波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、五邑大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題目：波形發(fā)生器設(shè)計(jì)院系信息學(xué)院專業(yè)電子信息工程學(xué)號(hào) 3112001979學(xué)生 梓聰指導(dǎo)教師黃輝波形發(fā)生器設(shè)計(jì)摘要本文以STC89C51片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器采用數(shù)字波形合成技術(shù)，通過(guò)硬件電路和軟件程相結(jié)合，可輸出自定義波形，如正弦波、方波、三角波、梯形波及其他任意波形，波形的頻率和幅度在一定圍可任意改變。波形和頻率的改變通過(guò)軟件控制，幅度的改變通過(guò)硬件實(shí)現(xiàn)。 介紹了波形的生成原理、 硬件電路和軟件部分的設(shè)計(jì)原 理。該信號(hào)發(fā)生器具有體積小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：低頻信號(hào)發(fā)生器；單片機(jī)；D/A轉(zhuǎn)換一、設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生

2、正弦波、方波、三角波、梯形波、鋸齒波的波形發(fā)生器。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。2、編寫程序，并進(jìn)行程序測(cè)試。3、利用單片機(jī)采用軟件設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生五種波形。4、焊接電路，將程序下載到單片機(jī)，并用示波器對(duì)輸出程序進(jìn)行測(cè)試。三、實(shí)驗(yàn)容1、工作原理：數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，因此可通過(guò)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的方法來(lái)獲得所需要的波形。89C51單片機(jī)本身就是一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，具有組成微型計(jì)算機(jī)的各部分部件：中央處理器CPU隨機(jī)存取存儲(chǔ)器 RAM只讀存儲(chǔ)器ROM I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通訊接口等，只要將89C51再配置鍵盤及、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、放大電路等部

3、分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成系統(tǒng)框圖如下圖所示。按鍵電路單片機(jī) 波形ROM表 一 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路波形輸出圖（1）89C51是整個(gè)波形發(fā)生器的核心部分，通過(guò)程序的編寫和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號(hào)，并從鍵盤接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種功能的轉(zhuǎn)換。 當(dāng)數(shù)字信號(hào)電路到達(dá)轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)也就是所需要的輸出波形。波形ROMI是將信號(hào)一個(gè)周期等間距地分離成128個(gè)點(diǎn)，儲(chǔ)存在 單片機(jī)得ROM產(chǎn)生指定波形可以通過(guò) DACpe實(shí)現(xiàn)，不同波形產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上是對(duì)輸出的二進(jìn)制數(shù)字量進(jìn)行 相應(yīng)改變來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本題目中，方波信號(hào)是利用定時(shí)器中斷產(chǎn)生的，每次中斷時(shí)， 將輸出的信號(hào)按位反即可；三角波信號(hào)是將輸出的二進(jìn)

4、制數(shù)字信號(hào)依次加1,達(dá)到0xff時(shí)依次減1,并實(shí)時(shí)將數(shù)字信號(hào)經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到；鋸齒波信號(hào)是將輸出的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)依次加1,達(dá)到0xff時(shí)置為0x00,并實(shí)時(shí)將數(shù)字信號(hào)經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到的；梯形波是將輸出的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)依次加1,達(dá)到0xff時(shí)保持一段時(shí)間，然后依次減 1直至0x00,并實(shí)時(shí)將數(shù)字信號(hào)經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到的；正弦波是利用MATLA翳正弦曲線均勻取樣后，得到等間隔時(shí)刻的y方向上的二進(jìn)制數(shù)值， 然后依次輸出后經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到。2、設(shè)計(jì)功能本方案有5個(gè)獨(dú)立式按鍵。其中“ S1”號(hào)鍵代表正弦波輸出，“ S2”號(hào)鍵代表三角波輸 出，“S3”號(hào)鍵代表方波輸出，“ S4”號(hào)鍵代表鋸齒波輸出，

