【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 些功能在本次設(shè)計(jì)中用不到。綜合考慮，程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì)并不需要顯示復(fù)雜的信息，所以選擇方案一。硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)不準(zhǔn)備加入顯示模塊，主要是因?yàn)榇朔N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(duì)波形的頻率和幅值進(jìn)行更改，所以顯示模塊在此種方案中顯得冗余。167。 D/A轉(zhuǎn)換器的選擇D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一個(gè)轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間，是D/A轉(zhuǎn)換器的一個(gè)重要參數(shù)。在本次設(shè)計(jì)中DAC的轉(zhuǎn)換時(shí)間直接影響到輸出波形的上限頻率。按轉(zhuǎn)換速度去劃分現(xiàn)有的DAC可以分為低速（建立時(shí)間大于100）、中速（建立時(shí)間1~100）、高速（~50ns）和超高速（建立時(shí)間小于50ns）四種。因此本次設(shè)計(jì)最初對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器的選擇提供了如下兩種方案：方案一：采用8位高速D/A轉(zhuǎn)換器（如DAC908,TLC7524）進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案二：采用常用的8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832進(jìn)行設(shè)計(jì)。方案一轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換上限頻率fMAX至少為： (212)方案二中選用的DAC0832為中速轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度為1us，所以其轉(zhuǎn)換的上限頻率fMAX為： (213)可見(jiàn)使用DAC0832產(chǎn)生的波形由于硬件的限值上限頻率只有4KHz左右。但是在隨后使用的仿真軟件Proteus的元件庫(kù)所提供的D/A轉(zhuǎn)換器只有DAC0832這類中速轉(zhuǎn)換器，所以在后面的仿真介紹中我們選用DAC0832芯片作為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換器去仿真低頻波形，而在制作PCB板時(shí)我們選用轉(zhuǎn)換速度更高的DAC908芯片作為轉(zhuǎn)換器以滿足高頻要求。167。 靜態(tài)RAM的選擇根據(jù)前文的介紹可知在硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)中需要用到SRAM去存儲(chǔ)離散的波形數(shù)據(jù)。以下是對(duì)SRAM進(jìn)行選擇的兩種方案：方案一：采用普通的6116型號(hào)的SRAM。方案二：采用雙端口RAM（如IDT7132芯片）。由于此次設(shè)計(jì)是將波形離散成256個(gè)波形數(shù)據(jù)，所以對(duì)RAM容量的要求大于256B即可。硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)中首先需要單片機(jī)將數(shù)據(jù)寫入RAM中，然后需要RAM將數(shù)據(jù)發(fā)送給DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，這就意味著RAM即要從單片機(jī)接受數(shù)據(jù)又要輸出數(shù)據(jù)給DAC?；谶@種考慮首先想到的是使用雙口RAM IDT7132解決這一問(wèn)題，因?yàn)?132芯片有兩組數(shù)據(jù)端口可以分別用于輸入和輸出。但是考慮到IDT7132芯片的價(jià)格昂貴，且Proteus仿真軟件也沒(méi)有提供此類軟件，所以我選擇用普通的6116RAM解決問(wèn)題。由于設(shè)計(jì)時(shí)RAM的輸入和輸出不是同步進(jìn)行的，可以運(yùn)用鎖存器去控制不同執(zhí)行階段數(shù)據(jù)的傳輸方向。167。 系統(tǒng)總體框圖如前文所述，本次設(shè)計(jì)采用兩種設(shè)計(jì)方案以滿足兩種不同領(lǐng)域的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)。以下分別對(duì)這兩種設(shè)計(jì)的系統(tǒng)框圖予以介紹。167。 程控波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)由單片機(jī)最小系統(tǒng)（由51單片機(jī)、晶振電路和復(fù)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(kuò)展I/O口的8255A芯片組成。圖22 程控波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖在使用過(guò)程中用戶首先通過(guò)鍵盤輸入波形的類型、頻率和幅值，單片機(jī)通過(guò)按鍵輸入動(dòng)作計(jì)算頻率和幅值，然后執(zhí)行程序驅(qū)動(dòng)LED顯示器顯示當(dāng)前波形的類型、頻率和幅值信息，同時(shí)產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)送于D/A轉(zhuǎn)換器并通過(guò)放大器輸出波形。