【正文】 ，B點的電位由TRx和決定，即定時器/計數(shù)器的啟動/停止由TRx和兩個條件決定。圖32 定時器/計數(shù)器T0、T1的結(jié)構(gòu)圖計數(shù)時，TLx的低8位一處后向THx進位，THx溢出后將TFx置位，并向CPU申請中斷。表34定時器/計數(shù)器T0、T1的工作方式M1M0工作方式計數(shù)器配置00方式013為計數(shù)器01方式116位計數(shù)器10方式2自動再裝入的8位計數(shù)器11方式3T0分為兩個8位計數(shù)器，T1作為波特率發(fā)生器本次設(shè)計中只用到了定時器的方式1，在此只對方式1進行介紹，其他幾種工作方式的具體介紹請參見[15]相應(yīng)章節(jié)。表33定時器/計數(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TMOD的M1和M0的設(shè)定，T0、T1可選擇4種不同的工作方式。表31 方式寄存器—TMOD各位功能位名稱功能D7GATE定時器/計數(shù)器T1門控位D6C/定時器/計數(shù)器T1功能選擇位：C/=1為計數(shù)器，C/=0為定時器D5M1定時器/計數(shù)器T1方式選擇位D4M0定時器/計數(shù)器T1方式選擇位D3GATE定時器/計數(shù)器T0門控位D2C/定時器/計數(shù)器T0功能選擇位：C/=1為計數(shù)器，C/=0為定時器D1M1定時器/計數(shù)器T1方式選擇位D0M0定時器/計數(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。定時器/計數(shù)器T0和T1由計數(shù)器TH0、TL0和THTL1；特殊功能寄存器TMOD和TCON；時鐘分頻器；輸入引腳T0、T和組成。定時器/計數(shù)器的核心是一個加1計數(shù)器。由于在此次設(shè)計中運用了單片機的定時中斷功能，所以現(xiàn)在對單片機的定時器/計數(shù)器系統(tǒng)和中斷系統(tǒng)進行簡要說明[15]。從片外程序存儲器取指令期間，在每個機器周期中，當(dāng)有效時，程序存儲器的內(nèi)容被送上P0口（數(shù)據(jù)總線）。ALE可以驅(qū)動8個LSTTL負(fù)載。在編程期間，作輸入。用作片外存儲器訪問時，低字地址鎖存。在編程時，其上施加12V的編程電壓。在振蕩器工作時，在RST上作用兩個機器周期以上的高電平，將器件復(fù)位。 ，低電平有效，輸出，片外數(shù)據(jù)存儲器讀選通。 T1，定時/計數(shù)器1的外部輸入端，輸入。 ，外部中斷1，輸入。 TXD，串行輸出口，輸出。在提供這些替代功能時，其輸出鎖存器應(yīng)由程序置1。P3口可以驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。P2口可以驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。當(dāng)使用片外存儲器（RAM或RAM）時，輸出高位地址。P1口能驅(qū)動4個LSTTL負(fù)載。P1口：8位準(zhǔn)雙向I/O口，具有內(nèi)部上拉電阻。在程序校驗期間，輸出指令字節(jié)（這時需要加外部上拉電阻）。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。（2） I/O口89C51單片機有4組8位的I/O口，共32根口線。XTAL1：輸入到振蕩器的反向放大器。1. 主要特性l 與MCS51 兼容l 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器l 壽命：1000寫/擦循環(huán)l 數(shù)據(jù)保留時間：10年l 全靜態(tài)工作：0Hz24MHzl 三級程序存儲器鎖定l 1288位內(nèi)部RAMl 32可編程I/O線l 兩個16位定時器/計數(shù)器l 5個中斷源l 可編程串行通道l 低功耗的閑置和掉電模式l 片內(nèi)振蕩器和時鐘電路2. 