，基于 SoC 的 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計 會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應(yīng)用系統(tǒng)。 單片機的特點 1 . 單片機的存儲器 ROM 和 RAM 時嚴(yán)格區(qū)分的。 ROM 稱為程序存儲器，只存放程序，固定常數(shù)，及數(shù)據(jù)表格。 RAM 則為數(shù)據(jù)存儲器，用作工作區(qū)及存放用戶數(shù)據(jù)。 2 . 采用面向控制的指令系統(tǒng)。為滿足控制需要，單片機有更強的邏輯控制能力，特別是單片機具有很強的位處理能力。 3 . 單片機的 I/O 口通常時多功能的。由于單片機芯片上引腳數(shù)目有限，為 了解決實際引腳數(shù)和需要的信號線的矛盾，采用了引腳功能復(fù)用的方法，引腳處于何種功能，可由指令來設(shè)置或由機器狀態(tài)來區(qū)分。 4 . 單片機的外部擴展能力很強。在內(nèi)部的各種功能部件不能滿足應(yīng)用的需求時，均可在外部進(jìn)行擴展，與許多通用的微機接口芯片兼容，給應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計帶來了很大的方便。 89C51 單片機介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（ FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能 CMOS8 位微處理器，俗稱單片機。 AT89C2051 是一種帶 2K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器 的單片機。單片機的 可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除 100 次。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 MCS51 指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能 8 位 CPU 和閃爍存儲器組合在單個芯片中， ATMEL 的 AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C2051 是它的一種精簡版本。 AT89C51 單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 引腳圖如圖 31 所示 。 基于單片機 AT89C51 的信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn) 7 圖 31 AT89C51與 AT89C2051引腳圖 管腳說明 如下描述 ： VCC：供電電壓。 GND：接地。 P0 口： P0 口為一個 8 位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。當(dāng) P1 口的管腳第一次寫 1 時，被定義為高阻輸入。 P0 能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗時，P0 輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1 口： P1 口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P1 口緩沖器 能接收輸出 4TTL門電流。 P1 口管腳寫入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在 FLASH 編程和校驗時， P1 口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4 個TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫“ 1”時，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲器或 16 位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行存取時， P2 口輸出地址的高八 位。在給出地址“ 1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進(jìn)行讀寫時， P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 P2 口在 FLASH 編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3 口： P3 口管腳是 8 個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個 TTL 門電流。當(dāng) P3 口寫入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故。 P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口，如下表所示： 基于單片機 AT89C51 的信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn) 8 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時器 0 外部輸入） T1（記時器 1 外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通） P3 口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。 RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持 RST 腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈 沖。在平時， ALE 端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個 ALE 脈沖。如想禁止ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時， ALE 只有在執(zhí)行 MOVX， MOVC 指令是ALE 才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài) ALE 禁止，置位無效。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的 /PSEN 信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng) /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式 1 時， /EA 將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA 端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 振蕩器特性： XTAL1 和 XTAL2 分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷 振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅(qū)動器件， XTAL2 應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時鐘信號要通過一個二分頻觸發(fā)器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