基于狀態(tài)機(jī)的信號(hào)發(fā)生器

1、目 錄摘要 .1英文摘要 .11 引言 .21.1 信號(hào)發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀概述 .21.2 設(shè)計(jì)指標(biāo).21.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù).31.3 狀態(tài)機(jī)概念闡述31.3.1 系統(tǒng)主要組成部分.41.3.2 各部分性能與參數(shù)要求.51.3.3 系統(tǒng)方案論證.52 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) .62.1 單片機(jī)電路設(shè)計(jì)72.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路.72.3 鍵盤控制電路.82.4 顯示電路.93 系統(tǒng)軟件件設(shè)計(jì).103.1 主程序流程圖.113.2 中斷服務(wù)流程圖.113.3 按鍵控制流程圖.113.4 液晶顯示流程圖124 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果.124.1 測(cè)試方法.134.2 測(cè)試結(jié)果134.3 誤差分析145 結(jié)束語.166 參

2、考文獻(xiàn).177 附錄.18 附錄1.Protel 99See原理圖.18 附錄2.Proteus7.5仿真圖.19 附錄3.作品實(shí)物圖.20 附錄4.程序清單.21 附錄5.元件清單.38 基于狀態(tài)機(jī)的信號(hào)發(fā)生器 基于狀態(tài)機(jī)的信號(hào)發(fā)生器職業(yè)技術(shù)教育學(xué)院 應(yīng)用電子技術(shù)教育專業(yè) 董仙懷（07440106） 指導(dǎo)老師 朱偉玲（講師）摘要：波形發(fā)生器是電子設(shè)計(jì)以及教學(xué)、科研中應(yīng)用最廣泛的儀器之一。如果能用相對(duì)簡(jiǎn)單的方式和較少的成本產(chǎn)生具有優(yōu)秀穩(wěn)定度和精確度的常用波形，無疑將在這些領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。本次作品設(shè)計(jì)是基于狀態(tài)機(jī)概念的功能特性來實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波信號(hào)發(fā)生器。它主要是通過現(xiàn)軟件設(shè)

3、計(jì)來實(shí)現(xiàn)波形選擇、占空比可調(diào)、頻率可按步進(jìn)可調(diào)、輸出幅度可調(diào)等功能。本設(shè)計(jì)只要輔以簡(jiǎn)單的外圍電路，就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)低成本、多功能、高精度、輸出頻率步進(jìn)可調(diào)的波形發(fā)生器，本文并對(duì)狀態(tài)機(jī)的運(yùn)用以及它的軟件延伸作了比較詳細(xì)的論述。本次設(shè)計(jì)主要由89C51、DAC0832、1602、LM324芯片完成任務(wù)書所要求的指標(biāo)。關(guān)鍵詞：狀態(tài)機(jī)；程序；單片機(jī)The Signal Generator Based On State MachineVocational Technical Education College Application of Electronic Technology Education Pr

4、ofessional DONG Xian- Huai(07440106)Director: ZHU Wei -Ling(Lecture)Abstract：Waveform generator is one of the most widely used instruments in electronic design and teaching, scientific research. Waveform generator having a good stability and precision of common waveform by using relatively simple re

5、alization ways and less cost, will be widely applied in these areas undoubtedly. This design is based on state machine concepts to realize the functional characteristics of adjustable rectangle wave, sawtooth wave signal. Software writing is the main work of the design which has functions of wavefor

6、m selection, occupies duty modulation, frequency stepping modulation, and output amplitude can be modulated. This design can achieve a low cost, multi-function, high-precision, output frequency stepping adjustable waveform generator for state machine by adapted complementary with simple peripheral c

7、ircuitry. This paper discussion the use of the software and its extends. This design consists mainly of 89C51, DAC0832, 1602and LM324 chips.Key Words: state machine; programme; SCM1 引言 隨著電子測(cè)量及其他部門對(duì)各類信號(hào)發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號(hào)發(fā)生器種類增多，性能提高。尤其隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號(hào)發(fā)生器向著自動(dòng)化、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)在，許多信號(hào)發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、

8、自檢、自動(dòng)故障診斷和自動(dòng)波形形成和修正等功能，可以和控制計(jì)算機(jī)及其他測(cè)量?jī)x器一起方便的構(gòu)成自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。當(dāng)前信號(hào)發(fā)生器總的趨勢(shì)是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動(dòng)化和智能化方向發(fā)展。 1.1 信號(hào)發(fā)生器發(fā)展現(xiàn)狀概述 在科學(xué)研究、工程教育及生產(chǎn)實(shí)踐中，如工業(yè)過程控制、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、機(jī)械振動(dòng)試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)分析、材料試驗(yàn)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，常常需要用到占空比可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器。而在我們?nèi)粘Ｉ钪?，以及一些科學(xué)研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號(hào)是常用的基本測(cè)試信號(hào)。譬如在示波器、電視機(jī)等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運(yùn)動(dòng)，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時(shí)基電路。信號(hào)發(fā)生器作為一種通用的