管腳說明圖31 89C51單片機引腳說明圖（1） 電源和晶振VCC：運行和程序校驗時加+5V電壓。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中， 89C51是一種高效微控制器，89C2051是它的一種精簡版本。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。167。14第3章 主要芯片及設(shè)計軟件介紹167。 系統(tǒng)可行性分析系統(tǒng)地電源部分我們選用7807817915三個三端集成穩(wěn)壓器得到+5V、+15V、–15V的電壓，然后再將這三個集成穩(wěn)壓器輸出的電壓值供給整個系統(tǒng)；通過DAC0832或DAC908進行數(shù)模轉(zhuǎn)換；集成運放OP05進行電壓放大；運用8255A芯片進行I/O擴展；撥碼開關(guān)組成按鍵系統(tǒng)；程控波形發(fā)生器設(shè)計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)計額外用到一片SRAM6116，兩片74LS373鎖存器，一片555作外部時鐘源，三片74161作分頻譯碼電路，一個MAX232和一個9針插口組成串行通信模塊。同時系統(tǒng)中擴展了RS232串行通信模塊用于與上位機通信，可以從上位機獲取波形數(shù)據(jù)。圖22 硬件波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖在使用過程中，用戶先通過鍵盤設(shè)定要輸出波形的類型和分頻選擇。167。 程控波形發(fā)生器系統(tǒng)框圖本系統(tǒng)由單片機最小系統(tǒng)（由51單片機、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展I/O口的8255A芯片組成。以下分別對這兩種設(shè)計的系統(tǒng)框圖予以介紹。167。但是考慮到IDT7132芯片的價格昂貴，且Proteus仿真軟件也沒有提供此類軟件，所以我選擇用普通的6116RAM解決問題。硬件波形發(fā)生器設(shè)計的設(shè)計中首先需要單片機將數(shù)據(jù)寫入RAM中，然后需要RAM將數(shù)據(jù)發(fā)送給DAC進行轉(zhuǎn)換，這就意味著RAM即要從單片機接受數(shù)據(jù)又要輸出數(shù)據(jù)給DAC。方案二：采用雙端口RAM（如IDT7132芯片）。 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)計中需要用到SRAM去存儲離散的波形數(shù)據(jù)。但是在隨后使用的仿真軟件Proteus的元件庫所提供的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。方案二：采用常用的8位D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832進行設(shè)計。按轉(zhuǎn)換速度去劃分現(xiàn)有的DAC可以分為低速（建立時間大于100）、中速（建立時間1~100）、高速（~50ns）和超高速（建立時間小于50ns）四種。 D/A轉(zhuǎn)換器的選擇D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時間是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器完成一個轉(zhuǎn)換所需的時間，是D/A轉(zhuǎn)換器的一個重要參數(shù)。硬件波形發(fā)生器設(shè)計不準(zhǔn)備加入顯示模塊，主要是因為此種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)常對波形的頻率和幅值進行更改，所以顯示模塊在此種方案中顯得冗余。方案三的液晶可以顯示漢字和圖形，這些功能在本次設(shè)計中用不到。