167。 硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)框圖本系統(tǒng)由單片機(jī)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(shí)鐘和分頻電路組成的調(diào)頻模塊以及8255A芯片，SRAM芯片組成。圖22 硬件波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖在使用過(guò)程中，用戶先通過(guò)鍵盤設(shè)定要輸出波形的類型和分頻選擇。隨后在系統(tǒng)運(yùn)行初期51單片機(jī)將波形數(shù)據(jù)通過(guò)8255A寫入SRAM中，然后將外部時(shí)鐘經(jīng)設(shè)定的分頻電路的信號(hào)作為SRAM的地址信息從SRAM中讀取數(shù)據(jù)送入數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊生成波形。同時(shí)系統(tǒng)中擴(kuò)展了RS232串行通信模塊用于與上位機(jī)通信，可以從上位機(jī)獲取波形數(shù)據(jù)。167。 系統(tǒng)可行性分析系統(tǒng)地電源部分我們選用7807817915三個(gè)三端集成穩(wěn)壓器得到+5V、+15V、–15V的電壓，然后再將這三個(gè)集成穩(wěn)壓器輸出的電壓值供給整個(gè)系統(tǒng)；通過(guò)DAC0832或DAC908進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換；集成運(yùn)放OP05進(jìn)行電壓放大；運(yùn)用8255A芯片進(jìn)行I/O擴(kuò)展；撥碼開(kāi)關(guān)組成按鍵系統(tǒng)；程控波形發(fā)生器設(shè)計(jì)的顯示模塊還用到一片74LS13兩篇7404反相器和8組LED；硬件波形發(fā)生器設(shè)計(jì)額外用到一片SRAM6116，兩片74LS373鎖存器，一片555作外部時(shí)鐘源，三片74161作分頻譯碼電路，一個(gè)MAX232和一個(gè)9針插口組成串行通信模塊。以上這些器件在市場(chǎng)上都很普及，價(jià)格低廉，容易獲得，因此器件的選擇經(jīng)濟(jì)可行。14第3章 主要芯片及設(shè)計(jì)軟件介紹167。 主要芯片介紹為了便于對(duì)下章硬件電路進(jìn)行說(shuō)明，本節(jié)將對(duì)設(shè)計(jì)中起主要作用的一些芯片進(jìn)行介紹，如89C51[11]、8255A[12]、DAC0832[13]、DAC90555[14]、74161。167。 89C51單片機(jī)STC89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。單片機(jī)的可擦除只讀存儲(chǔ)器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用高密度非易失存儲(chǔ)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中， 89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡(jiǎn)版本。89C單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。1. 主要特性l 與MCS51 兼容l 4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器l 壽命：1000寫/擦循環(huán)l 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年l 全靜態(tài)工作：0Hz24MHzl 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定l 1288位內(nèi)部RAMl 32可編程I/O線l 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器l 5個(gè)中斷源l 可編程串行通道l 低功耗的閑置和掉電模式l 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路2. 管腳說(shuō)明圖31 89C51單片機(jī)引腳說(shuō)明圖（1） 電源和晶振VCC：運(yùn)行和程序校驗(yàn)時(shí)加+5V電壓。GND：接地。XTAL1：輸入到振蕩器的反向放大器。XTAL2：方向放大器的輸出，輸入到內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器。（2） I/O口89C51單片機(jī)有4組8位的I/O口，共32根口線。P0口：8位漏級(jí)開(kāi)路雙向I/O口。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（RAM或RAM）時(shí)，作地址和數(shù)據(jù)總線分時(shí)復(fù)用。在程序校驗(yàn)期間，輸出指令字節(jié)（這時(shí)需要加外部上拉電阻）。P0口（作為總線時(shí)）能驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。在編程/校驗(yàn)期間，用作輸入低位字節(jié)地址。