9、電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測(cè)控、通訊等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。但市面上能看到的儀器在頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實(shí)際應(yīng)用的需求。加之各類功能的半導(dǎo)體集成芯片的快速生產(chǎn)，都迫使我們研制一種占空比可調(diào)能產(chǎn)生多種波形并具有程控等低頻的信號(hào)發(fā)生器。 平時(shí)常用信號(hào)源產(chǎn)生正弦波，方波，三角波等常見波形作為待測(cè)系統(tǒng)的輸入，測(cè)試系統(tǒng)的性能。但在某些場(chǎng)合，我們需要特殊波形對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，這是傳統(tǒng)的模擬信號(hào)發(fā)生器和數(shù)字信號(hào)發(fā)生器很難勝任的。利用單片機(jī)的強(qiáng)大功能，設(shè)計(jì)合適的人機(jī)交互界面，使用戶能夠通過手動(dòng)的設(shè)定，設(shè)置所需波形的各項(xiàng)參數(shù)是很有必要的。該作品的研究和制作需要對(duì)占空比可調(diào)信號(hào)發(fā)生系

10、統(tǒng)有一個(gè)全面的了解。整個(gè)系統(tǒng)由單片機(jī)、顯示電路、鍵盤控制等組成，顯示和各模塊的連接通信等各個(gè)部分要熟練連接調(diào)試，能夠正確的了解常規(guī)芯片的使用方法、掌握簡(jiǎn)單信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用系統(tǒng)軟硬件的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)一步鍛煉了我們?cè)谛盘?hào)處理方面的實(shí)際工作能力。 1.2 設(shè)計(jì)指標(biāo) 1.2.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)制作一個(gè)波形發(fā)生器，該波形發(fā)生器能產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波。 1)、具有產(chǎn)生占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波兩種周期性波形的功能。 2)、輸出為矩形波時(shí)，輸出電壓峰值為0-5V可調(diào)，可按步進(jìn)0.1V(峰-峰值)調(diào) 整。輸出信號(hào)頻率為100Hz-20kHz可調(diào)，正脈沖占主比為30-70可調(diào)； 輸出為鋸齒波時(shí)，輸出電壓峰

11、值為0-5V可調(diào)，可按步進(jìn)0.1V(峰-峰值)調(diào)整。輸出信號(hào)頻率為200Hz-20kHz可調(diào)。上升時(shí)間與周期之比為30-70可調(diào)。 3)、頻率步進(jìn)間隔100Hz。4)、具有顯示輸出波形的類型、重復(fù)頻率(周期)和幅度的功能。以上這些任務(wù)我們可以用如下這個(gè)示意圖來表示： 占空比可調(diào)（30-70可調(diào)） 矩形波 幅度可調(diào)（0-5V可調(diào)） 頻率可調(diào)（200Hz-20kHz可調(diào)）產(chǎn)生 （輸出電壓步進(jìn)0.1V可調(diào)，頻率步進(jìn)可調(diào)間隔100Hz。） 占空比可調(diào)（30-70可調(diào)） 鋸齒波 幅度可調(diào)（0-5V可調(diào)） 頻率可調(diào)（200Hz-20kHz可調(diào)） 1.3 狀態(tài)機(jī)概念闡述本次作品設(shè)計(jì)是基于狀態(tài)機(jī)的功能特性來實(shí)

12、現(xiàn)占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波信號(hào)發(fā)生器。何謂狀態(tài)機(jī)呢？關(guān)于狀態(tài)機(jī)的一個(gè)極度確切的描述是它是一個(gè)有向圖形，由一組節(jié)點(diǎn)和一組相應(yīng)的轉(zhuǎn)移函數(shù)組成。狀態(tài)機(jī)通過響應(yīng)一系列事件而“運(yùn)行”，每個(gè)事件都在屬于“當(dāng)前”節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)移函數(shù)的控制范圍內(nèi)，其中函數(shù)的范圍是節(jié)點(diǎn)的一個(gè)子集，函數(shù)返回“下一個(gè)”（也許是同一個(gè)）節(jié)點(diǎn)，這些節(jié)點(diǎn)中至少有一個(gè)必須是終態(tài)，當(dāng)?shù)竭_(dá)終態(tài)，狀態(tài)機(jī)停止。狀態(tài)機(jī)是軟件編程中的一個(gè)重要概念，比這個(gè)概念更重要的是對(duì)它的靈活應(yīng)用。在一個(gè)思路清晰而且高效的程序中，基本上都會(huì)運(yùn)用到狀態(tài)機(jī)的概念。比如說一個(gè)按鍵命令解析程序，就可以被看做狀態(tài)機(jī)：本來在A狀態(tài)下，觸發(fā)一個(gè)按鍵后切換到了B狀態(tài)；再觸發(fā)另一個(gè)鍵后切

13、換到C狀態(tài)，或者返回到A狀態(tài)，這就是最簡(jiǎn)單的按鍵狀態(tài)機(jī)例子。實(shí)際的按鍵解析程序會(huì)比這更復(fù)雜些，但這不影響我們對(duì)狀態(tài)機(jī)的認(rèn)識(shí)。本次作品就是依賴狀態(tài)機(jī)的這個(gè)概念來設(shè)計(jì)的。狀態(tài)機(jī)簡(jiǎn)寫為FSM(Finite State Machine),主要分為2大類：第一類，若輸出只和狀態(tài)有關(guān)而與輸入無關(guān)，則稱為Moore狀態(tài)機(jī)：第二類，輸出不僅和狀態(tài)有關(guān)而且和輸入有關(guān)系，則稱為Melay狀態(tài)機(jī)。要特別注意的是，因?yàn)镸elay狀態(tài)機(jī)和輸入有關(guān)，輸出會(huì)受到輸入的干擾，所以可能會(huì)產(chǎn)生毛刺（Gitch）現(xiàn)象，使用時(shí)應(yīng)當(dāng)注意。事實(shí)上現(xiàn)在市面上有很多EDA工具可以很方便的將采用狀態(tài)圖的描述轉(zhuǎn)換成可以綜合的VHDL程序代碼。狀

