波形发生器.docx
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波形发生器
目录
一、设计目的及意义-1-
1.1设计目的-1-
1.2设计意义-1-
二、方案论证-1-
2.1设计要求-1-
2.2方案论证-2-
三、硬件电路设计-2-
3.1设计思路、元件选型-2-
3.2原理图-3-
3.3主要芯片介绍-3-
3.4硬件连线图-6-
四、软件设计-7-
4.1锯齿波的产生过程-8-
4.2三角波产生过程-8-
4.3方波的产生过程-8-
五、调试与仿真-8-
六、软件设计-11-
七、总结-13-
八、参考文献-13-
九、附录-13-
一、设计目的及意义
1.1设计目的
（1）利用所学单片机的理论知识进行软硬件整体设计，锻炼学生理论联系实际、提高我们的综合应用能力。
（2）我们这次的课程设计是以单片机为基础，设计并开发能输出多种波形（正弦波、三角波、锯齿波、方波、梯形波等）且频率、幅度可变的函数发生器。
（3）掌握各个接口芯片（如0832等）的功能特性及接口方法，并能运用其实现一个简单的微机应用系统功能器件。
（4）在平时的学习中，我们所学的知识大都是课本上的，在机房的练习大家也都是分散的对各个章节的内容进行练习。
因此，缺乏一种系统的设计锻炼。
在课程所学结束以后，这样的课程设计十分有助于学生的知识系统的总结到一起。
（5）通过这几个波形进行组合形成了一个函数发生器，使得我对系统的整个框架的设计有了一个很好的锻炼。
这不仅有助于大家找到自己感兴趣的题目，更可以锻炼大家微机知识的应用。
1.2设计意义
波形发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。
在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。
信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。
它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。
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
设计思路：
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：
MOVDPTR,#7FFFH;DAC0832地址
TRI:
MOVA,#00H;三角波
UP:
MOVX@DPTR,A;启动D/A转换
INCA;上升沿
CJNEA,#0FFH,UP
DOWN:
MOVX@DPTR,A;启动D/A转换
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。
程序如下：
MOVDPTR,#7FFFH;DAC0832地址
SQ:
MOVA,#LOW;取低电平数字量
MOVX@DPTR,A;DAC输出低电平
ACALLDELAY1;延时1
MOVA,#HIGH
MOVX@DPTR,A;DAC输出高电平
ACALLDELAY2;延时2
AJMPSQ;连续输出波形
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:
MOVDPTR,#7FFFH;DAC0832地址
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
SJMPRT
L2:
JNBP1.4,LL3
SJMPL3
LL3:
MOV20H,#00H
SETB20H.2;设置方波标志
SJMPRT
RT:
RETI;中断返回
ST:
MOVA,#00H;锯齿波
LOOPP:
MOVX@DPTR,A;启动D/A转换
INCA
JB20H.0,LOOPP;连续输出波形
LJMPHERE
TRI:
MOVA,#00H;三角波
UP:
MOVX@DPTR,A;启动D/A转换
INCA;上升沿
CJNEA,#0FFH,UP
DOWN:
MOVX@DPTR,A;启动D/A转换
DECA;下降沿
CJNEA,#00H,DOWN
JB20H.1,UP;连续输出波形
LJMPHERE
SQ:
MOVA,#00H;方波
MOVX@DPTR,A;DAC输出低电平
ACALLDELAY;延时1
MOVA,#0FFH
MOVX@DPTR,A;DAC输出高电平
ACALLDELAY;延时2
JB20H.2,SQ;连续输出波形
LJMPHERE
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
INCR0
CJNER0,#7FH,LOOP1
LOOP2:
MOVA,@R0;取得第二个1/4周期的数据
MOVX@DPTR,A;送往DAC0832
DECR0
CJNER0,#6DH,LOOP2
LOOP3:
MOVA,@R0;取得第三个1/4周期的数据
CPLA;数据取反
MOVX@DPTR,A;送往DAC0832
INCR0
CJNER0,#7FH,LOOP3
LOOP4:
MOVA,@R0;取得第四个1/4周期的数据
CPLA;数据取反
MOVX@DPTR,A;送往DAC0832
DECR0
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
NOP
DJNZR5,LOOP22
DJNZR4,LOOP11
RET
END
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