【正文】 rice, stable function, easily achievable, and full function. Keywords： Digital Signal Generator； MCU； DAC0832； 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 1 頁 第 1 章 緒論 概述 當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會(huì)，電子技術(shù)的進(jìn)步，給人們帶來了根本性的轉(zhuǎn)變，給人們的生活和工作帶來了很多的便利。單片機(jī)構(gòu)成 的儀器具有高可靠性、高性能價(jià)格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域得以極為廣泛的應(yīng)用，并走入家庭，從洗衣機(jī)、微波爐到音響汽車，處處可見其應(yīng)用。 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，是現(xiàn)今各種電子電路實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成，且波形種類有限，多為鋸齒、正弦、方波、三角等波形。 利用信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào) ,可以對元器件的特性及參數(shù)進(jìn)行測量 ,還可以對電工和電子產(chǎn)品整機(jī)進(jìn)行指標(biāo)驗(yàn)證、參數(shù)調(diào)整及性能鑒定。 傳統(tǒng)的一般可以完全由硬件電路搭接而成，如采用 555 振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機(jī)。在科學(xué)研究和生產(chǎn)實(shí)踐中，如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)學(xué)，地震模擬機(jī)械振動(dòng)等領(lǐng)域常常要用到低頻信號(hào)源。大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會(huì)大大增加。具有線路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強(qiáng)，用途廣泛等優(yōu)點(diǎn) ，并且能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行細(xì)微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。 設(shè)計(jì)要求 本課題的主要任務(wù)是在深入了解信號(hào)發(fā)生器波形產(chǎn)生原理的基礎(chǔ)上。軟件部分包括程序設(shè) 計(jì)、燒錄、以及單片機(jī)調(diào)試，最后完成整機(jī)的調(diào)試運(yùn)行。其波形信號(hào)的幅值，可以由 控制 D/A 轉(zhuǎn)換器的參考電壓，從而實(shí)現(xiàn) 波形 信號(hào)幅度的控制， 本設(shè)計(jì)用單片機(jī) 控制所 產(chǎn)生信號(hào)的幅度，并且充分地利用了單片機(jī)強(qiáng)大的程序控制和計(jì)算功能，采用查表的方法利用軟件生成了 各種 信號(hào)，從而大大地節(jié)省了硬件開銷，動(dòng)態(tài)地實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)信息的模擬 。一個(gè)用來選擇輸出波形的種類：按一次輸出方波，再按一次，輸出鋸齒波，再按一次輸出正弦波，如此反復(fù)；另外一AT89S51 DAC0832 DAC0832 鍵盤 LED 顯示 基準(zhǔn)電壓 輸出 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 4 頁 個(gè)用來調(diào)節(jié)波形頻率的大?。浩湓O(shè)計(jì)思路是，使波形的頻率隨著按鍵次數(shù)的增加而增加；還有一個(gè)按鍵用來調(diào)節(jié)輸出波形幅值的大小，其設(shè)計(jì)思路是，使波形的幅值隨著按鍵次數(shù)的增加而增加；另外一個(gè)按鍵 用來 確認(rèn)輸出 波形 。 總共 設(shè)置 六位顯示，第一位用來顯示輸出波形的種類，比如，當(dāng) LED 顯示 0 的時(shí)候輸出方波，顯示 1 的時(shí)候輸出鋸齒波，顯示2 的時(shí)候輸出正弦波。第二位 到第四 位用來顯示輸出波形的頻率，第 五位和第六 位用來顯示輸出波形的幅值。因此，送入第二片的值是幾個(gè)固定的值 。 頻率控制 單片機(jī)內(nèi)部數(shù)據(jù)只有 0、 1 之分，所產(chǎn)生的信號(hào)也都是離散信號(hào)。在本設(shè)計(jì)中，對信號(hào)的四分之一周期采樣 19 個(gè)幅度值，通過反復(fù)查表來輸出幅度值，而整個(gè)信號(hào)是通過正查表和逆向查表來實(shí)現(xiàn)的。輸出的波形也就越標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)數(shù)時(shí)間 =信號(hào)周期 /72。對應(yīng)的，計(jì)數(shù)初值 =65536－ 計(jì)數(shù)次數(shù)。由于這部分計(jì)算位數(shù)較多，不適合用單片機(jī)編程來計(jì)算計(jì)數(shù)初值，所以本設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 5 頁 中將各頻率的計(jì)數(shù)初值算出，讓單片機(jī)按控制命令來查表控制頻率。 本設(shè)計(jì)為低頻信號(hào)發(fā)生器，在頻率只有幾十赫茲的時(shí)候計(jì) 數(shù)次數(shù)將很大，因此計(jì)數(shù)器的工作方式選為工作方式 1，每次計(jì)數(shù)器溢出時(shí)需要重新裝入計(jì)數(shù)初值。 