基于单片机的波形发生器的设计.docx
《基于单片机的波形发生器的设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的波形发生器的设计.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
基于单片机的波形发生器的设计
基于单片机的波形发生器的设计
[摘要]
本系统是基于AT89S52单片机的数字式低频信号发生器。
采用AT89S52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（NE4558）、按键和LED显示灯电路等。
通过按键控制可产生方波、锯齿波、三角波、正弦波等，同时用LED显示灯指示对应的波形。
其设计简单、性能优良，可用于多种需要低频信号源的场所，具有一定的实用性。
关键词：
单片机信号发生器D/A转换
0引言
波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。
目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿、正弦、方波、三角等波形。
信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。
但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。
在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。
而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。
一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。
当今是科学技术及仪器设备高度智能化飞速发展的信息社会，电子技术的进步，给人们带来了根本性的转变。
现代电子领域中，单片机的应用正在不断的走向深入，这必将导致传统控制与检测技术的日益革新。
单片机构成的仪器具有高可靠性、高性能价格比，在智能仪表系统和办公自动化等诸多领域得以极为广泛的应用，并走入家庭，从洗衣机、微波炉到音响汽车，处处可见其应用。
因此，单片机技术开发和应用水平已逐步成为一个国家工业发展水平的标志之一。
一块单片机芯片就是一台计算机。
由于单片机的这种特殊的结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用微型计算机无法完成的一些工作。
使其具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。
单片机的特点归纳起来有以下几个方面。
（1）具有优异的性能价格比
单片机尽可能地把应用所需的存储器,各种功能的I/O接口集成在一块芯片内,因而其性能很高,而价格却相对较低廉,即性能价格比很高。
（2）集成度高、体积小、可靠性高
单片机把各种功能部件集成在一块芯片上，因而集成度高，均为大规模或超大规模集成电路。
又内部采用总线结构，减少了芯片之间的连线，这大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。
同时，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。
（3）控制功能强
单片机体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。
为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令，I/O口的逻辑操作指令以及位操作指令。
其逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。
（4）低压、低功效
单片机大量用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗尤为重要。
目前，许多单片机已可在2.2V电压下运行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至μA级,一粒钮扣电池就可长期使用。
利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其下限频率很低。
具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。
只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。
这里介绍一种采用AT89S52单片机和一片DAC0832数模转换器做成的数字式低频信号发生器，它的特点是价格低、性能高，在低频范围稳定性好、操作方便、体积小、耗电少等。
信号发生器与其它相比还具有如下优点：
较分立元件信号发生器而言，具有频率高，工作稳定，容易调试等特性；较专用DDS芯片的信号发生器而言，具有结构简单，成本低等特性。
1系统设计
1.1系统方案的比较
方案一：
采用函数信号发生器ICL8038集成模拟芯片，它是一种可以同时产生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。
但是这种模块产生的波形都不是纯净的波形，会寄生一些高次谐波分量，采用其他的措施虽可滤除一些，但不能完全滤除掉。
方案二：
采用分立元件实现非稳态的多谐振振荡器，然后根据需要加入积分电路等构成正弦、矩形、三角等波形发生器。
这种信号发生器输出频率范围窄，而且电路参数设定较繁琐，其频率大小的测量往往需要通过硬件电路的切换来实现，操作不方便。
方案三：
采用单片机和DAC0832数模转换器生成波形，由于是软件滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。
它的特点是价格低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。
经比较，方案三既可满足毕业设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简单，易控制，性价比较高，所以采用该方案。
1.2控制芯片的选择
方案一：
AT89S52单片机是一种高性能8位单片微型计算机。
它把构成计算机的中央处理器CPU、存储器、寄存器、I/O接口制作在一块集成电路芯片中，从而构成较为完整的计算机。
方案二：
C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与AT80S52兼容的微控制器的内核，与MCS-51指令集完全兼容。
