基于51單片機(jī)的波形發(fā)生器的設(shè)計

1、目 錄1 引言11.1 題目要求及分析11.1.1 示意圖11.2 設(shè)計要求12 波形發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計方案22.1 方案的設(shè)計思路22.2 設(shè)計框圖及系統(tǒng)介紹22.3 選擇合適的設(shè)計方案23 主要硬件電路及器件介紹43.1 80C51單片機(jī)43.2 DAC083253.3 數(shù)碼顯示管64 系統(tǒng)的硬件設(shè)計84.1 硬件原理框圖84.2 89C51系統(tǒng)設(shè)計84.3 時鐘電路94.4 復(fù)位電路94.5 鍵盤接口電路104.7 數(shù)模轉(zhuǎn)換器115 系統(tǒng)軟件設(shè)計125.1 流程圖：125.2 產(chǎn)生波形圖125.2.1 正弦波125.2.2 三角波135.2.3 方波146 結(jié)論16主要參考文獻(xiàn)17致謝18I

2、1 引言1.1 題目要求及分析題目：基于51單片機(jī)的波形發(fā)生器設(shè)計，即由51單片機(jī)控制產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等的多種波形。1.1.1 示意圖圖1：系統(tǒng)流程示意圖1.2 設(shè)計要求(1) 系統(tǒng)具有產(chǎn)生正弦波、三角波、方波三種周期性波形的功能。(2) 用鍵盤控制上述三種波形（同周期）的生成，以及由基波和它的諧波（5次以下）線性組合的波形。(3) 系統(tǒng)具有存儲波形功能。(4) 系統(tǒng)輸出波形的頻率范圍為1Hz1MHz，重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔100Hz，非正弦波的頻率按照10次諧波來計算。(5) 系統(tǒng)輸出波形幅度范圍05V。(6) 系統(tǒng)具有顯示輸出波形的類型、重復(fù)頻率和幅度的功能。02 波形發(fā)生器系

3、統(tǒng)設(shè)計方案設(shè)計并制作一個波形信號發(fā)生器，能夠產(chǎn)生正弦波、方波、三角波的波形，其中不使用DDS和一些專用的波形產(chǎn)生芯片。并讓系統(tǒng)的頻率范圍在1Hz1MHZ可調(diào)節(jié)，在頻率范圍在1HZ10KHz時，步進(jìn)小于或等于10Hz，在頻率范圍在10KHz1MHz時，步進(jìn)小于或等于100Hz，并且電壓在05V范圍，能夠?qū)崟r的顯示波形的類型、頻率和幅值。2.1 方案的設(shè)計思路以AT89C51單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心，其中P0口接DAC0832作為信號輸入同時進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，P1口用來接鍵盤，P2口接LED顯示器，由程序來控制P0口產(chǎn)生的波形，再由按鍵和按鍵次數(shù)控制波形的種類、頻率和幅值的大小，并且能夠通過按鍵來控制

4、波形頻率值和幅度值。由運(yùn)算放大器DAC0832來實現(xiàn)輸出電流到電壓的轉(zhuǎn)換，即實現(xiàn)數(shù)字信號到模擬信號的轉(zhuǎn)換。另外在LED上顯示實時的頻率值和幅度值，產(chǎn)生的波形在示波器顯示。并且通過按鍵來決定波形數(shù)據(jù)的存儲方式，在按鍵按下后，就把當(dāng)時的波形所對應(yīng)的幅度值、頻率值等參數(shù)存儲下來。波形的合成：在波形的合成時，通過外部中斷高低電平的延時的時間來進(jìn)行解碼，在采樣的時，對正弦波，三角波，方波都只取了20個采樣點，因為采樣點越少，其頻率能夠達(dá)到的值就會越大，合成時就是對幅值點進(jìn)行一個疊加來輸出一組波形。2.2 設(shè)計框圖及系統(tǒng)介紹系統(tǒng)主要部分設(shè)計框圖如下圖所示： 圖2：框圖設(shè)計2.3 選擇合適的設(shè)計方案方案一：

5、采用模擬分立元件或單片函數(shù)發(fā)生器就可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波，方法簡單。通過調(diào)整外部元件也可以實現(xiàn)輸出頻率的改變，但采用模擬元器件造成元件分散性太大，從而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定性較差、抗干擾能力低、靈活性較差、而且精度低，不能實現(xiàn)任意波形轉(zhuǎn)換和波形運(yùn)算輸出等方面自主控制功能。方案二：采用專業(yè)的鎖相式頻率合成方案，這種鎖相式頻率合成是一種高穩(wěn)定度和高精確度的大量離散技術(shù)，他能夠準(zhǔn)確的產(chǎn)生波形，可以很好的解決頻率穩(wěn)定精確的情況下又要求頻率在較大的范圍內(nèi)可調(diào)的問題。但是頻率受VCO可變頻率范圍上的影響，高低頻率比無法做到很高，還有其只能產(chǎn)生正弦波或方波，不能滿足產(chǎn)生三角波的要求。方案三：采用AT89C51