14、態(tài)機(jī)描述的狀態(tài)有兩種大類，一類是任務(wù)運(yùn)行似的邏輯。這種狀態(tài)圖的狀態(tài)通常是任務(wù)在等待某個(gè)條件達(dá)到，也就是任務(wù)處于“等待狀態(tài)”。通常任務(wù)本身是直接推動(dòng)狀態(tài)機(jī)運(yùn)作的發(fā)動(dòng)機(jī)，任務(wù)本身檢查狀態(tài)機(jī)的事件達(dá)到情況并進(jìn)行分發(fā)。任務(wù)狀態(tài)的變遷由某個(gè)事件的達(dá)成觸發(fā)，可能要求任務(wù)間同步機(jī)制ITC具有回調(diào)能力，以便在條件成立時(shí)向狀態(tài)機(jī)事件隊(duì)列中壓入事件。這種狀態(tài)機(jī)明顯有異步邏輯特征，稱為“異步類狀態(tài)機(jī)”。第二種類型是算法邏輯，利用狀態(tài)機(jī)邏輯清晰的特性描述復(fù)雜的算法。該狀態(tài)機(jī)通常嵌入在某個(gè)算法函數(shù)類部，幫助該函數(shù)完成功能。函數(shù)入口后，模擬任務(wù)等具有主動(dòng)性的實(shí)體，向狀態(tài)機(jī)分發(fā)事件。這種狀態(tài)機(jī)明顯有同步函數(shù)調(diào)用特征，稱為“

15、同步類狀態(tài)機(jī)”。同步狀態(tài)機(jī)的一次事件過程就是一次入口函數(shù)調(diào)用過程。入口函數(shù)調(diào)用返回時(shí)，狀態(tài)機(jī)必須處于一個(gè)明確定義的狀態(tài)，不能是不確定的中間狀態(tài)。無論異步還是同步，特別是對(duì)異步狀態(tài)機(jī)而言，狀態(tài)機(jī)內(nèi)部不能在某個(gè)狀態(tài)發(fā)生等待、阻塞等情況，而應(yīng)該是標(biāo)記狀態(tài)后返回，把執(zhí)行的機(jī)會(huì)讓給其他任務(wù)或邏輯體（狀態(tài)機(jī)的驅(qū)動(dòng)實(shí)體）。之后在條件達(dá)到的情況下，通過事件分發(fā)機(jī)構(gòu)調(diào)動(dòng)狀態(tài)機(jī)的運(yùn)行。 本次作品設(shè)計(jì)主要要實(shí)現(xiàn)以下功能：在實(shí)現(xiàn)能產(chǎn)生矩形、波鋸齒波的基礎(chǔ)上再實(shí)現(xiàn)占空比調(diào)節(jié)、輸出電壓調(diào)節(jié)、頻率調(diào)節(jié)等?，F(xiàn)在引入一個(gè)狀態(tài)機(jī)的概念，即使單片機(jī)工作在某種特定狀態(tài)下，讓它實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)或輸出電壓可調(diào)或輸出頻率可調(diào)，且還能實(shí)現(xiàn)矩形

16、波、鋸齒波兩種不同信號(hào)的輸出選擇。本次作品就采用鍵盤控制來實(shí)現(xiàn)單片機(jī)能工作在某種特定的狀態(tài)。狀態(tài)選擇主要是由單片機(jī)通過編程實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求的功能再由鍵盤控制來實(shí)現(xiàn)的，所以本次作品的設(shè)計(jì)核心是軟件設(shè)計(jì)。1.3.1 系統(tǒng)主要組成部分本次作品設(shè)計(jì)主要由鍵盤控制電路、單片機(jī)核心電路、DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換電路、信號(hào)放大電路及顯示電路組成等。系統(tǒng)框圖如下圖1-1所示：圖1-1 系統(tǒng)框圖采用鍵盤控制讓單片機(jī)工作在某種特定狀態(tài)下，讓它實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)或輸出電壓可調(diào)或輸出頻率可調(diào)，且還能實(shí)現(xiàn)矩形波、鋸齒波兩種不同信號(hào)的輸出選擇。將單片機(jī)程序與DAC0832相容產(chǎn)生矩形波、鋸齒波，再將DAC0832產(chǎn)生的電流信號(hào)經(jīng)L

17、M324芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并將其放大輸出，將波形類型、占空比、頻率、幅度用LCD1602分兩行輸出。1.3.2 各部分性能與參數(shù)要求 1.3.3方案論證 為了實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)的矩形波、鋸齒波信號(hào)發(fā)生器，本人曾擬過各種方案與指導(dǎo)老師討論過，主要是以下幾種：方案一：用分立元件來實(shí)現(xiàn)該信號(hào)發(fā)生器。但通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。方案二：用晶體管、運(yùn)放IC等通用器件制作，更多的則是用專門的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC產(chǎn)生。比如早期的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器IC8038等，但它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300KHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者