除了具有标准AT80S52的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。
方案选择：
方案二中C8051F005芯片系统内部结构复杂，不易控制，芯片成本高，对于本系统而言利用率低，AT89S52芯片比较常用，简单易控制，成本低，性能稳定故采用方案一。
2系统硬件设计
2.1基本原理
系统框图如图2.1所示
波形指示
键盘
单片机
D/A转换
电流、电压转换
输出
电源
图2.1低频信号波形发生器系统结构框图
低频信号发生器系统主要由CPU、D/A转换电路、基准电压电路、电流/电压转换电路、按键和波形指示电路、电源等电路组成。
其工作原理为当分别按下四个按键中的任一个按键就会分别出现方波、锯齿波、三角波、正弦波，并且有四个发光二极管分别作为不同的波形指示灯。
2.2单片机
2.2.1单片机的介绍
（1）AT89S52的引脚图如图2.2所示
图2.2AT89S52引脚图
（2）管脚说明
低频信号发生器采用AT89S52单片机作为控制核心，其内部组成包括：
一个8位的微处理器CPU及片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接；片内数据存储器RAM低128字节，存放读/写数据；高128字节被特殊功能寄存器占用；片内程序存储器4KBROM；四个8位并行I/O（输入/输出）接口P3-P0，每个口可以用作输入，也可以用作输出；两个定时/计数器，每个定时/计数器都可以设置成计数方式，用以对外部事件进行计数，也可以设置成定时方式，并可以根据计数或定时的结果实现计算机控制；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口。
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
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。
AT89S52单片机外部有32个端口可供用户使用，其功能如表2.1所示：
表2.189S52并行I/O接口
端口
引脚位置
第一功能
第二功能
符号
功能
符号
功能
P0
39-32
P0.0-P0.7
通用I/0口
AD0-AD7
地址数据总线
P1
1-8
P1.0-P1.7
通用I/0口
P2
21-28
P2.0-P2.7
通用I/0口
A8-A15
地址总线（高位）
P3
10
P3.0
通用I/0口
RXD
串行通信发送口
11
P3.1
TXD
串行通信接收口
12
P3.2
INT0
外部中断0
13
P3.3
INT1
外部中断1
14
P3.4
T0
计数器0输入端口
15
P3.5
T1
计数器1输入端口
16
P3.6
WR
外部存储器写功能
17
P3.7
RD
外部存储器读功能
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。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：
P3.0RXD（串行输入通道）
P3.1TXD（串行输出通道）
P3.2/INT0（外中断0）
P3.3/INT1（外中断1）
P3.4T0（定时器0外部输入）
P3.5T1（定时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
（3）AT89S52的晶振及其连接方法
CPU工作时都必须有一个时钟脉冲。
有两种方式可以向89S52提供时钟脉冲：
一是外部时钟方式，即使用外部电路向89S52提供时钟脉冲，见图2.3（a）所示；二是内部时钟方式，即使用晶振由89S52内部电路产生时钟脉冲。
一般常用第二种方法，其电路见图2.3（b）所示。
89S52
XTAL2
XTAL1
89S52
XTAL2
XTAL1
悬空
外部时钟信号
C1
C2
J
（a）外部时钟方式
（b）内部时钟方式
图2.389S52的时钟脉冲
J一般为石英晶体，其频率由系统需要和器件决定，在频率稳定度要求不高时也可以使用陶瓷滤波器。
一般来说，使用石英晶体时，C1=C2=30pF。
使用陶瓷滤波器时，C1=C2=47pF。
（4）AT89S52的复位
复位是单片机的初始化操作，其主要的作用是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作失误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需要按复位键以重新启动。
除使PC归零外，复位操作还对其他一些专用寄存器有影响，它们的复位状态如表2.2所示。
表2.2复位后的内部寄存器状态
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TMOD
00H
ACC
00H
TCON
00H
B
00H
TH0
00H
PSW
00H
TL0
00H
SP
07H
TH1
00H
DPTR
0000H
TL1
00H
P0-P3
0FFH
SCON
00H
IP
（xxx00000）
SBUF
（xxxxxxxx）
IE
（0xx00000）
PCON
（0xxx0000）
另外，复位操作还对单片机的个别引脚有影响，例如会把ALE和/PSEN变成无效状态，即使ALE=0，/PSEN=1.RST变成低电平后，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。
AT89S52复位操作有3种方式：
上电复位、上电按钮复位和系统复位。
上电复位电路如图2.4所示。
对于CMOS型单片机因RST引脚的内部有一个低电阻，故电阻R可不接。
单片机在上电瞬间，RC电路充电，RST引脚端出现正脉冲，只要RST端保持两个机器周期以上的高电平，就能使单片机有效地复位。
当晶体振荡频率为12MHz时，RC的典型值为C=10uF，R=8.2K欧姆。
简单复位电路中，干扰信号易串入复位端，可能会引起内部某些寄存器错误复位，这时可在RST引脚上接一去耦电容。
通常因为系统运行等的需要，常常需要人工按钮复位，复位电路如图2.5所示，其中R2>>R1，只需将一个常开按钮开关并联于上电复位电路，按下开关一定时间就能使RST引脚端为高电平，从而使单片机复位。
RST
89S52
RST
89S52
+5V
C
R
+5V
R1
R2
C
图2.4上电复位电路图2.5上电按钮复位电路
2.2.2资源分配
晶振采用12MHZ。
