【正文】 而在 DAC0832 的輸出端得到相應的波形輸出 [12]。綜合以上幾種設計方案，本設計采用軟硬件結合設計法。目前，實驗、科研和工業(yè)生產中使用的波形發(fā)生器大多采用此方法來實現(xiàn) [711]。如以單片機和單片集成波形發(fā)生器為核心，輔以鍵盤控制、液晶顯示等電路，設計出智能型函數(shù)波形發(fā)生器。但是純軟件設計法只能用于計算機仿真，不能用于實踐應用，而且其波形的響應速度和精度都遜色于硬件法。完成的軟件打包后，可脫離編程環(huán)境獨立運行，從而實現(xiàn)任意波形發(fā)生器的功能。例如用圖形化編程工具 LabVIEW 就可以實現(xiàn)任意波形發(fā)生器的功能。虛擬儀器是 21 世紀測試儀器領域技術發(fā)展的重要方向。而由硬件電路構成的波形發(fā)生器產生的低頻信號性能難以令人滿意；另外，由于低頻信號源硬件電路中所需的 RC 很大，大電阻、大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證；體積大、漏電、損耗顯著更是致命的弱點；一旦工作需求功能有增加，則電路復雜程度會大大增加 [6]。但是這種電路存在波形質量差、控制難、可調范圍小、電路復雜和體積大等缺點。波形發(fā)生器的設計方案多種多樣，大致可以分為三大類：純硬件設計法、純軟件設計法和軟硬件結合設計法。各種波形共有的指標有：波形的頻率、幅度、頻率穩(wěn)定度、準確度等。依據(jù)不同的設計要求可以選取不同的設計方案。能夠 實現(xiàn)波形幅度動態(tài)連續(xù)可調，調節(jié)范圍為 0~5V；波形頻率動態(tài)可調，有兩個檔位，一 檔頻率為 30Hz，二 檔頻率為 15Hz。為了實驗、研究方便，研制一種 靈活適用、功能齊全、使用方便的信號源是十分必要的。實驗中常用的波形主要是方波、三角波、正弦波三種。 到了二十一世紀 ，隨著集成電路技術的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過 GHz 的 DDS 芯片，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展， 2021 年， Agilent 的產品 33220A能夠產生 17 種波形，最高頻率可達到 20MHz， 2021 年的產品 N6030A 能夠產生高達500MHz 的頻率，采樣頻率可達 [4]。 HP8770A 實際上也只能產生 8 種波形，而且價格昂貴。這個時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質是采用微處理器對 DAC 的程序控制，得到各種簡單的波形 [3]。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調節(jié)，因此很難將頻率調到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調節(jié) [2]。 2 在 70 年 代前，波形發(fā)生器能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標準波形，產生其它波形時，需要采用較復雜的電路和機電結合的方法。 關鍵詞 ： Proteus； AT89C51； ADC0832；波形發(fā)生器 Design and Research of the Waveform Generator Based on Proteus Abstract: Various signals are an important part of correspondent area. In this area, square wave, triangle wave and sine wave are mon signals. Proteus is the best tool of the simulation of MCU and peripheral devices currently. In this paper, the low frequency sources of different signals that are produced by AT89C51 MCU and DAC0832 is introduced. It can generate the square wave, triangle wave and sine wave with switches. The signal’s range and frequency can be controlled by requirement. It has got simulation in Proteus. In this paper, how to use MCU to control the hardware circuit of DAC0832 and software program to produce the signals above are emphasized. Key words: Proteus； AT89C51； ADC0832； Waveform generator 1 引言 研究背景與意義 波形發(fā)生器 也稱信號發(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器，是一種常見的應用電子儀器設備， 能夠產生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復性和易操作性。