18、互相影響。 方案三：利用單片集成芯片來實(shí)現(xiàn)該信號(hào)發(fā)生器，它能產(chǎn)生多種波形，達(dá)到較高的頻率，且易于調(diào)試。比如美國(guó)馬克西姆公司開發(fā)的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器ICMAX038，但是該芯片價(jià)格昂貴且頻率不穩(wěn)定。方案四：利用專用直接數(shù)字合成DDS芯片的信號(hào)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。但成本較高。方案五：基于狀態(tài)機(jī)來實(shí)現(xiàn)該信號(hào)發(fā)生器，主要是通過鍵盤控制和單片機(jī)編程來完成本次作品的各項(xiàng)性能參數(shù)。通過對(duì)以上五種方案的比較，我們可以看出幾種方案的優(yōu)缺點(diǎn)：方案一：結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，制作容易，但是輸出信號(hào)有頻率線性度差、頻率穩(wěn)定度低、頻率分辨率低、頻率變換時(shí)間比較長(zhǎng)，相位噪聲大以及人機(jī)界面不友好等缺點(diǎn)。方案二：電路結(jié)構(gòu)

19、簡(jiǎn)單，但在頻率分辨率、頻率變換時(shí)間、相位噪聲等方面都不如方案三。方案三：輸出頻率穩(wěn)定性高，但結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。方案四：能產(chǎn)生任意波形且達(dá)到很高的頻率，但是成本較高。方案五：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制，且可以通過編程來實(shí)現(xiàn)多種波形，性價(jià)比高?；谖覀兊倪x擇標(biāo)準(zhǔn)，在滿足工作要求的前提下，性價(jià)比高的發(fā)生器是我們的首選。從上面的比較可以看出，方案一和方案二都有各自較大的缺點(diǎn)，難以達(dá)到理想的設(shè)計(jì)要求。而方案三和方案四雖然能達(dá)到很好的要求，但是從價(jià)格方面考慮方案五具有優(yōu)勢(shì)。利用單片機(jī)采用程序設(shè)計(jì)方法來產(chǎn)生低頻信號(hào)，其頻率底線很低。具有線路相對(duì)簡(jiǎn)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

20、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。只要對(duì)電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級(jí)。 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本次作品設(shè)計(jì)的硬件電路相對(duì)而言是比較簡(jiǎn)單的，主要由鍵盤控制電路、單片機(jī)控制電路、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路、顯示電路等組成（實(shí)物圖見附錄1）。大家知道狀態(tài)機(jī)可以是多級(jí)的，在分層的多級(jí)狀態(tài)機(jī)系統(tǒng)里面，一個(gè)“父狀態(tài)”下可以劃分多個(gè)“子狀態(tài)”，這些子狀態(tài)共同擁有上級(jí)父狀態(tài)的某些共性，同時(shí)又各自擁有自己的一些個(gè)性。有限狀態(tài)機(jī)的數(shù)學(xué)模型如下:(1)系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)是有限的，并且在某個(gè)時(shí)刻系統(tǒng)只處在一個(gè)狀態(tài)。設(shè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)是s0，s1,sl，可以定義系統(tǒng)狀態(tài)的集合是S。(2)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的轉(zhuǎn)移是由某個(gè)

21、事件觸發(fā)的。沒有事件觸發(fā)，是不可能發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)移的。設(shè)使系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移的事件是0，1， n，可以定義觸發(fā)事件的集合是E。(3)系統(tǒng)運(yùn)行的輸出。在系統(tǒng)從一個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個(gè)狀態(tài)時(shí)會(huì)相應(yīng)執(zhí)行一些動(dòng)作。這些動(dòng)作就是系統(tǒng)的輸出。設(shè)系統(tǒng)的輸出是p0，p1pm，可以定義系統(tǒng)輸出的集合是P。在這些定義上可以簡(jiǎn)單描述有限狀態(tài)機(jī)的實(shí)現(xiàn)過程。系統(tǒng)在某一時(shí)刻的狀態(tài)取值狀態(tài)集合S 中的某一值，沒有事件的觸發(fā)是不可能有狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，在某一時(shí)刻有事件產(chǎn)生，該事件的產(chǎn)生觸發(fā)了狀態(tài)的轉(zhuǎn)移，使得系統(tǒng)運(yùn)行在新的狀態(tài)下，同時(shí)產(chǎn)生輸出p。所以本系統(tǒng)的線性狀態(tài)結(jié)構(gòu)如下圖2 狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖所示。系統(tǒng)狀態(tài)矩形波鋸齒波幅度調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)頻率調(diào)

22、節(jié)幅度調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)圖2 狀態(tài)結(jié)構(gòu)圖 2.1 單片機(jī)控制電路89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機(jī)。用89C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即。本次設(shè)計(jì)主要用到P0口、P1口、P2口，將P0口與鍵盤控制電路相連，將P1口與顯示模塊連接，將P2口與數(shù)模轉(zhuǎn)換電路相連。P3口只用到P3.0、P.1、P3.2與LCD1602的RS、RW、EN腳相連。如下圖2-1 單片機(jī)外圍電路所示。圖2-1 單片機(jī)

23、外圍電路 2.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換時(shí)選用DAC0832，由于其片內(nèi)有輸入數(shù)據(jù)寄存器，故可以直接與單片機(jī)接口。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)由一個(gè)8位輸入存儲(chǔ)器、一個(gè)8位DAC寄存器和一個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器及邏輯控制電路組成。輸入鎖存器和DAC寄存器構(gòu)成了兩級(jí)緩存，可以實(shí)現(xiàn)多通道同步轉(zhuǎn)換輸出。DAC0832以電流的形式輸出，當(dāng)需要轉(zhuǎn)換為電壓時(shí)，可外接運(yùn)算放大器。此設(shè)計(jì)就用到這一點(diǎn)。利用差分方式外接了運(yùn)算放大器LM324，是兩級(jí)運(yùn)算放大電路。運(yùn)算放大器外接+12V，-12V的電源，可以輸出雙極性的波形。運(yùn)算放大器采用雙極性輸出。外接示波器，所編輯的波形就可以顯示出來。其主要參數(shù)如下：分辨率為8位，轉(zhuǎn)換時(shí)間為1s

