【正文】 附錄 3 PROTEUS仿真系統(tǒng)簡(jiǎn)介 ...................................35 5 多波形信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 信號(hào)發(fā)生器現(xiàn)狀 波形發(fā)生器亦稱(chēng)函數(shù)發(fā)生器，作為實(shí)驗(yàn)用信號(hào)源，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。 信號(hào)發(fā)生器作為一種常見(jiàn)的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的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(guò)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。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。現(xiàn)代電子領(lǐng)域中，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷的走向深入，這必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測(cè)技術(shù)的日益革新。因此，單片機(jī)技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。由于單片機(jī)的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，它承擔(dān)了大中型計(jì)算機(jī)和通用微型計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的一些工作。單片機(jī)的特點(diǎn)歸納起來(lái)有以下幾個(gè)方面。 （ 2）集成度高、體積小、可靠性高 單片機(jī)把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路。同時(shí)，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。為了滿(mǎn)足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作指令以及位操作指令。 （ 4）低電壓、低功耗 單片機(jī)大量用于攜帶式產(chǎn)品和家用消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品，低電壓和低功耗尤為重要。 利用單片機(jī)采用程序設(shè)計(jì)方法來(lái)產(chǎn)生低頻信號(hào)，其下限頻率很低。只要對(duì)電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級(jí)。 信號(hào)發(fā)生器與其 它相比還具有如下優(yōu)點(diǎn)：①較分立元件信號(hào)發(fā)生器而言，具有頻率高，工作穩(wěn)定，容易調(diào)試等特性；②較專(zhuān)用 DDS 芯片的信號(hào)發(fā)生器而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等特性。但是這種模塊產(chǎn)生的波形都不是純凈的波形，會(huì)寄生一些高次諧波分量，采用其他的措施雖可濾除一些，但不能完全濾除掉。這種信號(hào)發(fā)生器輸出頻率范圍窄，而且電路參數(shù)設(shè)定較繁瑣，其頻率大小的測(cè)量往往需要通過(guò)硬件電路的切換來(lái)實(shí)現(xiàn)，操作不方便。它的特點(diǎn)是價(jià)格低、性能高，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少。 圖 21 方案一方框圖 D/A 鍵 盤(pán) 單片機(jī) ICL8038 運(yùn)算電路 顯 示 D/A 輸出 8 控制芯片的 選擇 方案一： AT89C52單片機(jī)是一種高性能 8位單片微型計(jì)算機(jī)。 方案二： C8051F005 單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與 AT80C52兼容的微控制器的內(nèi)核，與 MCS51指令集完全兼容。 方案選擇： 方案二中 C8051F005 芯片系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易控制，芯片成本 高，對(duì)于本系統(tǒng)而言利用率低， AT89C52芯片比較常用，簡(jiǎn)單易控制，成本低，性能穩(wěn)定故采用方案一。 圖 31 低頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖 低頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)主要由 CPU、 D/A轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路、電流 /電壓轉(zhuǎn)換電路、按鍵和波形指示電路、電源等電路組成。 9 單片機(jī)的介紹及資源分配 單片機(jī)的介紹 （ 1）最小單片機(jī)系統(tǒng) ① AT89C52 的引腳圖如圖 32所示 圖 32 AT89C52引腳圖 ②管腳說(shuō)明 低頻信號(hào)發(fā)生器采用 AT89C52 單片機(jī)作為控制核心，其內(nèi)部組成包括：一個(gè) 8 位的微處理器 CPU 及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 RAM低 128字節(jié)，存放讀 /寫(xiě)數(shù)據(jù)；高 128字節(jié)被特殊功能寄存器占用；片內(nèi)程序存儲(chǔ)器 4KB ROM；四個(gè)8 位并行 I/O（輸入 /輸出）接口 P3 P0，每個(gè)口可以用作輸入，也可以用作輸出；兩個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí) /計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù) 方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制；五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行 I/O 口。 