5、“ S5”號(hào)鍵代表梯形波輸出。3、主控電路設(shè)計(jì)中主要采用 AT89C51型單片機(jī)，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）擁有完善的外部擴(kuò)展總線， 通過(guò)這些總線可方便地?cái)U(kuò)展外圍單元、外圍接口等。（2）該單片機(jī)部擁有 4K字節(jié)的FLASHROM§序存儲(chǔ)器空間和 256字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，完全可以滿足程序的要求。由于該芯 片可電可擦寫，故可重復(fù)使用。如果更改程序容，可將芯片拿下重新燒寫。（3）該單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS 51型機(jī)的指令集和輸出引腳兼容。AT89C51單處機(jī)部設(shè)置兩個(gè)16位可編程白定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1,它們具有計(jì)數(shù)器方式和 定時(shí)器方式兩種工作方式及4種工作模式。在波形發(fā)生器中，將其

6、作定時(shí)器使用，用它來(lái)精確地確定波形的兩個(gè)采樣點(diǎn)輸出之間的延遲時(shí)間。模式1采用的是16位計(jì)數(shù)器，當(dāng)T0或T1被允許計(jì)數(shù)后，從初值開(kāi)始加計(jì)數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時(shí)向CPU青求中斷。中斷系統(tǒng)是使處理器具有對(duì)外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當(dāng)中央處理器CPU正在處理某件事的時(shí)候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPUIT停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)緊急事件。在波形發(fā)生器中，只用到片定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出時(shí)產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求，即是在 AT89C51輸出一個(gè)波形采樣點(diǎn)信號(hào)后，接著啟動(dòng)定時(shí)器，在定時(shí)器未產(chǎn)生中斷之前，AT89C51等待，直到定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，AT89C51響應(yīng)中斷，接著輸出下一個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)，如此循環(huán)

7、產(chǎn)生所需要的信號(hào)波形。主控電路圖如圖（2）所示，AT89C51從P1 口接收來(lái)自鍵盤的信號(hào)。 89C51是片有ROM/EPROM 的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單、可靠。 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)位電路即可，89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)：1 ）有可供用戶使用的大量I/O 口線；2 ）部存儲(chǔ)器容量有限；3 ）應(yīng)用系統(tǒng)開(kāi)發(fā)具有特殊性。XC1T卜XTALtERtoPT! "M NKlTdLNFTiP2 CW46p12 2JWIO丁P2 511七P2 -=.«A

8、i2印FJ "西 1P2iJAi4PI 4 gPMF3.H12HPl J' i'll臼與因 £/T1團(tuán)Ar=i xtKPI Jpi 了皿:主至聿事溥圖（2）4、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路由于單片機(jī)產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào)，要想得到所需要的波形，就要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，所以該文選用價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易并具有8位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832 DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制 電路四部分組成。但實(shí)際上，DAC0832輸出的電量也不是真正能連續(xù)可調(diào)，而是以其絕對(duì)分辨率為單位增減，是準(zhǔn)模擬量的輸出。DAC083%電流

9、型輸出，在應(yīng)用時(shí)外接運(yùn)放使之成為電壓型輸出。 根據(jù)對(duì)DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和 DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。本設(shè)計(jì)選用直通方式。DAC0832的數(shù)據(jù)口和單片機(jī)的P2 口相連。CSDA片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1,當(dāng)LE1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存。U210CSVCCwrTILE(BY1/0GN 口UVR2口 13XFER012DMOMDISDIDDICVRE

10、FDI7RFBI0UT25NDI0UT12010 "isIB 運(yùn) 亙 13 三 11" " - - - - - - - -圖(3)5、運(yùn)算放大電路和低通濾波電路LM324 的 5 管腳與 DAC0832的(IOUT2) 12 管腳相連,LM324的 6 管腳與 DAC0832的(IOUT1) 11管腳相連，LM324的7管腳與DAC0832的REF (9)管腳相連。LM324運(yùn)算放大器的作用是將 DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V1,輸出端連了一個(gè)低通濾波器。如果不加低通濾波器，也能夠生成波形，但是產(chǎn)生的信號(hào)會(huì)有毛刺，如果加一個(gè)低通濾波器不僅能起到濾波的