24、，滿量程誤差為±1LSB，參考電壓為(+10-10)V，供電電源為(+5+15)V，邏輯電平輸入與TTL兼容。DAC0832個(gè)引腳功能定義如下：(1).DI7DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。(2).IOUT1：模擬電流輸出端1,當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時(shí)，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時(shí),輸出電流為0。(3).IOUT2：模擬電流輸出端2，Iout2與Iout1的和為一個(gè)常數(shù)，即Iout1Iout2常數(shù)。(4).RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以RFB端可以直接接到外部運(yùn)算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個(gè)反饋電阻接在運(yùn)算放大器的輸出

25、端和輸入端之間。(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(+515)V。(7).AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。 (8).DGND：數(shù)字量地。 例如：已知運(yùn)放輸出電路輸出電壓為Uout(D/256)*VREF,如果向DAC0832傳送的8位數(shù)據(jù)量40H(01000000B),則輸出電壓UOUT=(64/256)*5V=1.25V該模塊電路主要是將DAC0832的D0-D7口與單片機(jī)的P2口相連，如下圖2-2 DAC0832接口電路所示

26、：圖2-2 DAC0832接口電路 2.3 鍵盤控制電路 鍵盤控制電路主用8個(gè)按鈕與單片機(jī)的P1口相連接，以實(shí)現(xiàn)所要求的各種功能。如下圖2-3 鍵盤控制電路所示： 圖2-3 鍵盤控制電路各個(gè)按鈕的功能分別是：Key1鍵功能：波形選擇，主要是在矩形波與鋸齒波之間進(jìn)行切換Key2鍵功能：當(dāng)前波形頻率增加，它的步進(jìn)分別是1Hz、10Hz、100Hz、 1000Hz。Key3鍵功能：當(dāng)前波形頻率減小，它的步進(jìn)分別是1Hz、10Hz、100Hz、 1000Hz。Key4鍵功能：當(dāng)前波形幅值增加，它的步進(jìn)分別是0.1V、1V。Key5鍵功能：當(dāng)前波形幅值減小，它的步進(jìn)分別是0.1V、1V。Key6鍵功能：

27、當(dāng)前波形占空比增加，它的步進(jìn)分別是2%、10%。Key7鍵功能：當(dāng)前波形占空比減小，它的步進(jìn)分別是2%、10%。Key8鍵功能：該鍵主要是用來進(jìn)行倍率選擇的（頻率、幅度、占空比的步進(jìn)）。例如產(chǎn)生一個(gè)鋸齒波頻率增加、占空比減小、幅值增加的控制方式的過程如下（不限步進(jìn)大?。河捎诔绦虺跏蓟钱a(chǎn)生一個(gè)占空比為50%、頻率為1KHz、幅度為2.5V的矩形波，所以要按下Key1按鈕來選擇鋸齒波，然后按下Key1鍵進(jìn)行頻率增大調(diào)節(jié)，接著按下Key7鍵進(jìn)行占空比減小調(diào)節(jié)，最后按下Key4鍵進(jìn)行幅值增大調(diào)節(jié)，就這樣簡(jiǎn)單的操作就完成了鋸齒波相關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)。2.4 顯示電路本次顯示模塊主要是采用1602液晶來顯示

28、的，它的主要技術(shù)參數(shù)是這樣的：顯示容量為16x2個(gè)字符；芯片工作電壓是+4.55.5V；工作電流是2.0mA(5.0V)；模塊最佳工作電壓是5.0V。接口信號(hào)信號(hào)說明如下表格2-4-1所示：表2-4-1接口信號(hào)說明編號(hào)符號(hào)引腳說明編號(hào)符號(hào)引腳說明12345678VSSVDDVLRSR/WED0D1電源地電源正極液晶顯示偏壓信號(hào)數(shù)據(jù)/命令選擇端（H/L)讀/寫選擇端（H/L)使能信號(hào)Data I/OData I/O910111213141516D2D3D4D5D6D7BLABLKData I/OData I/OData I/OData I/OData I/OData I/O背光源正極背光源負(fù)極L

29、CD1602液晶顯示模塊主要是將其D0-D7數(shù)據(jù)口與單片機(jī)的P0口連接，在P0口接一個(gè)10K的排阻為上拉電阻。1602可以顯示16x2個(gè)字符，所以本次設(shè)計(jì)就將顯示分成兩行：第一行顯示用英語顯示波形類型和P=xx%；第二行顯示格式F=xxxxxHz V=x.xV。實(shí)際模塊電路如下圖2-4顯示電路所示。圖2-4 顯示電路3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)是本次作品的核心部分，它包括波形產(chǎn)生、波形選擇、占空比調(diào)節(jié)、輸出電壓調(diào)節(jié)、輸出頻率調(diào)節(jié)等方面，實(shí)質(zhì)上,基于狀態(tài)機(jī)的單片機(jī)程序設(shè)計(jì)方法是一種面向數(shù)據(jù)的方法。狀態(tài)和事件都是用數(shù)據(jù)的形式表示的,這些數(shù)據(jù)的取值決定了程序的走向。主程序的任務(wù)是不停地監(jiān)視事件隊(duì)列,一