方案一占用較多的I/O口資源，需要添加額外的I/O擴展電路和譯碼電路，但是此方案硬件價格低廉，編程起點低。方案二：采用LCD1602液晶顯示相關(guān)信息。167。方案二可以節(jié)省單片機的I/O口資源，但是其編程方法（行掃描法和反轉(zhuǎn)掃描法）難度較大。方案二：采用矩陣鍵盤。167。方案一與方案三相比，雖然方案三增加了額外的硬件和軟件的開銷，但是可以通過按鍵對程序參數(shù)進行設(shè)定來改變輸出幅值，不需要對硬件滑動變阻器進行手動調(diào)節(jié)，具有優(yōu)越的人機交互性。單片機通過程序改變送給第一片DAC0832的數(shù)字量來改變其輸出電壓，即第二片DAC的參考電壓Vref，從而改變幅值。在運放的電壓輸出端加滑動變阻器可以實現(xiàn)輸出波形幅值的調(diào)節(jié)。方案一：將DAC0832的RFB引腳接一個滑動變阻器來改變DAC0832的基準(zhǔn)電壓Vref，從而通過改變基準(zhǔn)電壓Vref來改變DAC0832的輸出電壓Vo，即實現(xiàn)波形幅度的改變。167。但是由于輸出高頻時受到軟件執(zhí)行（例如對定時器的重新賦值指令需要占用4個機械周期，一周期波形需要進行256次再賦值操作，所以一個周期也就引入了的誤差）的影響，在高于1KHz時得到波形頻率與期望頻率誤差較大，—1KHz。對以上方案綜合比對，可以得出如下結(jié)論：方案一主要是靠硬件實現(xiàn)調(diào)頻，無上限頻率和下限頻率的限制，且頻率的誤差度可以忽略不計，但是頻率的選擇只可是外部時鐘源的整倍數(shù)分頻（如2分頻、4分頻等），不可實現(xiàn)頻率的連續(xù)可調(diào)。例如，單片機的晶振頻率fOSC=12MHz，定時器采用方式1，若產(chǎn)生周期為T的波形，定時器初值的計算方法如下：單片機機械周期Tmec為： (21)定時器初值TC為： (22)定時器初值高位TCH為： (23)定時器初值低位TCL為： (24)當(dāng)要獲得1Hz的波形時，按照上述方法可以算出：TC=61630, TCH=240, TCL=190但是此種方案最大計數(shù)值為65536，最小計數(shù)值為1，所以決定了此種方法所能得到的波形的上限頻率fMAX為： (25)下限頻率fMIN為： (26)需要說明的是以上上限下限頻率是對于將一周期波形離散成256個數(shù)據(jù)點的正弦波和鋸齒波而言的。如此，周而復(fù)始就可以從DAC得到要求的波形輸出。將一個周期的波形數(shù)據(jù)離散成256個采樣點數(shù)據(jù)（），然后令微處理器的累加器A自身循環(huán)增加，沒增加一次即向DAC送出一個波形采樣數(shù)據(jù)，并啟用一次定時器延時。通過外部時鐘分頻器的設(shè)置來選擇波形的頻率檔位。 調(diào)頻方案設(shè)計本次設(shè)計提供了兩種調(diào)頻方案的構(gòu)思，具體闡述如下：方案一：通過硬件電路控制離散波形數(shù)據(jù)的輸出速度從而實現(xiàn)頻率的改變。從電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度和成本角度及綜合性價比考慮，確定選擇方案一。方案三中的專用處理器生成的波形頻段寬，穩(wěn)定性好，精度高，執(zhí)行速度快，且編程簡單，不需要外圍硬件電路，但是芯片價格昂貴。并且FPGA具有數(shù)字邏輯器件所共有的問題——競爭和冒險，所以設(shè)計時必須考慮抗干擾性。對以上方案綜合比對，可以得出如下結(jié)論：方案二中的FPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，且具有密度高、速度快、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。方案二：選用FPGA、CPLD等可編程器件組合構(gòu)成控制模塊[10]。167。 子系統(tǒng)模塊方案選擇本節(jié)對本次設(shè)計中起主要作用的控制器、調(diào)頻模塊、調(diào)幅模塊、按鍵模塊、顯示模塊、D/A轉(zhuǎn)換器和SRAM的設(shè)計方案和選型方法進行了具體的闡述。