【文章內(nèi)容簡介】 10 總體方案論證與設(shè)計(jì) 信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方法通常有以下幾種： 方案一： 用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。 方案二： 可以由晶體管、運(yùn)放 IC 等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC，如 L803 BA20 XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有 300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影響。 方案三： 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。 方案四： 采用 AT89C51 單片機(jī)和 DAC0832 芯片，直接連接鍵盤和顯示。該種方案主要對(duì) AT89C51 單片機(jī)的各個(gè) I/O 口充分利用 . P1口 是連接鍵盤 以及接顯示電路 ,P2口連接 DAC0832輸出波形 .這樣總體來說 ,能對(duì)單片機(jī)各個(gè)接口都利用上 ,而不在多用其它芯片 ,從而減小了系統(tǒng)的成本 .也對(duì)按照系統(tǒng)便攜式低頻信號(hào)發(fā)生器的要求所完成 .占用空間小 ,使用芯片少 ,低功耗。 綜合考慮，方案 四 各項(xiàng)性能和指標(biāo)都優(yōu)于其他幾種方案，能使輸出頻率有較好的穩(wěn)定性，充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的要求，而且這些芯片及器件均為通用器件，在市場上較常見，價(jià)格也低廉，樣品制作成功的可能性比較大，所以本設(shè)計(jì)采用方案 四 。 模塊結(jié)構(gòu)劃分 本次設(shè)計(jì) 所研究的就是 對(duì)所需要的某種波形輸出對(duì)應(yīng)的數(shù)字信號(hào)，在通過 D/A轉(zhuǎn)換器和單片機(jī)部分的轉(zhuǎn)換輸出一組 連續(xù)變化的 0~5V的電壓脈沖值。在通過顯示部分顯示其頻率，和波形。在設(shè)計(jì)時(shí)分塊來做，按照波形設(shè)定，D/A 轉(zhuǎn)換， 51 單片機(jī)連接，鍵盤控制和顯示五個(gè)模塊的設(shè)計(jì)。最后通過聯(lián)調(diào)仿真，做出電路板成品。從而簡化人機(jī)交互的問題，具體設(shè)計(jì)模塊如圖 11 模塊介紹： ：對(duì)任意波形的手動(dòng)設(shè)定 ： 主要選用 DAC0832 來把 數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào) ，在送入單片機(jī)進(jìn)行處理。 ：最小系統(tǒng) ： 用按鍵來控制輸出 波形的 種類和數(shù)值的輸入 ： 采用 LCD 顯示波形的頻率 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(jì)算一下整個(gè)系統(tǒng)所需的功耗?？紤]單片機(jī)部分（有最小系統(tǒng)， D/A 轉(zhuǎn)換，鍵盤接口，擴(kuò)展部分顯示等部分）的功耗大小， 機(jī)器體積小，價(jià)格便宜，耗電少，頻率適中，便于攜帶。 12 第 3 章 硬件電路的設(shè)計(jì) 基本原理 低頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)主要由 CPU、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、電流 /電壓轉(zhuǎn)換電路、按鍵和 顯示電路 、電源等電路組成。 其工作原理為當(dāng)按下 第一 個(gè)按鍵就會(huì) 分別 出現(xiàn)方波、鋸齒波、三角波、正弦波， 并且 LCD 顯 示器波形數(shù)據(jù)和頻率 。 資源分配 ①主控芯片采用 ATMEL 公司的 89C51； ②采用 12MHz 的晶振器為 89C51 提供時(shí)鐘信號(hào)； ③提供 12V、 12V 和 5V 電壓； ④對(duì)于 89C51 內(nèi)存分配 P1 口的 分別與 五 個(gè)按鍵連接，分別控制鋸齒波、三角波、正弦波按鍵 復(fù)位電路 AT89C51 LCD 顯示 D/A 轉(zhuǎn)換芯片 電流電壓轉(zhuǎn)換電流 波形輸出 13 和方波 以及他們頻率的調(diào)節(jié)和占空比， 以及 P0 口 與 LCD 連接， P2 口與 DAC0832 的 DI0DI7 數(shù)據(jù)輸入端相連。 P2口的數(shù)據(jù)采用 74LS373 進(jìn)行鎖存后經(jīng)過 DAC0808 進(jìn)行 D/A 轉(zhuǎn)換； ⑤采用 LCD1602 顯示頻率 ； ⑥ 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器采用 DAC0808； ⑦運(yùn)算放大器采用 LM324。 各模塊具體設(shè)計(jì) AT89C51單片機(jī)介紹 AT89C51 是一種帶 4K 字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)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(jī)。該器件采用 ATMEL 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， ATMEL 的 AT89C51 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(jià)廉的方案。 圖 31 是常用的一種單片機(jī)，型號(hào)為 AT89C51，它將計(jì)算機(jī)的功能都集成到這個(gè)芯片內(nèi)部去了，就這么一個(gè)小小的芯片就能構(gòu)成一臺(tái)小型的電腦，因此叫做單片機(jī)。 圖 31 AT89C51 芯片 它有 40個(gè)管腳，分成兩排，每一排各有 20 個(gè)腳，其中左下角標(biāo)有箭頭的為第 1 腳，然后按逆時(shí)針方向依次為第 2腳、第 3腳??第 40 腳。 在 40 個(gè)管腳中，其中有 32個(gè)腳可用于各種控制，比如控制小燈 的亮與滅、控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)、控制電梯的升與降等，這 32 個(gè)腳叫做單片機(jī)的“端口”， 14 在單片機(jī)技術(shù)中，每個(gè)端口都有一個(gè)特定的名字，比如第一腳的那個(gè)端口叫做“ ”。 AT89C51 單片機(jī)的功能： 1．主要特性： 178。 與 MCS51 兼容 178。4K 字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命： 1000 寫 /擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間： 10年 178。 全靜態(tài)工作： 0Hz24Hz 178。 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 178。128*8 位內(nèi)部 RAM 178。32 可編程 I/O 線 178。 兩個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 178。5 個(gè)中斷源 178。 可編程串行通道 178。 低功耗的閑置和掉電模式 178。 片 內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 2．管腳說明 （圖 32） ： 15 圖 32 AT89C51管腳分布 178。VCC ：供電電壓 ， 178。GND ：接地 。 178。P0 口： P0口為一個(gè) 8 位漏級(jí)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(shí)，被定義為高阻輸入。 