6、單片機(jī)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832實現(xiàn)波形的產(chǎn)生。波形的產(chǎn)生方法是用AT89C51單片機(jī)執(zhí)行波形程序，向DAC0832轉(zhuǎn)換器的輸入端輸入相應(yīng)的數(shù)據(jù)，從而在DA轉(zhuǎn)換電路輸出端再通過運(yùn)放電路轉(zhuǎn)換得到相應(yīng)的電壓波形。在AT89C51的P1口接按鍵控制波形的種類和波形的頻率，每種波形對應(yīng)一種按鍵方式。此方案原理簡單，同時適合操作，實現(xiàn)起來也相對較容易。經(jīng)比較，方案三的設(shè)計能夠更好的實現(xiàn)和完成題目的要求，產(chǎn)生的三種波形和頻率可由按鍵控制，并通過按鍵改變來轉(zhuǎn)換不同的波形，也能夠在示波器上顯示出所要求的波形。波形的頻率步進(jìn)也可以實現(xiàn)調(diào)節(jié)，具有線路簡單、可行性高、符合設(shè)計要求等優(yōu)點。在本設(shè)計的基礎(chǔ)上，加上LED

7、數(shù)碼顯示管，從而能夠在LED上顯示出頻率值、幅度值信息。輸出的波形也較穩(wěn)定，精度較高，通過濾波電路使得系統(tǒng)的抗干擾性增強(qiáng)，電路簡單，性價比高。綜上所述，我們選擇了第三種方案。163 主要硬件電路及器件介紹3.1 80C51單片機(jī)圖3：8051引腳圖80C51單片機(jī)按功能劃分，由8個部件組成：微處理器（CPU）、數(shù)據(jù)存儲器（RAM）、程序存儲器（ROM/EPROM）、四個I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定時器/計數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式1。各功能部件的介紹：(1) 數(shù)據(jù)存儲器(RAM)：片內(nèi)為128個字節(jié)單元，片外最多可擴(kuò)展至64K字節(jié)。用以存放

8、數(shù)據(jù)，我們稱之為片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器。(2) 程序存儲器(ROM/EPROM）：片內(nèi)ROM為4K，片外最多可擴(kuò)展至64K字節(jié)。(3) 中斷系統(tǒng)：具有5級中斷的中斷系統(tǒng)，2級中斷優(yōu)先權(quán)。(4) 定時器/計數(shù)器：2個16位的定時器/計數(shù)器，具有四種工作方式。(5) 串行口：1個全雙工的串行通信接口，具有四種工作方式。(6) 特殊功能寄存器（SFR）共有21個，每個寄存器占一個存儲單元。(7) 微處理器：為8位CPU，內(nèi)部具有一個8位CPU（位處理器），不僅可處理字節(jié)數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。另外還有四個8位雙向并行的輸入/輸出（I/O）端口，每個端口都有八條引線和一個輸出驅(qū)動器和一個輸入緩沖器。這四

9、個端口的功能不完全相同。P0口既可作一般I/O端口使用，又可作地址/數(shù)據(jù)總線使用；P1口是一個準(zhǔn)雙向并行口，作通用并行I/O口使用；P2口除了可作為通用I/O使用外，還可在CPU訪問外部存儲器時作高八位地址線使用；P3口是一個多功能口除具有準(zhǔn)雙向I/O功能外，還具有第二功能?？刂埔_介紹：(1) 電源：單片機(jī)使用的是5V電源，其中40引腳接電源正級，20引腳接地。(2) 時鐘引腳XTAL1、XTAL2時鐘引腳外接晶體與片內(nèi)反相放大器構(gòu)成了振蕩器，產(chǎn)生片內(nèi)CPU時鐘控制信號。此引腳也可外接晶體振蕩器。(3) RST：當(dāng)時鐘電路開始工作時，在此引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平能夠使單片機(jī)復(fù)位。

