波形发生器毕业论文Word下载.docx
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8比特,储存容量：
8M；
横河电机公司的AG5100型，通道数：
1GMS/s,垂直分辨力：
普源公司的DG3121型，通道数：
300MS/s,垂直分辨力：
14比特,储存容量：
1M。
从中不难看出，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、与生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。
就目前国的成熟产品来看,我国目前在波形发生器的种类和性能差距正在逐渐地缩小。
1设计要求与方案论证
依据应用场合,需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。
依据不同的设计要求选取不同的设计方案，通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。
有些场合可能还需要任意波形的产生。
各种波形共有的指标有：
波形的频率、幅度要求，频率稳定度，准确度等。
对于不同波形，具体的指标要求也会有所差异，例如，占空比是脉冲波形特有的指标。
波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为三大类：
纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。
1.1设计要求
设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定形状波形。
要求如下所示
（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。
（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以与由基波与其谐波（5次以下）线性组合的波形。
（3）具有波形存储功能。
（4）输出波形的频率围为100Hz～20kHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；
重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz。
（5）输出波形幅度围0～5V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。
（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。
1.2方案论证
方案一：
波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。
实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。
工作原理嗍也相对简单：
首先是产生正弦波，然后通过波形变换（正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波）实现方波和三角波。
在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变。
通过对电路结构的优化与所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。
纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。
LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号；
石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号且稳定度高；
对于频率低于几MHz，特别是在几百Hz时，常采用RC振荡电路。
RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。
其中，以文氏桥振荡电路最为常用。
目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。
它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里，外加少量的电阻、电容元件来实现。
采用这种方法的突出优势是电路简单，实现方便，精度高，性能优越；
缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。
实际中应用较多的单片函数信号发生器有MAX038（最高频率可达40MHz）和ICL8038（最高频率为300kHz），方案一基本框图如图1所示。
比较器
积分器
正选波
差分放大器
方波
三角波
图1方案一基本框图
方案二：
波形发生器设计的纯软件法波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。
虚拟仪器鞠使传统仪器发生了革命性的变化，是21世纪测试仪器领域技术发展的重要方向。
它以计算机为基础，软件为核心，没有传统仪器那样具体的物理结构．在计算机上实现仪器的虚拟面板，通过软件设计实现和改变仪器的功能。
例如用图形化编程工具LabVIEW来实现任意波形发生器的功能：
在LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板（如波形显示窗口，波形选择按键，波形存储回放等工作界面），在软件的后面板直接拖放相应的波形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功能；
完成的软件打包后，可脱离编程环境独立运行。
实现任意波形发生器的功能。
采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效，仅改变软件程序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。
从长远角度来看，纯软件法成本较低。
软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法，方案二基本框图如图2所示。
信
号
输
入
数据采集
数据处理
波形显示
参数测量
频谱分析
图2方案二基本框图
方案三：
软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：
既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。
如以单片机和单片集成函数发生器为核心。
辅以键盘控制、液晶显示等电路，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器，同时还可以扩展波形发生器的功能，比如通过软件编程控制实现波形的存储、运算、打印等功能，采用USB接口设计，使波形发生器具有远程通信功能等。
目前，实验、科研和工业生产中使用的信号源大多采用此方法来实现。
综合考虑，纯硬件设计法功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够，不具备智能性，其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器，除在学生实验训练中使用外，基本不被采用。
纯软件设计法实现简单，程序改变与功能升级灵活，但实现的波形精度与响应速度不如硬件法高。
纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。
相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。