P1口能驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。P2口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。當(dāng)使用片外存儲(chǔ)器（RAM或RAM）時(shí)，輸出高位地址。在編程/校驗(yàn)期間，接收高位字節(jié)地址。P2口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。P3口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。P3口可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。P3還提供了各種替代功能。在提供這些替代功能時(shí)，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。具體功能表述如下： RXD，串行輸入口，輸入。 TXD，串行輸出口，輸出。 ,外部中斷0,輸入。 ，外部中斷1，輸入。 T0，定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入端，輸入。 T1，定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部輸入端，輸入。 ，低電平有效，輸出，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通。 ，低電平有效，輸出，片外數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通。（3） 控制線RST：復(fù)位輸入信號(hào)，高電平有效。在振蕩器工作時(shí)，在RST上作用兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平，將器件復(fù)位。/VPP：片外程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)允許信號(hào)，低電平有效。在編程時(shí)，其上施加12V的編程電壓。ALE/：地址鎖存允許信號(hào)，輸出。用作片外存儲(chǔ)器訪問(wèn)時(shí)，低字地址鎖存。ALE以1/6的振蕩頻率穩(wěn)定速率輸出，可用作對(duì)外輸出的時(shí)鐘或用于定時(shí)。在編程期間，作輸入。輸入編程脈沖（）。ALE可以驅(qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。：片外程序存儲(chǔ)器選通信號(hào)，低電平有效。從片外程序存儲(chǔ)器取指令期間，在每個(gè)機(jī)器周期中，當(dāng)有效時(shí)，程序存儲(chǔ)器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）?？梢则?qū)動(dòng)8個(gè)LSTTL負(fù)載。由于在此次設(shè)計(jì)中運(yùn)用了單片機(jī)的定時(shí)中斷功能，所以現(xiàn)在對(duì)單片機(jī)的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明[15]。3. 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器系統(tǒng)89C51單片機(jī)包含有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：T0和T1。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的核心是一個(gè)加1計(jì)數(shù)器。在單片機(jī)的T0、T1引腳施加一個(gè)1到0的跳變，計(jì)數(shù)器加1，即為計(jì)數(shù)功能；在單片機(jī)內(nèi)部對(duì)機(jī)器周期或其分頻進(jìn)行計(jì)數(shù)，從而得到定時(shí)，這就是定時(shí)功能。定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1由計(jì)數(shù)器TH0、TL0和THTL1；特殊功能寄存器TMOD和TCON；時(shí)鐘分頻器；輸入引腳T0、T和組成。（1） 方式寄存器TMOD方式寄存器TMOD是一個(gè)逐位定義的8位寄存器，字節(jié)地址為89H，其格式如下：位D7D6D5D4D3D2D1D0位功能GATEC/M1M0GATEC/M1M0其中低4為定義T0，高4位定義T1,各位的意義如表31所示。表31 方式寄存器—TMOD各位功能位名稱功能D7GATE定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1門控位D6C/定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1功能選擇位：C/=1為計(jì)數(shù)器，C/=0為定時(shí)器D5M1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1方式選擇位D4M0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1方式選擇位D3GATE定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0門控位D2C/定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0功能選擇位：C/=1為計(jì)數(shù)器，C/=0為定時(shí)器D1M1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1方式選擇位D0M0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1方式選擇位（2） 控制寄存器TCON控制寄存器TCON是一個(gè)逐位定義的8位寄存器，即可字節(jié)尋址也可位尋址，字節(jié)地址為88H，位尋址的地址為88H8FH，其格式如下：位地址8FH8EH8DH8CH8BH8AH89H88H位功能TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0各位的意義如表32所示。