11、作用，還能起到平滑的作用。低通濾波器的截止頻率 F=1/(2*pi*R3*C6), 這里我們選擇 R3為100歐姆的電阻，C6為104電容，截止頻率F=16KHZ 實(shí)驗(yàn)表 明， 此時(shí) 的輸出 波形效果不錯(cuò)。圖(4)四、安裝調(diào)試1 .不通電，用萬(wàn)用表根據(jù)電路圖仔細(xì)檢查各線路連接是否正常。2 .首先是調(diào)試單片機(jī)部分，DA和運(yùn)算放大器芯片不接。用 STC_ISP_V483軟件通過(guò)串口下程序?？词欠窨梢哉Ｏ鲁绦颉? .當(dāng)可以正常下程序時(shí)，給51單片機(jī)下一個(gè)讓所有I/0 口一會(huì)兒輸入0,延時(shí)，再輸出1,以此類推。用萬(wàn)用表測(cè)量各 I/O 口得電壓是不是一會(huì)兒高，一會(huì)兒低。4 .安上DA和運(yùn)算放大器芯片，

12、 給單片機(jī)下一個(gè)輸出正弦波的測(cè)試程序，通過(guò)示波器看輸出是否正常。5 .給單片機(jī)下一個(gè)完整的程序，分別按下S1、S2,看波形是否改變五、系統(tǒng)仿真波形正弦波：三角波:方波:六、實(shí)驗(yàn)結(jié)論基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，這個(gè)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)中涉及到一個(gè)典型的控制過(guò)程。通過(guò)單片機(jī)控制一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC0832產(chǎn)生所需要的電流，然后使用運(yùn)算放大器LM324可以將其電流輸出線性地轉(zhuǎn)換成電壓輸出，再將電壓經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器的放大，可以得到足夠幅度的信號(hào)。通過(guò)程序的控制，可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的波形。這樣一個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置在控制領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用圍。最終做出來(lái)的信號(hào)發(fā)生器滿足了題目中的所有要求：產(chǎn)生五種波形。正弦波、三

13、角波、矩形波、鋸齒波、梯形波。參考文獻(xiàn):1、煥成工程背景下的單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 2 版2、STC公司官方網(wǎng)頁(yè)下載資料3、郭天翔.新概念51單片機(jī)C語(yǔ)言教程 入門、提高、開(kāi)發(fā)、拓展全.電子工業(yè)2009.1附錄：程序設(shè)計(jì)#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint);void delay1(uint);sbit cs=P3A2;sbit wr=P3A6;sbit key1=P1A0;sbit key2=P1A1;sbit key3=P1A2;sbit key

14、4=P1A3;sbit key5=P1A4;uchar j=0;uint a=0,b=0,c=0,d=0;uchar code tosin128=0x80,0x86,0x8c,0x92,0x98,0x9f,0xa5,0xab,0xb0,0xb6,0xbc,0xc1,0xc7,0xcc,0xd1,0xd5,0xda,0xde,0xe2,0xe6,0xea,0xed,0xf0,0xf3,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,0xfc,0xfa,0xf8,0xf6,0xf3,0xf0,0xed,0xea,0x

15、e6,0xe3,0xde,0xda,0xd6,0xd1,0xcc,0xc7,0xc1,0xbc,0xb6,0xb1,0xab,0xa5,0x9f,0x99,0x92,0x8c,0x86,0x80,0x79,0x73,0x6d,0x67,0x61,0x5b,0x55,0x4f,0x49,0x43,0x3e,0x39,0x33,0x2e,0x2a,0x25,0x21,0x1d,0x19,0x15,0x12,0xf,0xc,0x9,0x7,0x5,0x3,0x2,0x1,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x1,0x2,0x3,0x5,0x7,0x9,0xc,0xe,0x12,0x15,0x1

16、8,0x1c,0x20,0x25,0x29,0x2e,0x33,0x38,0x3d,0x43,0x48,0x4e,0x54,0x5a,0x60,0x66,0x6c,0x73,0x79;/* 正弦波碼 */void delay(uint z) / 延時(shí)子程序uint i,j;for(i=z;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void delay1(uint y)uint i;for(i=y;i>0;i-);void main()cs=0;wr=0;TMOD=0x01;TH0=(65535-10000)/256;TL0=(65535-10000)%256;EA=1;ET0=1;while(1)if(key1=0)/ 正弦波P2=tosinj;delay1(100);if(j=127) j=0;else j+;if(key2=0)/ 三角波if(a<128)P2=a;delay(2);elseP2=255-a;delay(2);a+;if(a=255)a=0;if(key3=0)/ 方波TR0=1;if(b=10)(P2=0xff;)if(b=20)(b=0;P2=0;)if(key3=1)TR0=0;if(key4=0)/ 鋸