10、另外我們在此引腳與VCC之間連接一個24兆歐的下拉電阻，在外接電路之間連接二個36微法的電容，可以保證有效的復(fù)位。在單片機(jī)正常工作時，此引腳應(yīng)為0.5V低電平。(4) ALE：當(dāng)訪問外部程序存儲器時ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于16位地址中的低8位的鎖存信號，以便P0口實現(xiàn)地址/數(shù)據(jù)復(fù)用。當(dāng)不去訪問外部鎖存器時，ALE端將輸出一個1/6的時鐘頻率正脈沖信號輸出，此頻率約為時鐘振蕩器的1/6。但是每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，在兩個機(jī)器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即ALE會跳過一個脈沖。因此，嚴(yán)格來說，用戶不能用ALE做時鐘源或定時。ALE端可以驅(qū)動8個TTL負(fù)載(5) /PSEN（29腳）：此引腳

11、是單片機(jī)訪問片外ROM存儲器的讀選通信號。在執(zhí)行訪問片外ROM的MOVC指令期間，每個機(jī)器周期PSEN上產(chǎn)生一個負(fù)脈沖，用于對于片外ROM數(shù)據(jù)存儲器選通，這兩次有效的/PSEN信號不出現(xiàn)。其他情況下，/PSEN線均為高電平封鎖狀態(tài)。(6) /EA/VPP（31腳）：當(dāng)EA端保持高電平時并且程序地址小于4KB時，讀取內(nèi)部存儲器指令，但在PC值超過4KB程序地址時則執(zhí)行外部存儲器內(nèi)的程序；當(dāng)/EA保持低電平時，不管地址大小則只訪問外部程序存儲器，一律讀取外部程序存儲器指令2。3.2 DAC0832圖4：DAC0832引腳圖DAC0832是8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換芯片，集成電路內(nèi)有兩級輸入寄存器。由8位

12、輸入鎖存器、8位DAC 寄存器、8 位D/A 轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路四部分構(gòu)成。8位輸入鎖存器用于存放主機(jī)送來的數(shù)字量，使輸入數(shù)字得到緩沖和鎖存，并加以控制。DAC0832輸出的是電流，一般要求輸出是電壓，所以還必須經(jīng)過一個外接的運(yùn)算放大器轉(zhuǎn)換成電壓3。DAC0832芯片具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。DAC0832的引腳功能如下：(1) D0D7：數(shù)字信號輸入端。(2) ILE：輸入寄存器允許，高電平有效。(3) CS：片選信號，低電平有效。(4) WR1：寫信號1，低電平有效。(5) XFER：傳送控制信號，低電平有效。(

13、6) WR2：寫信號2，低電平有效。(7) IOUT1、IOUT2：DAC電流輸出端。(8) RFB：是集成在片內(nèi)的外接運(yùn)放的反饋電阻。 (9) VREF：基準(zhǔn)電壓（-1010V）。(10) Vcc：是源電壓（+5+15V）。(11) AGND：模擬地 NGND：數(shù)字地，可與AGND接在一起使用。3.3 數(shù)碼顯示管通過控制7個筆畫段的亮或暗，和控制一個小數(shù)點的亮和暗來實現(xiàn)數(shù)碼管顯示。LED 顯示器有共陰極和共陽極2 種形式。共陽極顯示器是發(fā)光二極管的陽極連接在一起，當(dāng)需要顯示某字符時，只需要將共陽極端接高電平，根據(jù)顯示需要讓a-h中某些位置接低電平。共陰極顯示器是發(fā)光二極管的陰極連接在一起，當(dāng)

14、需要顯示某字符時，只需要將共陰極端接低電平，a-h 中某些位接高電平即可。顯示器的工作方式分為靜態(tài)顯示方式和動態(tài)顯示方式兩種：(1) 靜態(tài)顯示方式就是顯示器在顯示一個字符時，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定的導(dǎo)通或截止，例如a、b、c、d、e、f導(dǎo)通，g截止時顯示“0”，這種使顯示器顯示字符的字形數(shù)據(jù)常稱為段數(shù)據(jù)。靜態(tài)顯示方式的每一個七段顯示器，需要由一個8 位并行口控制。優(yōu)點是顯示穩(wěn)定，提高了工作效率，缺點是位數(shù)較多時顯示口隨之增加。(2) 動態(tài)顯示方式是一位一位的輪流點亮各位顯示器，對于每一位顯示器來說，每隔一段時間點亮一次。顯示器的亮度既與導(dǎo)通電流有關(guān)，也與點亮?xí)r間和間隔時間的比例有關(guān)。調(diào)整電流和時