兩種設(shè)計方案的具體實施在下文中將會分別予以介紹。基于這些考慮，本方案的設(shè)計適于作為一個大系統(tǒng)中的波形發(fā)生器子系統(tǒng)，如雷達系統(tǒng)的波形發(fā)生器。但是考慮到在實際的工業(yè)設(shè)計中所需的波形頻率是有限的，針對特定的系統(tǒng)我們可以通過分頻得到多個頻率來滿足系統(tǒng)的要求。但是這也就帶來了一個問題：如果要求對波的頻率進行調(diào)節(jié)就需要更換外部時鐘源。這種方案生在單片機寫入波形數(shù)據(jù)到SRAM后就解放了工作任務(wù)，剩下的波形輸出任務(wù)完全由外部時鐘源控制，所以輸出波的頻率由外部時鐘決定?；谶@些考慮，此種設(shè)計產(chǎn)品仍有很大的應(yīng)用前途，例如，用于實驗教學(xué)的信號源或低頻段的工業(yè)設(shè)計。因此只可用于低頻波形發(fā)生器的設(shè)計。方案四和方案五基于51單片機設(shè)計軟硬件結(jié)合，硬件成本低，軟件起點低，優(yōu)化型相對比較好，設(shè)計時間短，成本低，可靠性高，且滿足設(shè)計要求。方案二簡單易行，但是8038產(chǎn)生的波形容易寄生高次諧波分量，且頻率的穩(wěn)定性差。我將此種方法稱作“硬件波形發(fā)生器設(shè)計” [7]。我將此種方法稱作“程控波形發(fā)生器設(shè)計”[6]。例如專門用于波形發(fā)生器的集成微處理器8XC196MC/MD單片機可以直接產(chǎn)生高頻率的各種常用信號波形[5]。8038可以同時產(chǎn)生方波、三角波和正弦波專用集成電路[4]。通過調(diào)節(jié)第一級運放的RC參數(shù)，可以改變頻率。 總體方案選擇波形發(fā)生器的設(shè)計可以通過多種方案來實現(xiàn)，在設(shè)計之前需要對各種設(shè)計方案進行比較和選擇：方案一：采用分立元件構(gòu)成非穩(wěn)態(tài)的多諧振蕩器，然后根據(jù)所需波形的要求加入積分電路等構(gòu)成波形發(fā)生器，如圖21所示。在文章的最后還附錄了軟件程序、硬件電路圖和PCB圖。第五章對兩種設(shè)計方案的各程序模塊的設(shè)計及流程圖分別予以詳細(xì)的說明。第三章對本次設(shè)計所使用的主要芯片如89C51單片機、8255A[3]、DAC0832等進行了介紹，并且對這些芯片在系統(tǒng)設(shè)計運用的功能給予簡要說明，在本章最后對系統(tǒng)設(shè)計所使用的開發(fā)軟件予以介紹。第一章主要介紹了課題的研究背景、發(fā)展、意義，設(shè)計的整體內(nèi)容以及任務(wù)安排。167。本篇論文主要討論的是波形發(fā)生器設(shè)計的方案選擇，系統(tǒng)硬件電路設(shè)計問題，單片機軟件和生成常用波形軟件編寫問題，以及對本次設(shè)計中的主要芯片的介紹。（2） 擴展有鍵盤模塊用于對對波形類型、頻率和峰峰值進行設(shè)定。該波形發(fā)生器系統(tǒng)采用51單片機進行控制，DAC0832芯片進行D/A轉(zhuǎn)換。167。目前國內(nèi)成熟的產(chǎn)品多位一些PC儀器插卡，獨立儀器少之又少。國產(chǎn)S1000數(shù)字合成掃頻信號發(fā)生器的頻率范圍為1MHz1024MHz，可應(yīng)用于超高頻領(lǐng)域。 選題意義雖然我國對于波形發(fā)生器的研制起步較晚，但是通過幾年的努力也取得了一些可喜的成果。該公司生產(chǎn)的8648D射頻信號發(fā)生器大量應(yīng)用于超高頻的工業(yè)設(shè)計領(lǐng)域，頻率寬度范圍高達9KHz4GHz[3]。任意波形發(fā)生器的典型代表為Lecroy公司生產(chǎn)的的9100任意波形發(fā)生器[2]。如電子設(shè)備的性能指針測試中就需要能提供一些非常規(guī)的測試信號的信號源，即能產(chǎn)生現(xiàn)場所需要波形的任意波形發(fā)生器(