方波的產(chǎn)生比較容易實(shí)現(xiàn)，利用單片機(jī)輸出，使高低電平間隔輸出即可。 正弦波是比較難以實(shí)現(xiàn)的，也是比較麻煩的， 正弦波的產(chǎn)生是通過對標(biāo)準(zhǔn)正弦波進(jìn)行采樣輸出而得到的，采樣間隔越小，正弦波的輸出精度就越高，失真度越小。 本章小結(jié) 本章主要介紹了低頻信號(hào)發(fā)生器目前的應(yīng)用和發(fā)展現(xiàn)狀。系統(tǒng)方案的論證是十分重要的，它是設(shè)計(jì)工作的開始，也給出了實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的工作步驟。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 6 頁 第 3 章 硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體電路圖 系統(tǒng)大致由 D/A 轉(zhuǎn)換電路、按鍵輸入電路、 LED 數(shù)碼管顯示電路構(gòu)成。 因?yàn)?D/A 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓與其輸入的基準(zhǔn)電壓相關(guān)，所以只要能控制 D/A 的基準(zhǔn)電壓便可以控制輸出幅度，實(shí)現(xiàn)幅度可調(diào)。 P1 口做輸出：輸出八位二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)。電壓變化范圍為 5V— +5V，做第二級(jí) DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓。 P1口的八位二進(jìn)制數(shù)輸出信號(hào)再經(jīng)過第二級(jí) DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及集成運(yùn)放輸出，使輸出電壓信號(hào) U的變化范圍滿足要求 . 系統(tǒng)總體電路圖如圖 2 所示： 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 7 頁 圖 2 系統(tǒng)總體電路圖 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 8 頁 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)，又稱微處理器。它價(jià)格低廉，功能強(qiáng)大，體積小，性能穩(wěn)定。雖然單片機(jī)只是一個(gè)芯片，但是無論從組成還是從功能上看，它都具有了微型系統(tǒng)的特征。芯片上的 Flash 存儲(chǔ)器 允許在線編程或采用通用的非易丟失存儲(chǔ)編程器重復(fù)編程。這 8 條引腳有兩種不同的功能，分別使用于兩種不同情況。這時(shí)，輸出數(shù)據(jù)可以得到鎖存，不需要外接專用鎖存器，輸入數(shù)據(jù)可以得到緩沖，增加了數(shù)據(jù)輸入的可靠性；第二種情況是 89S51 帶片外存儲(chǔ)器， — 在 CPU 訪問片外存儲(chǔ)器時(shí)用于傳送片外存儲(chǔ)器的低 8 位地址，然后傳送 CPU 對片外存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。 P1 口管腳寫入“ 1”后，被內(nèi)部上拉為高電平，用作輸入；被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流。它的第二功能和 P0 口引腳的第二功能相配合，用于輸出片外存儲(chǔ)器的高 8 位地址，共同選中片外存儲(chǔ)器單元，但并不能像 P0 口那樣還可以傳送存儲(chǔ)器的讀寫數(shù)據(jù)。 P3 口也可作為 89S51 的一些特殊功能口。 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 9 頁 它主要包括 時(shí)鐘 電路也就是 XTAL XTAL2 晶體振蕩電路反相輸入端和輸出端 ，然后要特別注意幾個(gè)引腳，比如復(fù)位端、外部程序存儲(chǔ)器地址允許使用端。 MCS51 單片機(jī)都有一個(gè)復(fù)位引腳 RST， 在振蕩器運(yùn)行時(shí)， RST 引腳上保持至少兩個(gè)機(jī)器周期的高電平輸入信號(hào)，復(fù)位過程即可完成。內(nèi)部復(fù)位操作是在發(fā)現(xiàn) RST 為高電平后的第二個(gè)機(jī)器周期進(jìn)行的，并且此后的每個(gè)周期都重復(fù)進(jìn)行復(fù)位操作，直到 RST 變成低電平為止。本設(shè)計(jì)中采用的是按鍵電平復(fù)位，并帶有上電復(fù)位功能，其設(shè)計(jì)簡單，采用電阻分壓的方式給 RST 提供高電平。 具體電路如下圖所示： 圖 3 復(fù)位電路 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 10 頁 在計(jì)算機(jī)中有一個(gè)起到協(xié)調(diào)作用的“口號(hào)”，這個(gè)就是時(shí)鐘信號(hào)。 考慮性能問題，本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘電路。 圖 4 時(shí)鐘電路 圖中晶體振蕩器是石英晶體或陶瓷結(jié)構(gòu)，振蕩頻率一般選在 ~12MHz之間， C1， C2 在 30PF 左右； 單片機(jī)與 DAC0832 的接口技術(shù) 在計(jì)算機(jī)應(yīng)用領(lǐng)域中，特別是在實(shí)驗(yàn)室控制和智能儀表等系統(tǒng)中，常常需要把一些連續(xù)變化的物理量變成數(shù)字量，以便送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行加工、處理；也需要將計(jì)算機(jī)輸出的數(shù)字 量轉(zhuǎn)化為連續(xù)變化的物理量，用以驅(qū)動(dòng)相應(yīng)執(zhí)行結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對被控對象的控制，下面涉及到的是數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量這一轉(zhuǎn)化過程。