本设计采用方案三的方法—软硬件设计法，其方案能够产生很好的波形，也易实现。
本次设计所研究的就是对所需要的几种波形输出对应的数字信号，在通过D/A转换器和单片机部分的转换输出一组连续变化的0~5V的电压脉冲值。
在通过显示部分显示其频率和波形。
在设计时分块来做，按照波形设定，D/A转换，51单片机连接，键盘控制和显示五个模块的设计。
最后通过联调仿真，做出电路板成品，系统结构框图如图3所示。
按键
复位电路
AT89C52
LCD显示
D/A转换芯片
电流电压转换电流
波形输出
图3系统结构框图
模块介绍：
1波形设定：
对任意波形的手动设定。
2D/A转换：
主要选用DAC0832来把数字信号转换为模拟信号，在送入单片机进行处理。
3电流电压转换：
LM324运放。
4单片机部分：
最小系统。
5键盘：
用按键来控制输出波形的种类和数值的输入。
6显示部分：
采用液晶显示波形的频率和波形类别。
2系统硬件设计
波形的产生是通过AT89C52单片机执行某一波形发生程序，向D/A转换器的输入端按一定的规律发生数据，从而在D/A转换电路的输出端得到相应的电压波形。
AT89C52单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。
文中简要介绍了DAC0832数模转换器的结构原理和使用方法，AT89C52的基础理论，以与与设计电路有关的各种芯片应用。
2.1单片机AT89C52与接口设计
AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89C52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，两个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片晶振与时钟电路。
另外，AT89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作[17]。
掉电保护方式下，RAM容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89C52具有如下特点：
40个引脚，8kBytesFlash片程序存储器，256bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片时钟振荡器，其功能引脚图如图4所示。
图4单片机引脚
单片机AT89C52的接口与引脚功能
（1）
：
接+5V电源。
（2）
接电源地。
（3）P0口：
P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。
作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。
对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。
当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。
在这种模式下，P0具有部上拉电阻。
在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；
在程序校验时，输出指令字节。
程序校验时，需要外部上拉电阻。
（4）P1口：
P1口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P1端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于部电阻的原因，将输出电流（IIL）。
此外，P1.0和P1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（P1.0/T2）和时器/计数器2的触发输入（P1.1/T2EX），具体如下表所示。
在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节，P1口引脚与其功能如表1所示。
表1P1口引脚与其功能
引脚号
第二功能
P1.0
T2（定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出
P1.1
T2EX（定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）
P1.5
MOSI（在系统编程用）
P1.6
MISO（在系统编程用）
P1.7
SCK（在系统编程用）
（5）P2口：
P2口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P2端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVXDPTR）时，P2口送出高八位地址。
在这种应用中，P2口使用很强的部上拉发送1。
在使用8位地址（如MOVXRI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的容。
在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。
（6）P3口：
P3口是一个具有部上拉电阻的8位双向I/O口，p2输出缓冲器能驱动4个TTL逻辑电平。
对P3端口写“1”时，部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。
在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号，P3口亦作为AT89C52特殊功能（第二功能）使用，P3口引脚与其功能如下表2所示。
表2P3口引脚与其功能
P3.0
RXD（串行输入）
P3.1
TXD（串行输出）
P3.2
（外部中断0）
P3.3
P3.4
T0（定时器0外部输入）
P3.5
T1（定时器1外部输入）
P3.6
（外部数据存储器写选通）
P3.7
（7）RST:
复位输入。
晶振工作时，RST脚持续2个机器周期高电平将使单片机复位。
看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。
特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。
DISRTO默认状态下，复位高电平有效。
（8）ALE/
地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。
在flash编程时，此引脚（
）也用作编程输入脉冲。
在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。
然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。
如果需要，通过将地址为8EH的SFR的第0位置“1”，ALE操作将无效。
这一位置“1”，ALE仅在执行MOVX或MOVC指令时有效。
否则，ALE将被微弱拉高。
这个ALE使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。
（9）
:
外部程序存储器选通信号（
）是外部程序存储器选通信号。
当AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时，
在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。
（10）
/VPP:
访问外部程序存储器控制信号。
为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，
必须接GND。