P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù) /地址的第八位。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校 驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高 。 178。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， 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(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。 P2 口： P2 口為一個(gè)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(gè) TTL 門電流，當(dāng) P2 口被寫 “1” 時(shí)，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(shí)， 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(chǔ)器或 16 位地址外部 16 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。在給出地址 “1” 時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)， 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(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。 178。P3 口： P3口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4個(gè) 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。 178。P3 口也可作為 AT89C51 的一些特殊功能口 。 178。 P3 口管腳備選功能 ： 178。 RXD （串行輸入口） 178。 TXD （串行輸出口） 178。 /INT0 （外部中斷 0） 178。 /INT1 （外部中斷 1） 178。 T0 （記時(shí)器 0外部輸入） 178。 T1 （記時(shí)器 1外部輸入） 178。 /WR （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） 178。 /RD （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通） P3 口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。 178。RST ：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 178。ALE/PROG ：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，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(shí)， ALE端以不變的頻率周 期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的 1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈 沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存 儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè) 17 ALE 脈沖。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。此時(shí)， 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。 178。PSEN ：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次 /PSEN 有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的 /PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 178。EA/VPP ：當(dāng) /EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（ 0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式 1時(shí)， /EA將內(nèi)部鎖定為 RESET；當(dāng) /EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在 FLASH 編程期間，此引腳也用于施加 12V 編程電源（ VPP）。 178。XTAL1 ：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。 178。XTAL2 ：來自反向振蕩器的輸出。 3．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(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件， XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保 證脈沖的高低電平要求的寬度。 4．芯片擦除： 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE 管腳處于低電平 10ms 來完成。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫 “1” 且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。 此外， AT89C51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下， CPU 停止工作。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存 RAM 的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止 。 （圖 33） ： 18 MCS51 單片機(jī)復(fù)位電路 是指 單片機(jī)的初始化操作。單片機(jī)啟運(yùn)運(yùn)行時(shí)，都需要先復(fù)位，其作用是使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。因而，復(fù)位是一個(gè)很重要的操作方式。但單片機(jī)本身是不能自動(dòng)進(jìn)行復(fù)位的，必須配合相應(yīng)的外部電路才能實(shí)現(xiàn)。 圖 33 復(fù)位電路 （ 1） 復(fù)位 功能 ： 復(fù)位電路的基本功能是：系統(tǒng)上電時(shí)提供復(fù)位信號(hào)，直至系統(tǒng)電源穩(wěn)定后，撤銷復(fù)位信號(hào)。為可靠起見，電源穩(wěn)定后還要經(jīng)一定的延時(shí)才撤銷復(fù)位信號(hào)，以防電源開關(guān)或電源插頭分 合過程中引起的抖 動(dòng)而影響復(fù)位。 單片機(jī)的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。片內(nèi)復(fù)位電路是復(fù)位引腳 RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，它的輸出在每個(gè)機(jī)器周期的 S5P2，由復(fù)位電路采樣一次。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位（如圖 34(a)）和按鈕復(fù)位 (如圖 34(b))兩種方式 。 圖 34 RC復(fù)位電路 19 （ 2） 單片機(jī)復(fù)位后的狀