15、間參數(shù)可以實現(xiàn)亮度較高較穩(wěn)定的顯示，如顯示器的位數(shù)不大于8位，則控制顯示器公共極的電位只需要一個8位口（位數(shù)據(jù)口），控制字形也需要一個8位口（段數(shù)據(jù)口）。要使顯示管顯示不同的數(shù)字或者字符，需要使端口輸出相應(yīng)的字型碼。表1：顯示器的字形與字碼關(guān)系顯示字符字形共陽極顯示共陰極顯示dpgfedcba字型碼dpgfedcba字型碼0011000000C0H001111113FH1111111001F9H0000011006H2210100100A4H010110115BH3310110000B0H010011114FH441001100199H0110011066H551001001092H01101

16、1016DH661000001082H011111017DH7711111000F8H00000111D7H881000000080H011111117FH991001000090H011011116FH4 系統(tǒng)的硬件設(shè)計4.1 硬件原理框圖對于該波形發(fā)生器的設(shè)計，我們采用了以AT89C51 單片機(jī)芯片作為核心處理器，編程實現(xiàn)各種不同類型信號的產(chǎn)生，最后通過D/A轉(zhuǎn)換輸出到示波器。結(jié)構(gòu)簡單，思路井井有條。根據(jù)設(shè)計的基本要求，我們又把其細(xì)分為不同的功能模塊，各個功能模塊相互聯(lián)系，相互協(xié)調(diào)，通過單片機(jī)程序構(gòu)成一個統(tǒng)一的整體。其整體電路原理框圖如圖5 所示：單片機(jī)89C51鍵盤輸入LED顯示波形顯示

17、放大電路DA轉(zhuǎn)換時鐘復(fù)位圖5：電路原理框圖4.2 89C51系統(tǒng)設(shè)計89C51單片機(jī)是該波形發(fā)生器的核心，具有2個定時器，32個并行I/O口，1個串行I/O口，5個中斷源4。由于本設(shè)計功能簡單，數(shù)據(jù)處理容易，數(shù)據(jù)存儲空間也足夠，因為我們采用了片選法選擇芯片，進(jìn)行芯片的選擇和地址的譯碼。在單片機(jī)最小系統(tǒng)中，單片機(jī)從P1口接收來自鍵盤的信號，并通過P0口輸出控制信號，通過DA轉(zhuǎn)換芯片最終由示波器顯示輸出波形，P2控制顯示器段選碼，P3口中的P3.4-P3.6通過74LS138譯碼器控制位選碼，輸出顯示信息。如果有鍵盤按下，則在控制器端產(chǎn)生一個讀信號，使單片機(jī)讀入信號，如果有信號輸出，則在寫控制端產(chǎn)

18、生一個寫信號，并通過示波器和顯示器顯示相應(yīng)的信息。單片機(jī)引腳分配如下： RST：用于復(fù)位電路；XTAL1，XTAL2：外接晶振，產(chǎn)生時鐘信號； P0 口：鍵盤輸出信號。P1 口：8 位數(shù)字信號輸出，外接DAC0832; 具體為：P1.0、P1.1 波形選擇；P1.2、P1.3、P1.4 頻率個位，十位，百位調(diào)節(jié)；P1.5 頻率加減控制；P1.6 跳出循環(huán)。P2 口：LED 顯示器段選碼；P3 口：P3.0 鎖存器74HC573 片選信號；P3.2 中斷控制；P3.4-P3.6 為74LS138 輸入信號，譯碼控制LED 顯示器位選。P3.7 為74LS138 片選碼。4.3 時鐘電路單片機(jī)的時

19、鐘信號通常用兩種電路形式得到：內(nèi)部振蕩和外部振蕩方式。在引腳XTAL1 和XTAL2 外接晶體振蕩器，構(gòu)成了內(nèi)部振蕩方式。由于單片機(jī)內(nèi)部有一個高增益的反相放大器，當(dāng)外接晶振后，就構(gòu)成了自激振蕩，并產(chǎn)生振動時鐘脈沖。晶振通常選用6MHZ、12MHZ、24MHZ。我們選擇了24MHZ和晶振分別接引腳XTAL1 和XTAL2，電容C1，C2 均選擇為30pF，對振蕩器的頻率有穩(wěn)定作用，當(dāng)頻率較大時，正弦波方波、三角波中每一點的延時時間為幾微秒，故延時時間還要加上指令時間才能獲得較大的頻率波形。圖6：時鐘電路4.4 復(fù)位電路復(fù)位引腳RST 通過一個施密特觸發(fā)器與復(fù)位電路相連，施密特觸發(fā)器用來抑制噪聲。