30、旦非空,應(yīng)立即調(diào)用相應(yīng)事件的處理子程序。該事件處理完畢, 令其出隊(duì), 再轉(zhuǎn)入主程序的入口點(diǎn)。狀態(tài)機(jī)主要由3個(gè)元素組成狀態(tài)、輸出和輸入，所以在本次設(shè)計(jì)中用按下按鈕來觸發(fā)狀態(tài)輸出，比如按下按鈕1就會(huì)使系統(tǒng)處在波形選擇狀態(tài)，按下按鈕2使系統(tǒng)處在頻率增加狀態(tài)，以此類推其他按鈕的功能。本次軟件設(shè)計(jì)用Keil uVision3 軟件編的，具體程序詳見附錄2。3.1 主程序流程圖 當(dāng)單片機(jī)接通電源時(shí),系統(tǒng)程序開始初始化,接著會(huì)根據(jù)所需輸出的波形的代碼來得到輸出的電壓,波形的選擇是根據(jù)代碼中查表程序而得的,再經(jīng)過DAC0832將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)后,再通過運(yùn)算放大器LM324將電壓放大,最后輸出所需的波形

31、。主程序流程圖如下圖3-1所示：開始初始化根據(jù)波形代碼自變量t求出當(dāng)前要輸出的電壓D/A轉(zhuǎn)換波形輸出圖3-1 主程序流程圖3.2 中斷服務(wù)流程圖 如圖3-2所示，當(dāng)系統(tǒng)在工作狀態(tài)中收到中斷請(qǐng)求時(shí)，它將對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)后，再重新設(shè)定它的初值，按照輸入值的需要來調(diào)整自變量，之后恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)，中斷返回后就能重新進(jìn)行工作。T0中斷現(xiàn)場(chǎng)保護(hù)重裝定時(shí)初值調(diào)整自變量恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)中斷返回圖3-2 T0中斷服務(wù)子程序流程圖 3.3 按鍵控制流程圖 如圖3-3所示，按鍵控制是通過用戶手動(dòng)來調(diào)整自己所需的波形及功能選項(xiàng)，從而實(shí)現(xiàn)人為的控制。系統(tǒng)先將按鍵初始化，再通過掃描程序來判斷按鍵是否按下，若有按下就跳到相應(yīng)的程序段，

32、執(zhí)行該程序的命令，若沒有按下則返回，再進(jìn)行按鍵程序掃描。初始化按鍵掃描程序判斷是否有鍵按下跳到相應(yīng)的程序段 圖3-3 按鍵控制流程圖3.4 液晶顯示流程圖開始LCD1602初始化延時(shí)設(shè)置第一行顯示位置顯示第一行內(nèi)容設(shè)置第二行顯示位置顯示第一行內(nèi)容液晶顯示程序主要是先將LCD1602初始化，然后確定第一行的顯示位置，再將第一行內(nèi)容顯示出來，接著確定第二行顯示位置，再將第二行內(nèi)容顯示出來，以此來實(shí)現(xiàn)顯示波形類型、占空比大小、幅度大小、頻率大小信息。圖3-4 液晶顯示流程圖4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果4.1 測(cè)試方法本次作品用到的測(cè)試儀器有穩(wěn)壓電源、示波器、數(shù)字萬用表等。主要采用示波器來測(cè)試顯示波形選擇、占空

33、比調(diào)節(jié)、輸出電壓和頻率可調(diào)等功能。4.2 測(cè)試結(jié)果以下是Proteus 7.5版仿真的結(jié)果：主要將矩形波、鋸齒波兩種波形各參量變化前后的進(jìn)行比較，像圖3-5a是一個(gè)占空比為50%、頻率為1KHz、幅度為0.50V的矩形波，通過按鈕控制改變波形參數(shù)后的圖b是占空比為82%、頻率為400Hz、幅度為1.30V的矩形波；圖c是一個(gè)占空比為82%、頻率為400Hz、幅度為1.30V的鋸齒波，通過按鈕控制改變波形參數(shù)后的圖d是占空比為6%、頻率為1200Hz、幅度為2.2V的鋸齒波。所以，從以下圖形我們可以看出此設(shè)計(jì)是滿足任務(wù)書的要求的。 圖3-5a 矩形波初始參數(shù) 圖3-5b 矩形波改變參數(shù)后 圖3-

34、5c 鋸齒波初始參數(shù) 圖3-5d 鋸齒波改變參數(shù)后 以下是Tektronix TDS1012數(shù)字示波器上拍到的波形：圖a是一個(gè)幅度到最大值的鋸齒波波形，圖b是頻率為2KHz的鋸齒波，圖c、圖d均為矩形波。 圖3-6a 圖3-6b 圖3-6c 圖3-6d4.3 誤差分析將上述的測(cè)試過程記錄的數(shù)據(jù)列于表4-3-1并進(jìn)行誤差分析。以下表格的數(shù)據(jù)都是用Tektronix TDS1012數(shù)字示波器測(cè)量所得的，表4-3-1是在占空比為50%的情況下所測(cè)兩種波形頻率、幅度的參數(shù)；表4-3-2在頻率為1KHz的情況下所測(cè)兩種波形占空比、幅度的參數(shù)；表4-3-3在幅度為2.5V的情況下所測(cè)兩種波形占空比、頻率的

35、參數(shù)。表 4-3-1占空比為50%時(shí)鋸齒波、矩形波頻率、幅度的測(cè)試f0f1f2V0(V)V1(V)V2(V)f1(%)f2(%)V1(%)V2(%)0.215100.2041.1324.99810.02619.9230.2101.0135.00410.01220.004.15.01.4892.5033.1894.0875.0231.5012.4983.1874.0125.0210.47.71.01.22.1注：f0-作品液晶顯示的頻率值； f1-示波器上矩形波的頻率值；f2-示波器上