它由倒 T型 R2R 電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬開關(guān)、運(yùn)算放大器和參考電壓 VREF 四大部分組成。 運(yùn)算放大器輸出的模擬量 V0 為： 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 11 頁 由上式可見，輸出的模擬量與輸入的數(shù)字量（ ） 成正比，這就實(shí)現(xiàn)了從數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。輸入可 有 2^8=256 個(gè)不同的二進(jìn)制組態(tài)，輸出為 256 個(gè)電壓之一，即輸出電壓不是整個(gè)電壓范圍內(nèi)任意值，而只能是 256個(gè)可能值。 D/A 轉(zhuǎn)換器的功能在于把對其輸入的數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成與此數(shù)值成正比的模擬電壓或電流。 DAC0832 主要由兩個(gè) 8 位寄存器和一個(gè) 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器組成。 D0~D7： 8 位數(shù)據(jù)輸入引腳， D7 為最高位。 CS：芯片選擇信號(hào)，輸入，低電平有效。 從上述三信號(hào)的邏輯關(guān)系中可以看出，當(dāng) ILE 為高電平， CS 和 WR1 均為低電平時(shí)，輸入鎖存器的鎖存允許信號(hào) IE1 將為高電平。 WR2：寄存器的寫選通信號(hào)，輸入，低電平有效。 若 WR2 和 XFER兩信號(hào) 均為低電平，則 DAC寄存器的鎖存信號(hào) LE2 為高電平，此時(shí)輸入鎖存器的輸入數(shù)據(jù)被傳送至 DAC 寄存器中；但當(dāng) LE2 因上述兩信號(hào)的變化而跳變成低電平時(shí)，第二級(jí)，即 DAC 寄存器中的數(shù)據(jù)被鎖定。 Vref：基準(zhǔn)電壓（可為 10V~+10V）輸入引腳。 Rfb： 內(nèi)部反饋電阻對外引腳，用以輸入來自片外運(yùn)算放大器的反饋信號(hào)。 DAC0832 屬電流輸出型，且兩輸出電流之和為常數(shù)。對于這類 D/A 轉(zhuǎn)換器，通常以電流建立時(shí)間來表示其轉(zhuǎn)換速度。 LSB/2 所需要的時(shí)間。s。 DGND：數(shù)字量地，即 VCC、數(shù)據(jù)、地址及控制信號(hào)的 0 電平輸入引腳。 從前 面對 DAC0832 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的講述中得知，其前級(jí)輸入鎖存器和 DAC 寄存器可允許數(shù)據(jù)進(jìn)入其中，亦可鎖定數(shù)據(jù)，拒絕新數(shù)據(jù)進(jìn)入。據(jù)此我們可歸納出三點(diǎn)： 單緩沖方式： LE2 和 LE1 受控于同一組外部信號(hào)，兩級(jí)積存器同時(shí)鎖存數(shù)據(jù)。 直通方式： LE1 和 LE2 均恒為 1，外來數(shù)據(jù)直接通過前兩級(jí)到達(dá) D/A 轉(zhuǎn)換器。 LM324 的功能特點(diǎn)如下所述： LM324 系列器件為價(jià)格便宜的帶有差動(dòng)輸入的四運(yùn)算放大器。該四放大器可以工作在低到 伏或者高到 32 伏的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一。 LM324 的特點(diǎn)： 短跑保護(hù)輸出 真差動(dòng)輸入級(jí) 可單電源工作： 3V32V 低偏置電流：最大 100nA 每封裝含四個(gè)運(yùn)算 放大器。 共模范圍擴(kuò)展到負(fù)電源 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 14 頁 行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的引腳排列 輸入端具有靜電保護(hù)功能 LM324 引腳圖如下圖 7 所示： 圖 7 LM324 引腳圖 DAC0832 和 MCS51 的接口 在本設(shè)計(jì)中。 電路圖如下所示： 圖 8 DAC0832 和 MCS51 的接口電路圖 設(shè)計(jì)（論文）專用紙 第 15 頁 D/A 轉(zhuǎn)換器的基本功能是將一個(gè)用二進(jìn)制形式表示的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量，為單片機(jī)在模擬環(huán)境中應(yīng)用提供了一種數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口。 根據(jù)數(shù)據(jù)在芯片內(nèi)部傳送過程的不同， DAC0832 具有直通式、單緩沖和雙緩沖三種工作方式： 直通工作方式是將 ILE、 CS*、 WR1*、 WR2*、和 XFER*控制信號(hào)預(yù)先置為有效使兩個(gè)寄存器都處于開放狀態(tài)，無需控制信號(hào)。 單緩沖工作方式是指兩級(jí)緩沖器之一受 CPU 送來的控制信號(hào)控制，另外一個(gè)寄存器為直通狀態(tài)。這種方式適用于只有一路模擬量輸出或者記錄模擬量不需要同步輸出的系統(tǒng)。使用時(shí)，首先通過 ILE、 CS*、和 WR1*信號(hào)同時(shí)有效，把數(shù)據(jù)鎖存到輸入寄存器，然后通過 WR2*、和 XFER*信號(hào)有效，再把數(shù)據(jù)打入 DAC 寄存器，并進(jìn)入 D/A 轉(zhuǎn)化，這種方式