为了执行部程序指令，EA应该接VCC。
在flash编程期间，
A也接收12伏VPP电压。
（11）XTAL1:
振荡器反相放大器和部时钟发生电路的输入端。
（12）XTAL2:
振荡器反相放大器的输出端。
AT89C52是片有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠，最小系统如图5所示。
图5AT89C52最小系统
单片机的时钟信号用来提供单片机各种微操作的时间基准，复位操作则使单片机的片电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。
在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器或瓷谐振荡器，构成了部振荡方式。
由于单片机部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后，就构成了自积振荡，并产生振荡时钟脉冲。
晶振通常选用6MHZ、12MHZ、或24MHZ。
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全称RESET）出现2个机器周期以上的高电平时，根据应用的要求，复位操作通常有两种基本形式：
上电复位和上电或开关复位。
上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。
上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。
上电后，由于电容C3的充电和反相门的作用，使RST持续一段时间的高电平。
当单片机已在运行当中时，按下复位键K后松开，也能使RST为一段时间的高电平，从而实现上电或开关复位的操作。
51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，若为高电平则执行芯片部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。
51单片机在系统复位时，将其部的一些重要寄存器设置为特定的值，至于部RAM部的数据则不变。
2.2D/A转换电路的设计
1DAC0832芯片：
DAC0832是CMOS工艺制造的8位D/A转换器，属于8位电流输出型D/A转换器，转换时间为1us，片带输入数字锁存器。
DAC0832与单片机接成数据直接写入方式，当单片机把一个数据写入DAC寄存器时，DAC0832的输出模拟电压信号随之对应变化。
利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等以与它们组合产生的复合波形和不规则波形。
2DAC0832的主要特性参数如下：
分辨率为8位；
电流稳定时间1us；
可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；
只需在满量程下调整其线性度；
单一电源供电（+5V～+15V）；
低功耗，200mW。
3DAC0832结构：
D0～D7：
8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns（否则锁存器的数据会出错）；
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（选通数据锁存器），低电平有效；
WR1：
数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；
XFER：
数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；
WR2：
DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。
由WR1、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
IOUT1：
电流输出端1，其值随DAC寄存器的容线性变化；
IOUT2：
电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；
Rfb：
反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；
Vcc：
电源输入端，Vcc的围为+5V～+15V；
VREF：
基准电压输入线，VREF的围为-10V～+10V；
AGND：
模拟信号地
DGND：
数字信号地。
DAC0832简化电路框图如图6所示。
图6DAC0832简化电路框图
待转换的8位数字量由芯片的8位数据输入线D0～D7输入，经DAC0832转换后，通过2个电流输出端IOUT1和IOUT2输出，IOUT1是逻辑电平为"
1"
的各位输出电流之和，IOUT2是逻辑电平为"
0"
的各位输出电流之和。
DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。
输入寄存器和DAC寄存器作为双缓冲，因为在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。
有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片DAC0832，每片DAC0832的转换时间一样，就可采用DAC寄存器对CPU分时输入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时产生各模拟信号。
4DAC0832与AT89C52连接
DAC0832的数据输出方式在微机应用系统中,通常使用的是电压信号,而DAC0832输出的是电流信号，这就需要由运算放大器组成的电路实现转换。
其中有输出电压各自极性固定的单位性输出和在随动系统中输出电压有正负极性的双极性输出两种输出方式。
DAC0832同CPU的连接，微处理器与DAC0832之间可以不加锁存器，而是利用DAC0832部锁存器，将CPU通过数据总线直接向DAC0832输出的停留时间很短的数据保存，直至转换结束。
DAC0832同AT89C52的接口如图7所示。
图7DAC0832同AT89C52连接电路
2.3按键电路设计
人机交互接口的设计
所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交互信息的输入/输出设备的接口。
这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和打印机等，他们是计算机应用系统中必不可少的输入、输出设备，是控制系统与操作人员之间的交互窗口。
一个安全可靠的控制系统必须具有方便的交互功能。
操作人员可以通过系统显示的容，与时掌握生产情况，并可通过键盘输入数据，传递命令，对计算机应用系统进行人工干扰，使其随时能按照操作人员的意图工作。
键盘设计需要解决的几个问题
键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令与数据的接口设备。
键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。
编码键盘能自动识别按下的键并产生相应代码，以并行或串行方式发给CPU。
它使用方便，接口简单，响应速度快，但需要专用的硬件电路。
非编码键盘则是通过软件来确定按键并计算键值。
这种方法虽然没有编码键盘速度快，但它不需要专用的硬件支持，因此得到了广泛的应用。
键盘是计算机应用系统中的一个重要组成部分，设计时必须解决下述一些问题。
按键的确认，键盘实际上是一组按键开关的集合，其中每一个按键就是一个开关量输入装置。
键的
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