GND：接地。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。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作 對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪(fǎng)問(wèn)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)。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。 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。 89S52 單片機(jī)外部有 32 個(gè)端口可供用戶(hù)使用，其功能如下： 表 31 89C52 并行 I/O 接口 端口 引腳 位置 第一功能 第二功能 符號(hào) 功能 符號(hào) 功能 P0 3932 通用 I/0 口 AD0AD7 地址數(shù)據(jù)總線(xiàn) P1 18 通用 I/0 口 P2 2128 通用 I/0 口 A8A15 地址總線(xiàn)（高位） P3 10 通用 I/0 口 RXD 串行通信發(fā)送口 11 TXD 串行通信接收口 12 INT0 外部中斷 0 13 INT1 外部中斷 1 14 T0 計(jì)數(shù)器 0 輸入端口 15 T1 計(jì)數(shù)器 1 輸入端口 16 WR 外部存儲(chǔ)器寫(xiě)功能 17 RD 外部存儲(chǔ)器讀功能 11 P0 口： P0 口為一個(gè) 8 位漏級(jí)開(kāi)路雙向 I/O口，每腳可吸收 8TTL門(mén)電流。 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。 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(mén)電流。在 FLASH 編程和校驗(yàn)時(shí)， P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)， P2 口的管腳被外部拉低，將輸出電流。 P2 口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)， P2 口輸出地址的高八位。 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)。當(dāng) P3 口寫(xiě)入“ 1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口，如下所示： 口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷 0） /INT1（外部中斷 1） T0（記時(shí)器 0外部輸入） T1（記時(shí)器 1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通） 12 /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)。有兩種方式可以向 89S52 提供時(shí)鐘脈沖：一是外部時(shí)鐘方式，即使用外部電路向 89S52 提供始終脈沖，見(jiàn)圖 33(a)；二是內(nèi)部時(shí)鐘方式，即使用晶振由 89S52 內(nèi)部電路產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖。 圖 33 89C52 的時(shí)鐘脈沖 圖 3－ 3 中： J 一般為石英晶體，其頻率由系統(tǒng)需要和器件決定，在頻率穩(wěn)定度要求不高時(shí)也可以使用陶瓷濾波器。 10） pF 使用陶瓷濾波器時(shí)， C1=C2=40（177。復(fù)位信號(hào)結(jié)束后， CPU 從 程序存儲(chǔ)器“ 0000H”處開(kāi)始執(zhí)行程序。 ⅰ 上電復(fù)位。設(shè)置一個(gè)復(fù)位按鈕，當(dāng)操作者按下按鈕時(shí)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)位電路，當(dāng)系統(tǒng)滿(mǎn)足某一條件時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 圖 34 89C52 的復(fù)位電路 關(guān)于 CPU 的復(fù)位電路應(yīng)當(dāng)注意，在調(diào)試單片機(jī)程序時(shí)有兩種工作方式。此時(shí)程序的執(zhí)行由仿真器控制，復(fù)位電路不起作用 ，系統(tǒng)時(shí)鐘也經(jīng)常設(shè)置為仿真器產(chǎn)生，此時(shí)用戶(hù)的晶振也不起作用。因此，如果系統(tǒng)復(fù)位電路或晶振電路有故障，就會(huì)出現(xiàn)仿真器方式工作正常，而用戶(hù)方式不工作的現(xiàn)象，這是許多初學(xué)者常遇到的問(wèn)題。在芯片擦操作中，代碼陣列全被寫(xiě)“ 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。在閑置模式下， CPU停止工作。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。 P0 口與 DAC0832的 DI0DI7 數(shù)據(jù)輸入端相連。 