本文介紹 了 利用 AT89C51單片機和數(shù)模轉換器件 DAC0832產生所需不同信號的低頻信號源， 該信號源 通過開關控制可產生方波、三角波 和 正弦波，其信號幅度和頻率可以按要求 進行 控制 ，并在 Proteus 中通過了仿真 。 學號 20215044018 本科畢業(yè)論文 學 院 物理電子工程學院 專 業(yè) 電子科學與技術 年 級 2021 級 姓 名 論文題目 基于 Proteus 的波形發(fā)生器的設計與研究 指導教師 職稱 講師 2021 年 05 月 09 日 目 錄 摘 要……………………………………………………………………………………… 1 Abstract…………………………………………………………………………………… 1 1 引言……………………………………………………………………………………… 1 研究背景與意義………………………………………………………………… 1 課題設計目標及主要工作……………………………………………………… 2 2 方案論證與比較…………………………………… …………………………………… 2 純硬件設計法………………………………………………………………… 3 純軟件設計法…………………………………………………………………… 3 軟硬件結合法…………………………………………………………………… 3 3 硬件設計………………………………………………………………………………… 4 單片機最小系統(tǒng)模塊…………………………………………………………… 5 波形與頻率選擇模塊…………………………………………………………… 7 波形輸出模塊…… ……………………………………………………………… 7 4 軟件設計 ……………………………………………………………………………… 9 5 軟硬件結合仿真……………………………………………………………………… 10 6 結束語 ………………………………………………………………………………… 10 參考文獻………………………………………………………………………………… 11 致謝……………………………………………………………………………………… 12 附錄……………………………………………………………………………………… 13 1 基于 Proteus 的波形發(fā)生器的設計與研究 摘 要 ： 各種各樣的信號是通信領域的重要組成部分，其中方波、三角波和正弦波等是較為常見的信號。 Proteus 軟件是目前最好的仿真單片機及外圍器件的工具。文中著重介紹了如何利用單片機控制 D/A 轉換器產生上述信號的硬件電路和軟件編程。波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形 等 進行動態(tài) 和 及時的控制，并能夠與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵、通訊和儀器儀表領域 [1]。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術，模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產生較為復雜的信號波形，則電路結構將非常復雜。 在 70 年代后，由于微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器、 A/D 和 D/A，采用硬件和軟件結合的方法使波形 發(fā)生器的功能擴大，產生更加復雜的波形。 90 年代末，出現(xiàn)了幾種高性能、高價格的波形發(fā)生器，如 HP 公司推出了型號為HP770S 的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A 任意波形數(shù)字化和 HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。不久以后， Analogic公司推出了型號為 Data2020 的多波形合成器， Lecroy 公司生產的型號為 9100 的任意波形發(fā)生器等。 波形發(fā)生器，作為實驗信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設計應用中必不可少的儀器設備之一 [5]。