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二、方案论证
2.1设计要求
使用计算机和数模转换器构成信号发生器,可以产生方波、三角波、锯齿波多种波形,波形的周期、频率可调。
要求完成计算机和DAC的选型,了解不同波形的产生原理和设计方案,画出硬件电路图,并编程完成软件部分,最后调试观察产生不同类型的波形信号。
(1)课程设计论文内容要正确,概念要清楚;
(2)完成任务书所规定的内容;
(3)附有电路原理图及程序流程图,以及程序清单;
(4)文字要通顺,书写要工整,设计图纸必须符合规范。
2.2方案论证
信号发生器的实现方法通常有以下几种:
方案一:
用分立元件组成的函数发生器:
通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试。
方案二:
可以由晶体管、运放IC等通用器件制作,更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。
早期的函数信号发生器IC,如L8038、BA205、XR2207/2209等,它们的功能较少,精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响。
方案三:
利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器:
能产生任意波形并达到很高的频率。
但成本较高。
方案四:
采用AT89C51单片机和DAC0832芯片,直接连接键盘和显示。
该种方案主要对AT89C51单片机的各个I/O口充分利用.P1口是连接键盘以及接显示电路,P2口连接DAC0832输出波形.这样总体来说,能对单片机各个接口都利用上,而不在多用其它芯片,从而减小了系统的成本.也对按照系统便携式低频信号发生器的要求所完成.占用空间小,使用芯片少,低功耗。
综合考虑,方案四各项性能和指标都优于其他几种方案,能使输出频率有较好的稳定性,充分体现了模块化设计的要求,而且这些芯片及器件均为通用器件,在市场上较常见,价格也低廉,样品制作成功的可能性比较大,所以本设计采用方案四。
三、硬件电路设计
3.1设计思路、元件选型
设计思路:
(1)、课设需要各个波形的基本输出。
如输出锯齿波、三角波、方波、正弦波。
这些波形的实现的具体步骤:
锯齿波实现很简单,只需要一开始定义一个初值,然后不断的加1,当溢出后又从初值开始加起,就这样循环下去。
三角波的实验过程是先加后减,实现方法是先是从00H开始加1直到溢出后就执行减1操作,就这样不断调用这个循环。
方波的实现方法是连续输出一个数,到某个时候就改变一下值,可以把值定义为正极性的,也可以是负极性。
(二)、通过P1口和开关K0-K3相连接来控制各个波形的输出。
能根据k0-k3键状态进行波形切换,当某一按键按下时,输出相对应的波形。
元件选型:
单片机AT89C51系统,DAC0832一片,运算放大器
3.2原理图
如图3-2-1
图3-2-1
3.3主要芯片介绍
(1)、DAC0832芯片介绍:
0832采用双缓冲接口方式,其传送控制端接地,输入所存允许断ILE与+5V电源相连,利用一个地址码进行二次输出操作,完成数据的传送和激动转换,第一次操作时P2.6为高电平,将P0口数据线上的数据锁存于DAC0832的输入寄存器中。
第二次操作是写控制信号由效,传送控制端为低电平,将输入寄存器中的内容锁存入0832的DAC寄存器中,D/A转换器便开始对锁存于DAC寄存器的8位数据进行转换,约经过1/2时钟周期后,在输出端(IOUT2、IOUT1)建立稳定的电流输出。
运放的作用是将0832输出的模拟电流信号转换为电压波形。
DAC0832为一个8位D/A转换器,单电源供电,在+5~+15V范围内均可正常工作。
基准电压的范围为±
10V,电流建立时间为1μs,CMOS工艺,低功耗20mW。
DAC0832的内部结构框图如图3-3-1所示。
图3-3-1DAC0832工作原理图
DAC0832的外部引脚及功能如图3-3-2:
图3-3-2DAC0832引脚图
DAC0832内部结构资料:
芯片内有两级输入寄存器,使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式,以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。
D/A转换结果采用电流形式输出。
要是需要相应的模拟信号,可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。
运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻,还可以外接
ILE:
数据锁存允许控制信号输入线,高电平有效。
CS:
片选信号输入线,低电平有效。
WR1:
为输入寄存器的写选通信号。
XFER:
数据传送控制信号输入线,低电平有效。
WR2:
为DAC寄存器写选通输入线。
Iout1:
电流输出线。
当输入全为1时Iout1最大。
Iout2:
电流输出线。
其值与Iout1之和为一常数。
Rfb:
反馈信号输入线,芯片内部有反馈电阻.
Vcc:
电源输入线(+5v~+15v)
Vref:
基准电压输入线(-10v~+10v)
AGND:
模拟地,摸拟信号和基准电源的参考地.