表32 控制寄存器—TCON各位功能位名稱功能D7TF1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的溢出標(biāo)志D6TR1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的運(yùn)行控制位D5TF0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0的溢出標(biāo)志D4TR0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1的運(yùn)行控制位D3IE1外部中斷1請(qǐng)求標(biāo)志位D2IT1外部中斷1請(qǐng)求標(biāo)志位出發(fā)類型選擇D1IE0外部中斷0請(qǐng)求標(biāo)志位D0IT0外部中斷0請(qǐng)求標(biāo)志位出發(fā)類型選擇（3） 數(shù)據(jù)寄存器THTL1和TH0、TL0T0、T1各有1個(gè)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(gè)寄存器的地址如表33所示。表33定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1的數(shù)據(jù)寄存器的字節(jié)地址寄存器名稱字節(jié)地址TH1T1的高8位數(shù)據(jù)寄存器8DHTL1T1的低8位數(shù)據(jù)寄存器8BHTH0T0的高8位數(shù)據(jù)寄存器8CHTL0T0的低8位數(shù)據(jù)寄存器8AH（4） 工作方式根據(jù)對(duì)TMOD的M1和M0的設(shè)定，T0、T1可選擇4種不同的工作方式。如表34所示。表34定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1的工作方式M1M0工作方式計(jì)數(shù)器配置00方式013為計(jì)數(shù)器01方式116位計(jì)數(shù)器10方式2自動(dòng)再裝入的8位計(jì)數(shù)器11方式3T0分為兩個(gè)8位計(jì)數(shù)器，T1作為波特率發(fā)生器本次設(shè)計(jì)中只用到了定時(shí)器的方式1，在此只對(duì)方式1進(jìn)行介紹，其他幾種工作方式的具體介紹請(qǐng)參見(jiàn)[15]相應(yīng)章節(jié)。方式1時(shí)的結(jié)構(gòu)圖如圖32。圖32 定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0、T1的結(jié)構(gòu)圖計(jì)數(shù)時(shí)，TLx的低8位一處后向THx進(jìn)位，THx溢出后將TFx置位，并向CPU申請(qǐng)中斷。當(dāng)GATE=0時(shí)，A點(diǎn)為高電平，定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)/停止由TRx決定。當(dāng)GATE=1時(shí)，A點(diǎn)的電位由決定，B點(diǎn)的電位由TRx和決定，即定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的啟動(dòng)/停止由TRx和兩個(gè)條件決定。計(jì)數(shù)溢出時(shí)，TFx置位。如果中斷允許，CPU響應(yīng)中斷并轉(zhuǎn)入中斷服務(wù)子程序，由內(nèi)部硬件清TFx。TFx也可由程序查詢和清0。4. 中斷系統(tǒng)89C51單片機(jī)有5個(gè)中斷源，見(jiàn)表35所示。由于在此系統(tǒng)中我們只用到定時(shí)器中斷，在此只對(duì)單片機(jī)中斷系統(tǒng)的中斷允許控制字IE進(jìn)行說(shuō)明，其他關(guān)于中斷系統(tǒng)的相關(guān)知識(shí)請(qǐng)參見(jiàn)[1]相應(yīng)章節(jié)。表35中斷矢量地址中斷源中斷矢量地址外部中斷0（）0003H定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0（T0）000BH外部中斷1（）0013H定時(shí)器/計(jì)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AFHAEHADHACHABHAAHA9HA8H符號(hào)EAESET1EX1ET0EX0IE寄存器中各位為0時(shí)，禁止中斷；為1時(shí)，允許中斷。各位定義如表36。表36中斷允許控制IE各位功能位名稱功能D7EACPU中斷允許位D4ES串行口中斷允許位D3ET1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T1中斷允許位D2EX1外部中斷1中斷允許位D1ET0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0中斷允許位D0EX0外部中斷0中斷允許位167。 數(shù)模轉(zhuǎn)換器DA