36、鋸齒波的頻率值； V0-作品液晶顯示的幅度值；V1-示波器上矩形波的幅度值；V2-示波器上鋸齒波的幅度值；f1= |f1-f0|/f0*100%； f2= |f2-f0|/f0*100%；V1= (V1-V0)/V*100%； V2=(V2-V0)/V0*100%。 其中f0、f1、f2的單位為KHz。表4-3-2頻率為1KHz時(shí)鋸齒波、矩形波的占空比、幅度測(cè)試d0%d1%d2%V0(V)V1(V)V2(V)d1d2V1V23030.0891.5010.010.100.0110.0014040.1240.032.52.5032.4980.120.030.0030.002

37、5050.150.093.23.1893.1870.10.090.0110.0136060.12874.0130.0127070.0870.085.05.0235.0210.080.080.0230.021注：d0-液晶顯示的占空比大小值； d1-示波器上矩形波的占空比大?。籨2 -示波器上鋸齒波的占空比大??；V0-作品液晶顯示的幅度值；V1-示波器上矩形波的幅度值； V2-示波器上鋸齒波的幅度值；V1= (V1-V0)/V0*100%； V2=(V2- V0)/ V0*100%； d1= (d1-d0)/d0*100%； d2=(d2-d0)/

38、d0*100%。表 4-3-3 幅度為2.5V時(shí)鋸齒波、矩形波占空比、頻率測(cè)試d0%d1%d2%f0f1f2d1d2f1f23030.0040.2100.010.100.0040.0104040.1240.0311.1321.0130.120.030.1320.0135050.150.0954.9985.0040.10.090.0020.0046060.1260.101010.02610.0260.0127070.0870.082019.92320.0090.080.080.0770.009 注：d0-作品液晶顯示的占空比大小值；d1-示波器上

39、矩形波的占空比大??；d2-示波器上鋸齒波的占空比大??；f0-作品液晶顯示的頻率值；f1-示波器上矩形波的頻率值；f2-示波器上鋸齒波的頻率值；d1= (d1-d0)/d0*100%； d2= (d2-d0)/d0*100%；f1= (f1-f0)/f0*100%； f2= (f2-f0)/f0*100%； 其中f0、f1、f2的單位為KHz。引起誤差的原因是很多的，有些是由被測(cè)對(duì)象本身引起的誤差，比如它的性質(zhì)、狀態(tài)、條件以及被測(cè)量的種類、狀態(tài)；有些是檢測(cè)系統(tǒng)各環(huán)節(jié)動(dòng)力源的變化引起的誤差，比如電流、電壓源變化等；有些是檢測(cè)方法誤差引起的，比如檢測(cè)方法、采樣方法、測(cè)量重復(fù)次數(shù)、取樣時(shí)間不同而產(chǎn)生的

40、誤差。 由于本次設(shè)計(jì)的液晶顯示頻率和占空比是顯示整數(shù)位，幅度是顯示小數(shù)點(diǎn)后兩位的，而現(xiàn)在從示波器上讀取的都是包括小數(shù)點(diǎn)后兩位的數(shù)值，所以這也是誤差產(chǎn)生的原因之一。還有本次設(shè)計(jì)的軟件編程里延時(shí)程序的使用和程序本身所包含語句實(shí)現(xiàn)功能所需要的時(shí)間也會(huì)產(chǎn)生誤差，所以誤差是存在的。5結(jié)束語通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，不僅提高了自己綜合應(yīng)用所學(xué)的理論知識(shí)解決實(shí)際電路設(shè)計(jì)和應(yīng)用的能力，加強(qiáng)了自己動(dòng)手、動(dòng)腦和理論聯(lián)系實(shí)際的能力，還培養(yǎng)了自己敢于動(dòng)手、善于動(dòng)手和獨(dú)立自主解決設(shè)計(jì)實(shí)踐中遇到的各種問題的能力。畢業(yè)設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性的能檢測(cè)學(xué)生本專業(yè)知識(shí)掌握與應(yīng)用情況的環(huán)節(jié)，如果沒有實(shí)際的有針對(duì)性的設(shè)計(jì)，我們就不能很好的理解和掌

41、握所學(xué)的技術(shù)知識(shí)，更缺乏解決實(shí)際問題的能力。所以通過有針對(duì)性的畢業(yè)設(shè)計(jì)，使自己學(xué)會(huì)系統(tǒng)地運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)，提高在電子應(yīng)用方面的開發(fā)與設(shè)計(jì)本領(lǐng)，系統(tǒng)地掌握單片機(jī)硬軟件設(shè)計(jì)方法。通過這次的設(shè)計(jì)，使自己熟悉和掌握狀態(tài)機(jī)原理的系統(tǒng)的軟件、硬件設(shè)計(jì)的方法、設(shè)計(jì)步驟。在獨(dú)立或集體討論設(shè)計(jì)題目的總體設(shè)計(jì)方案、編程、軟件硬件調(diào)試、編寫設(shè)計(jì)報(bào)告等問題等過程中，真正做到了理論聯(lián)系實(shí)際，提高了動(dòng)手能力和分析問題、解決問題的能力。通過本次實(shí)驗(yàn)使自己熟練掌握單片機(jī)系統(tǒng)與其外圍電路的設(shè)計(jì)方法，熟練應(yīng)用C語言編寫應(yīng)用程序和實(shí)際設(shè)計(jì)中的硬軟件調(diào)試方法和步驟，也熟悉了單片機(jī)系統(tǒng)的硬軟件開發(fā)工具的使用方法。參考文獻(xiàn)1 杜丁丁，馬