各部分電路原理 （ A） DAC0832 芯片原理 ①管腳功能介紹（如圖 35 所示） 圖 35 DAC0832 管腳圖 (1) DI7～ DI0： 8位的數(shù)據(jù)輸入端， DI7為最高位。 (3) IOUT2：模擬電流輸出端 2， IOUT2與 IOUT1的和為一個(gè)常數(shù)，即 IOUT1＋ IOUT2＝常數(shù)。 (5) VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定 0 至 255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來(lái)的模擬量電壓值的幅度， VREF范圍為(+10～ 10)V。 (6) Vcc：芯片供電電壓，范圍為 (+5~ 15)V。 (8) DGND：數(shù)字量地。 一般情況下為了簡(jiǎn)化接口電路，可以把 WR2和 XFER 直接接地，使第二級(jí) 8 位 DAC 寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級(jí) 8 位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 單緩沖方式具有適用于只有一路模擬信號(hào)輸出或幾路模擬信號(hào)非同步輸出的情形的優(yōu)點(diǎn)，但是電路線(xiàn)路連接比較簡(jiǎn)單。根據(jù)以上分析，我們的課題選擇了單緩沖方式使用方便，程序簡(jiǎn)單，易操作。 8 位輸入寄存器用于存放主機(jī)送來(lái)的數(shù)字量，使輸入數(shù)字量得到緩沖和鎖存，由加以控制； 8 位 DAC 寄存器用于存放待轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，由加以控制； 8位 D/A轉(zhuǎn)換器輸出與數(shù)字量成正比的模擬電流；由與門(mén)、非與門(mén)組成的輸入控制電路來(lái)控制 2 個(gè)寄存器的選通或鎖存狀態(tài)。 圖 36 D/A 轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路 圖 37 中，運(yùn)算放大器 A2的作用是把運(yùn)算放大器 A1的單向輸出電壓轉(zhuǎn)換成雙向輸出電壓。則 D/A轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓為： VOUT2= [(R3/R2) VOUT1+(R3/R1)] VREF 設(shè) R1=R3=2R R2=R，則 VOUT2= (2VOUT1+VREF) DAC0832 主要是用于波形的數(shù)據(jù)的傳送，是本題目電路中的主要芯片。他的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，“ ”為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 OUT 的信號(hào)與該輸入端的為相反；“ +”為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端 OUT的信號(hào)與輸入端的相位相同。 由于 LM324 四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍 寬，靜態(tài)功耗小，可但電源使用，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中。 19 （ C)MC1403工作原理 （管腳功能如圖 39 所示） 圖 39 MC1403 管腳圖 MC1403 是低壓基準(zhǔn)芯片。 輸出電壓： +/25Mv 輸入電壓范圍： 輸出電流： 10Ma 因?yàn)檩敵鍪枪潭ǖ?，所以電路很?jiǎn)單。 Vout一般用于 8到 12bit的 D/A 芯片的基準(zhǔn)電壓。使其 DAC0832能夠正常工作。調(diào)試軟件采用 是眾多單片機(jī)應(yīng)用開(kāi)發(fā)軟件中優(yōu)秀軟件之一，界面友好，易寫(xiě)易操作。 軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)功能分了幾個(gè)模塊編程。 顯示波形模塊是利用 DAC0832 的 8 位特點(diǎn)，把波形的數(shù)據(jù)以 8 位數(shù)據(jù)的形勢(shì)送進(jìn) CPU 中，只要一按鍵就能顯示波形。 Y N Y N Y 圖 41 主程序流程圖 開(kāi) 始 KEY1 第一次按下 KEY1第二次按下 KEY1第三次按下 輸出方波 輸出三角波 輸出正弦波 21 本軟件設(shè)計(jì)過(guò)程中主要實(shí)現(xiàn)利用按鍵來(lái)控制不同波形的輸出，當(dāng)按鍵 1 第一次按下時(shí)，函數(shù)發(fā)生器就輸出方波；當(dāng)按鍵 1 第二次按下時(shí)，函數(shù)發(fā)生器就輸出三角波；當(dāng)按鍵 1第三次按下時(shí)，函數(shù)發(fā)生器就輸出正弦波。按鍵 2 與按鍵 3分別是波形頻率的調(diào)節(jié) 按鈕。 子程序流程圖 1 方波程序流程圖 如圖 42 所示。 2 三角波程序流程圖 如圖 43 所示。 23 3 正弦波程序流程圖 如圖 44 所示。 24 4 延時(shí)子程序流程圖 如圖 45 所示。 除了語(yǔ)法差錯(cuò)和邏輯差錯(cuò)外，當(dāng)確認(rèn)程序沒(méi)問(wèn)題時(shí)，通過(guò)直接加載到 protues 軟件電路中進(jìn)行仿真。仿真圖如圖 51所示。仿真圖如圖 52所示。仿真圖如圖 53 所示。 5 當(dāng)按鍵 5 長(zhǎng)按時(shí)，本信號(hào)發(fā)生器數(shù)碼管會(huì)顯示當(dāng)前輸出波形的頻率，以便使用者知曉輸出頻率。 圖 54 數(shù)碼管顯示圖 波形分析 在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行波形仿真時(shí)可以在虛擬示波器上觀察到三角波、正弦波和方波的波形。這一方面與電路 設(shè)置的參