DGND:
数字地,两种地线在基准电源处共地比较好
(2)单片机AT89C51介绍:
AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器(FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory)的低电压、高性能CMOS8位微处理器,俗称单片机。
AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。
单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中,ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器,AT89C2051是它的一种精简版本。
AT89C单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。
外形及引脚排列如图3-3-3所示:
图3-3-3AT89C51引脚图
AT89C51管脚说明:
VCC:
供电电压。
GND:
接地。
P0口:
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口,每脚可吸收8TTL门电流。
当P1口的管脚第一次写1时,被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器,它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时,P0口作为原码输入口,当FIASH进行校验时,P0输出原码,此时P0外部必须被拉高。
P1口:
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口,P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后,被内部上拉为高,可用作输入,P1口被外部下拉为低电平时,将输出电流,这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时,P1口作为第八位地址接收。
P2口:
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2口缓冲器可接收,输出4个TTL门电流,当P2口被写“1”时,其管脚被内部上拉电阻拉高,且作为输入。
并因此作为输入时,P2口的管脚被外部拉低,将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时,P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时,它利用内部上拉优势,当对外部八位地址数据存储器进行读写时,P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口:
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口,可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后,它们被内部上拉为高电平,并用作输入。
作为输入,由于外部下拉为低电平,P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。
RST:
复位输入。
当振荡器复位器件时,要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG:
当访问外部存储器时,地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间,此引脚用于输入编程脉冲。
在平时,ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号,此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是:
每当用作外部数据存储器时,将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时,ALE只有在执行MOVX,MOVC指令是ALE才起作用。
另外,该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止,置位无效。
/PSEN:
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间,每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时,这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/EA/VPP:
当/EA保持低电平时,则在此期间外部程序存储器(0000H-FFFFH),不管是否有内部程序存储器。
注意加密方式1时,/EA将内部锁定为RESET;
当/EA端保持高电平时,此间内部程序存储器。
在FLASH编程期间,此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。
XTAL1:
反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。
XTAL2:
来自反向振荡器的输出。
3.4硬件连线图3-4-1
图3-4-1
四、软件设计
总体方框图
图4总体设计功能图
利用中断,当3个开关中有任意一个闭合时,跳转至中断程序,在中断程序中判断是哪一个按键闭合,跳转至相应的程序,执行输出波形的操作,每输出一个点之后,判断按键是否断开,如果依旧闭合,则继续输出,如果已经断开,则结束中断程序。
波形发生流程图如下图所示:
否
是
4.1锯齿波的产生过程
8051单片机的累加器A从0开始循环增量,每增量一次向DAC0832写入一个数据,得到一个输出电压,这样可以获得一个正向的阶梯波。
程序如下:
MOVDPTR,#7FFFH;
DAC0832地址
ST:
MOVA,#00H
LOOP:
MOVX@DPTR,A;
启动D/A转换
INCA;
累加器内容加一
AJMPLOOP;
连续输出波形
程序从标号LOOP处执行到指令到执行AJMPLOOP共需5个机器周期,采用12MHZ的晶振,一个机器周期为1us,则每个阶梯的时间为t=5*1us,一个正向阶梯波的总周期的总时间为T=255*t=1275us,即此阶梯波的重复频率为F=1/T=78HZ.