在科學研究及教學實驗中常常需要這幾種信號的發(fā)生裝置。 課題設計目標及主要工作 本課題設計采用 Proteus 軟件平臺， 實現(xiàn) 一個簡易的波形發(fā)生器 的仿真設計 ，產生方波、三角波 和 正弦波三種常用波形 。 2 方案論證與比較 依據(jù)應用場合，需要實現(xiàn)的波形種類，波形發(fā)生器的具體指標要求會有所不同。通常，波形發(fā)生器需要實現(xiàn)的波形有 3 方波、三角波和正弦波而 有些場合可能還需要其他任意波形的產生。對于不同的波形，具體的指標要求也會有所差異，例如，占空比是脈沖波形特有的指標。 純硬件設計法 傳統(tǒng)的波形發(fā)生器可以完全由硬件電路搭接而成，實現(xiàn)的波形比較單一，如采用555 振蕩電路產生方波、三角波和正弦波等。在科學研究和生產實踐中 ，如工業(yè)過程控制、生物醫(yī)學、地震模擬機械振動等領域常常要用到低頻信號源。 純軟件設計法 虛擬儀器的出現(xiàn)使傳統(tǒng)儀器發(fā)生了革命性的變化。它以計算機為基礎，軟件為核心，沒有傳統(tǒng)儀器那樣具體的物理結構，在計算機 上實現(xiàn)儀器的虛擬面板，通過軟件設計實現(xiàn)和改變儀器的功能。在 LabVIEW軟件的前面板通過拖放控件，設計儀器的功能面板，如波形顯示窗口、波形選擇按鍵、波形存儲回放等工作界面，在軟件的后面板直接拖放相應的波形函數(shù)并進行參數(shù)設置或直接調用編程函數(shù)來設計任意波形以實現(xiàn)波形產生功能。 采用純軟件的虛擬儀器設計思路可以使設計簡單、高效，僅改變軟件程序就可以輕松實現(xiàn)波形功能的改變或升級 ，從長遠角度來看，純軟件法成本較低。 軟硬件結合法 軟硬件結合的波形發(fā)生器設計方法同時兼具軟硬件設計的優(yōu)勢，既具有純硬件設計的快速、高性能，同時又具有軟件控制的靈活性、智能性。 4 采用軟硬件結合的方法可以實現(xiàn)功能較全、性能更優(yōu)的波形發(fā)生器，同時還可以擴展波形發(fā)生器的功能，比如通過軟件編程控制實現(xiàn)波形的存儲、運算、打 印等功能，采用 USB 接口設計，使波形發(fā)生器具有遠程通信功能等。 相比之下，軟硬件結合的方法可以設計出性能最優(yōu)、功能擴展靈活、控制智能化的波形發(fā)生器，可以滿足教學、科研、工業(yè)生產等各方面對波形發(fā)生器性能有較高要求的應用場合。該方案能夠產生很好的波形，也易于實現(xiàn)。 硬件設計的總體框圖如圖 1 所示。 Proteus 軟件是世界上著名的 EDA工具，由英國 Labcenter electronics 公司出版，它不僅具有其它 EDA 工具軟件的仿真功能，還能仿真單片機及外圍器件。是目前世界上唯一將電路仿真軟件、 PCB 設計軟件和虛擬模型仿真軟件三 合一的設計平臺。 硬件設計的總圖如圖 2 所示。 撥盤開關 AT89C51單片機 復位電路 晶振電路 波形輸出 5 圖 2 硬件設計總圖 單片機最小系統(tǒng)模塊 單片機最小系統(tǒng)包括三個部分：單片機芯片、復位電路和晶振電路。該模塊的單片機芯片選用的是ATMEL 公司的 AT89C51，屬于 80C51 系列，它融入的 Flash 存儲技術，其引腳圖如圖 3 所示。 復位電路 復位是使單片機處于初始狀態(tài)，單片機的工作就是從復位開始的。單片機根據(jù)應用的要求，復位操作通常有兩種基本形式：上電復位和上電或開關復位。上電或開關復位要求電源接通后，單片機自動復位，并且在單片機運行期間，用開關操作也能使單片機復位。當單片機已在運行當中時，按下復位鍵 K 后松開，也能使 RST 為一段時間的高電平，從而實現(xiàn)上電或開關復位的操作。復位電路如圖 4 所示。單片機的時鐘信號通常用兩種電路形式得到：內部振蕩和外部振蕩方式。時鐘 電路如圖 5 所示。由于單片機內部有一個高增益反相放大器，當外接晶振后，就構成了自激振蕩，并產生振蕩時鐘脈沖。 波形與頻率選擇模塊 該模塊采用撥盤開關來進行波形與頻率的選擇和變換，其電路圖如圖 6 所示。 表 1 開關 SW1 的狀態(tài)與波形的對應關系 SW1 的狀態(tài) 選擇的波形 SW1 撥向 1 位置， =1 方波 SW1 撥向 2 位置， =1 三角波 SW1 撥向 3 位置， =1 正弦波 表 2 開關 SW2 的狀態(tài)與頻率檔位的對應關系 SW2 的狀態(tài) 選擇的檔位 SW2 撥向 1 位置， =1 頻率一， 30Hz SW2 撥向 2 位置， =1 頻率二， 15Hz 波形輸出模塊 波形輸出模塊電路圖如圖 7 所示。 8 圖 7 波形輸出模塊電路圖 DAC0832芯片 DAC0832 是 8 分辨率的 D/A 轉換集成芯片，與微處理器完全兼容。 D/A 轉換器由 8 位輸入鎖存器、 8 位 DAC 寄存器、 8