42、坤茹.數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)J；河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，32(1):84862 游少芳.基于DDS的高精度方波信號(hào)發(fā)生器的研究:碩士學(xué)位論文.哈爾濱工程大學(xué)，2007 3 魯哨廷.多波形數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.微處理機(jī),2008,29(2):149151. 4 趙濤，邢燦華，姚西霞，陳曉娟.基于MAX038多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)J.機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2008,12(04):62645 王蓉，徐瓊燕.基于CPLD的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)J.現(xiàn)代電子技術(shù)，2009(24):1571596 戴成梅，戴成建，周啟龍.基于LabVIEW多功能信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2010年0

43、6期7 蘇坡，楊建華，候宏.基于DSP的任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.電氣自動(dòng)化,2010,32(3):80828 徐偉，周杏鵬.基于AD9834的高性價(jià)比信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)J.儀器儀表與分析檢測(cè),2008(1):689 周克寧，吳飛飛.基于DDS的高準(zhǔn)確度可調(diào)占空比方波發(fā)生器J.計(jì)量技術(shù),2005(11):353610 任建新，余樂詠，張鵬.基于FPGA的高精度信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化J.測(cè)控技術(shù),2011,30(1):131611 石桂名，冀勇鋼，彭海龍.基于AD9850的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.現(xiàn)代電子技術(shù),2010年第1期總第312期:11711912 馮偉.簡(jiǎn)易低頻正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)

44、計(jì)J.科技傳播,2010,(6):989913 張根選，吳子懷.基于AT89S52單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)J.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào),2010,20(3):182014 劉巖，王曉君,李國(guó)立.基于SOPC的DDS信號(hào)發(fā)生器設(shè)現(xiàn)代電子術(shù),2011,34(1):10710915 申加亮，崔維群,王金平,崔靈智.基于直接數(shù)字頻率合成芯片的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)J.山東水利職業(yè)學(xué)院院刊,2009(1):121416 張俊.狀態(tài)機(jī)思路在單片機(jī)程序設(shè)計(jì)中的應(yīng)用J.今日電子,2009,(2):373917 吳繼華，王誠.如何寫好狀態(tài)機(jī)J.Verilog設(shè)計(jì)與驗(yàn)證,2008,(3):13716518 陳勇.有限狀態(tài)機(jī)的建模

45、與優(yōu)化設(shè)計(jì)J.重慶工學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2007,(5):55-5819 徐建，周杏鵬.基于有限狀態(tài)機(jī)的SMS液晶顯示終端的研究與實(shí)現(xiàn)J.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2006,25(11):2426致謝要鄭重的感謝在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過程中耐心的指導(dǎo)和幫助的朱偉玲老師、萬旭老師，沒有你們的辛勤指導(dǎo)，就沒有我今天的成果，真心的感謝你們！謝謝！附錄1.Protel 99See原理圖圖a-1-1 原理圖圖a-2-1 PCB圖附錄2.Proteus7.5仿真圖圖b-2-1 仿真原理圖圖b-2-2 仿真運(yùn)行圖附錄3.作品實(shí)物圖附錄4.程序清單#include<reg51.h>#define uint u

46、nsigned int#define uchar unsigned char#define U8 uchar#define U16 uint#define SystemClock 24000000/定義晶振頻率#define T0_BEGIN 65536-(SystemClock/12)/1000/1ms定時(shí)，定時(shí)器的初值U8 SystemTimer10mS;/系統(tǒng)時(shí)間10mS累加U8 SystemTimer1mS;/系統(tǒng)時(shí)間1mS累加#define KeyInPin P1/定義按鍵輸入IO PINU8 KeyValue;/定義記錄按鍵值的變量#define mKeyNamberMax 10/

47、U8 PrintBuffer32;/16字節(jié)的顯示緩存/015字節(jié)顯示第一行/1631字節(jié)顯示第二行U8 WaveBuffer50;/產(chǎn)生波形緩存/4KHz及以下的波形一個(gè)周期有50個(gè)點(diǎn)，/4KHz以上的波形一個(gè)周期就10個(gè)點(diǎn)/用24MHz晶振，在全頻率范圍至少可以保證每個(gè)波形據(jù)/可以有10個(gè)機(jī)器以上時(shí)間還取數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)#define mCDotTurnF 4000/ 以4000HZ分界一個(gè)周期波形是10個(gè)點(diǎn)或都50個(gè)點(diǎn)#define mDataDotMore 50/點(diǎn)數(shù)多的一個(gè)周期有50個(gè)點(diǎn)#define mDataDotSmall 10/點(diǎn)數(shù)少的一個(gè)周期有10個(gè)點(diǎn)bit ParaUpdataFlag;/參數(shù)數(shù)據(jù)更新標(biāo)志bit PrinUpdataFlag;/顯示數(shù)據(jù)更新標(biāo)志/bit ParaUpdataFlag;/參數(shù)數(shù)據(jù)更新標(biāo)志#define mTriangleWave 1/三角波#define mRectangleWave 0/矩形波U8 WaveChoose;/波形選擇變量U16 WaveF;/波形頻率 最小1HZ步進(jìn)U16 FScale;/頻率步進(jìn)比例U8 WavePWM;/波形占空比 4KHZ以下的為2%步進(jìn)，4KHZ以上的為10%步進(jìn)，U8 PWMScale;/占空比調(diào)整比例U8 W