4.2三角波产生过程
在以上这个正向的锯齿波的前提下,若要获得负向的锯齿波只需将以上程序中的指令INCA换成指令DECA即可,如果想获得任意起始电压和终止电压的波形,则需先确定起始电压和终止电压所对应的数字。
程序中首先从起始电压对应的数字量开始输出,当达到终止电压对应的数字量时返回,如此反复。
将正向锯齿波与负向锯齿波组合起来就可以获得三角波,程序如下:
TRI:
MOVA,#00H;
三角波
UP:
上升沿
CJNEA,#0FFH,UP
DOWN:
DECA;
下降沿
CJNEA,#00H,DOWN
AJMPUP;
连续输出波形
4.3方波的产生过程
方波信号也是波形发生器中常用的一种信号,下面的程序可以从DAC的输出端得到矩形波,当延时子程序DELAY1与DELAY2的延时时间大体相同时即为方波,改变延时时间可得到不同占空比的矩形波,上限电平及上限电平对应的数字量可用前面讲过的方法获得。
MOVDPTR,#7FFFH;
SQ:
MOVA,#LOW;
取低电平数字量
DAC输出低电平
ACALLDELAY1;
延时1
MOVA,#HIGH
DAC输出高电平
ACALLDELAY2;
延时2
AJMPSQ;
以上程序中未列出延时子程序,可仿照前面锯齿波中的延时子程序编写,输出矩形波的占空比为T1/(T1+T2),改变延时值使T1=T2即可得到方波。
5、调试与仿真
本设计利用keil与protus软件仿真,仿真图如下:
锯齿波如图5-5-1:
图5-5-1
三角波如图5-5-2:
图5-5-2
方波如图5-5-3:
图5-5-3
6、软件设计
图6-6-1最小单片机系统
图6-6-2D/A转换系统
图6-6-3控制系统
图6-6-4放大系统
七、总结
本次的设计中利用AT89C51和DAC0832以及放大器完成电路的设计,用开关来控制各种波形的发生及转换,用单片机输出后,经过模数转换器生成波形,最终可以通过示波器观察。
在这次的软件设计中,程序设计采用的是汇编语言。
汇编语言具有速度快,可以直接对硬件进行操作的优点,它可以极好的发挥硬件的功能。
但是汇编语言也存在编写的代码非常难懂,不好维护,很容易产生bug,难于调试的缺点。
因此,在大型程序的设计中,多采用C语言进行程序编译。
C语言简洁高效,是最贴近硬件的高级编程语言,经过多年的发展,现在已成熟为专业水平的高级语言。
而且,现在单片机产品推出时纷纷配套了C语言编译器,应用广泛。
不过就本次课程设计来说,汇编语言还是适用的。
由于真正意义上的程序设计还不多,因此还不是很得心应手,所以在设计中遇到一些问题和一些难点。
比如:
在程序设计中如何实现程序结构的最优化,以达到较高的质量。
这是以后设计中要注意的问题。
通过这次课程设计,我进一步了解了波形发生器的原理,在实际动手操作过程中,使我接触了许多我以前没接触过的元件,而且重新温习了刚学不久的汇编语言,使我学得了许多知识,使我获益匪浅。
这次课程设计,使我的动手能力得到了很大的提高,更使我们懂得理论知识的重要性,没有理论的指导一切实际行动都是盲目的,且实际操作是我们得到的理论知识得到验证,更能增加对理论知识的理解。
八、参考文献
[1]张毅刚·
单片机原理及应用·
高等教育出版社,2003年出版,P279-291。
[2]邓兴成·
单片机原理与实践指导·
机械工业出版社,2009年出版,P270-280。
九、附录
总程序:
ORG0000H
START:
LJMPMAIN
ORG0003H;
外部中断入口
LJMPINSER;
转到中断服务程序
ORG0030H
MAIN:
SETBEX0;
允许中断
SETBIT0;
负边沿触发方式
SETBEA;
开中断
HERE:
JB20H.0,ST;
锯齿波处理,直接寻址位为1跳转
JB20H.1,TRI;
三角波处理
JB20H.2,SQ;
方波处理
SJMPHERE;
等待中断
INSER:
JNBP1.0,LL1;
中断服务程序,查询按键
SJMPL1
LL1:
MOV20H,#00H
SETB20H.0;
设置锯齿波标志,置1
SJMPRT
L1:
JNBP1.2,LL2
SJMPL2
LL2:
MOV20H,#00H
SETB20H.1;
设三角梯波标志
L2:
JNBP1.4,LL3
SJMPL3
LL3:
SETB20H.2;
设置方波标志
SJMPRT
RT:
RETI;
中断返回
ST:
锯齿波
LOOPP:
INCA
JB20H.0,LOOPP;
LJMPHERE
JB20H.1,UP;
LJMPHERE
方波
ACALLDELAY;
MOVA,#0FFH
JB20H.2,SQ;
连续输出波形
LOOP:
CLRA
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
INCDPTR
INCR0
CJNER0,#80H,LOOP
MOVDPTR,#7FFFH;
DAC0832端口地址
MOVR0,#6DH
LOOP1:
MOVA,@R0;
取得第一个1/4周期的数据
MOVX@DPTR,A;
送往DAC0832
CJNER0,#7FH,LOOP1
LOOP2:
MOVA,@R0;
取得第二个1/4周期的数据
MOVX@DPTR,A;
DECR0
CJNER0,#6DH,LOOP2
LOOP3:
取得第三个1/4周期的数据
CPLA;
数据取反
CJNER0,#7FH,LOOP3
LOOP4:
取得第四个1/4周期的数据
CJNER0,#6DH,LOOP4
JB20H.3,LOOP1;
输出连续波形
LJMPHERE
DELAY:
MOVR4,#0FH;
延时子程序
LOOP11:
MOVR5,#10H
LOOP22:
NOP
NOP
DJNZR5,LOOP22
DJNZR4,LOOP11
RET
END