20、復(fù)位電路通常采用上電自動復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。在每個機(jī)器周期的S5P2，施密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號。本設(shè)計選擇了按鍵復(fù)位如圖7, 在系統(tǒng)運(yùn)行時，按一下開關(guān)，就在RST 斷出現(xiàn)一段高電平，使圖6 時鐘電路圖器件復(fù)位。此時ALE、PSEN、P0、P1、P2、P4 輸出高電平，在RST 上輸入返回低電平以后，就退出復(fù)位狀態(tài)開始工作。圖7：按鍵復(fù)位4.5 鍵盤接口電路常用的鍵盤電路一般為矩陣式，但是對于此設(shè)計，為了方便程序的簡單化，我們采用了一般的鍵盤接口輸出信號。具體實現(xiàn)方法：P1.0、P1.1用來作為波形選擇，其中當(dāng)P1.0=0，P1.1=0

21、輸出正弦波，當(dāng)P1.0=0，P1.1=1 輸出三角波，當(dāng)P1.0=1，P1.1=1 輸出方波。P1.2、P1.3、P1.4 用來作為頻率個位，十位，百位調(diào)節(jié)；P1.5 控制頻率加減；P1.6 跳出循環(huán)。圖8：鍵盤接口電路4.6 LED顯示電路本設(shè)計選擇了8位共陰極數(shù)碼管如圖9，它的8個發(fā)光二極管的陰極（二極管正端）連接在一起，通常公共陰極接低電平，其它管腳接驅(qū)動電路輸出端。當(dāng)某段驅(qū)動電路的輸出端為低電平時，則該端所連接的字段導(dǎo)通并點亮，根據(jù)發(fā)光字段的不同組合可顯示出各種數(shù)字或字符。此時，要求段驅(qū)動電路能吸收額定的位置導(dǎo)通電流，還需根據(jù)外接電源及額定位置導(dǎo)通電流來確定相應(yīng)的限流電阻。顯示電路用于

22、顯示信號的波形種類和信號的頻率，并且使系統(tǒng)能根據(jù)按鍵實時顯示相關(guān)信息。該系統(tǒng)中添加74LHC573 鎖存器，用于驅(qū)動數(shù)碼顯示管，使其更易于控制，增加顯示的準(zhǔn)確性。使用74LS138 譯碼器，利用P3.4-P3.6 控制數(shù)碼管的位選。圖9：數(shù)碼管顯示電路4.7 數(shù)模轉(zhuǎn)換器由于單片機(jī)輸出的是數(shù)字信號，因為要得到模擬信號的波形就必須對其進(jìn)行數(shù)模換。我們采用了DAC0832 數(shù)模轉(zhuǎn)換器，該芯片由8 位輸入鎖存器、8 位DAC 寄存器、8 位D/A 轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路四部分構(gòu)成。由于其輸出為電流輸出，因為外加運(yùn)算放大器OP07 使之裝換為電壓輸出。最后通過示波器顯示輸出的波形。圖10：D/A轉(zhuǎn)換電路5

23、 系統(tǒng)軟件設(shè)計5.1 流程圖：開始顯示初始化系統(tǒng)按鍵是否按下計算相關(guān)函數(shù)送端口顯示定時中斷查詢選擇波型LED顯示波形輸出圖11：流程圖5.2 產(chǎn)生波形圖本設(shè)計將各種波形的數(shù)據(jù)通過P1.0 口和P1.1 口選擇，送往在單片機(jī)的程序儲存器里，通過改變信號的頻率的個位，十位，百位來改變這個頻率，然后計算其技術(shù)初值，開啟中斷，通過改變D/A 轉(zhuǎn)換器輸出波形。5.2.1 正弦波圖12：仿真正弦波正弦波程序如下：void zhengxuanbo() uint k=0; while(1) P0=tablek+; delay(t); xianshiqi(t); if(k=182) k=0; if(s5=0) t=t+1; if(s6=0) t=t-1; 5.2.2 三角波產(chǎn)生三角波的原理：三角波產(chǎn)生是通過P0口將00H送入寄存器A中，DAC0832輸出A中的內(nèi)容，通過A中數(shù)值的加1遞升，同時延時，當(dāng)A中的內(nèi)容為0FF時，A中的內(nèi)容減1遞減，從而循環(huán)產(chǎn)生三角波5。圖13：仿真三角波三角波程序：void sanjiaobo() uint j=0; while(1) P0=j; delay(t); j=j+1;P0=j;delay(t); xianshiqi(t); if(j=256) if(j!=0) j=j-1; P0=j; delay(t); xianshi