P1口的P1.0-P1.3分别与四个按键连接，分别控制锯齿波、三角波、正弦波和方波，P1.4-P1.7与四个发光二极管相连,按键一对应发光二极管一，依次类推，发光二极管四对应按键四，实现输出一个波形对应亮一个灯。
P0口与DAC0832的D0-D7数据输入端相连。
P2口用来控制DAC0832的输入寄存器选择信号/CS和数据传送信号/XFER。
2.3各部分电路原理
2.3.1DAC0832芯片原理
管脚功能介绍（如图2.6所示）
图2.6DAC0832管脚图
DI7～DI0：
8位的数据输入端，DI7为最高位。
ILE：
数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。
/CS：
选片信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效。
/WR1：
数据锁存器写选选通输入线，负脉冲有效，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化，/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，负脉冲有效。
/WR2：
DAC寄存器选通输入线，负脉冲有效，由/WR2、/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内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
IOUT1：
模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。
IOUT2：
模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1＋IOUT2＝常数。
RFB：
反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。
VREF：
参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为（+10~-10）V。
VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。
Vcc：
芯片供电电压，范围为（+5~+15）V。
AGND：
模拟量地，即模拟电路接地端。
DGND：
数字量地。
当WR2和XFER同时有效时，8位DAC寄存器端为高电平“1”，此时DAC寄存器的输出端Q跟随输入端D也就是输入寄存器Q端的电平变化；反之，当端为低电平“0”时，第一级8位输入寄存器Q端的状态则锁存到第二级8位DAC寄存器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。
一般情况下为了简化接口电路，可以把WR2和XFER直接接地，使第二级8位DAC寄存器的输入端到输出端直通，只有第一级8位输入寄存器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。
特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个寄存器都分别接成受控方式。
制作低频信号发生器有许多方案：
主要有单缓冲方式，双缓冲方式和直通方式。
单缓冲方式具有适用于只有一路模拟信号输出或几路模拟信号非同步输出的情形的优点，但是电路线路连接比较简单。
而双缓冲方式适用于在需要同时输出几路模拟信号的场合，每一路模拟量输出需一片DAC0832芯片，构成多个DAC0832同步输出电路，程序简单化，但是电路线路连接比较复杂。
根据以上分析，选择了单缓冲方式使用方便，程序简单，易操作。
这里采用DAC0832与单片机89S52的典型的单缓冲方式接口电路。
ILE接高电平，/WR1和/WR2相连后接89S52的/WR，/CS和/XFER相连后接89S52的地址高位，这样就同时片选了DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器，89S52对DAC0832执行一次写操作就把一个数据写入数据锁存器的同时也直接写入到了DAC寄存器，模拟量输出随之变化。
DAC0832的输出是电流，使用运算放大器可以将其电流输出线性地转换成电压输出。
根据运算放大器和DAC0832的连接方法，运算放大器的输出可以分为单极性和双极性两种。
这里采用双极性方式如图2.7所示。
图2.7DAC0832双极性电压输出电路
2.3.2NE4558工作原理
图2.8NE4558引脚图图2.9NE4558运放引脚图
NE4558引脚图如图2.8所示。
它是一片双运放，带内部补偿电路。
极好的通道分离特性允许在单运放应用中使用双运放器件，从而提供了最高的封装密度。
他的内部包含两组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，两组运放相互独立。
每一组运算放大器可用图2.9所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“OUT”为输出端。
两个信号输入端中，“-”为反相输入端，表示运放输出端OUT的信号与该输入端的为相反；“+”为同相输入端，表示运放输出端OUT的信号与输入端的相位相同。
AOUT：
放大信号输出
（1）。
AIN-：
反相信号输入
（1）。
AIN+：
同相信号输入
（1）。
GND：
接地。
BIN+：
同相信号输入
（2）。
BIN-：
反相信号输入
（2）。
BOUT2：
放大信号输出
（2）。
Vcc：
电源。
4558特性有很多，2MHz单位增益带宽保证，NE4558的电源电压为±18v，具备短路保护功能，无需频率补偿，无闩锁效应，宽广的共模和差动电压范围，低功耗。
因此被广泛运用在各种电路中。
2.3.3键盘电路原理
在单片机应用系统中为了控制系统的工作状态，以及向系统输入数据，应用系统应设有按键或键盘，实现简单的人机会话。
键盘是一组按键的组合，按键通常是一种常开型按钮开关，平时按键的两个触点处于断开状态，按下键时它们才闭合。
根据设计的电路特点，只需要用到4个按钮来选择波形，按键S1~S4分别和单片机P1口的P1.0~P1.3相连，实现的功能也比较简单，键盘电路图如图2.12所示。
图2.12键盘电路图
2.3.4LED显示电路
在这里使用的是发光二极管，发光二极管通常用砷化镓、磷化镓等所制成的。
当这种管子通以电流时将发出光来，这是由于电子与空穴直接复合而放出的能量的结果。
当PN结处加以一个适当的正电压时，此管即导通，也就会发光。
这样我们就能知道我们所需要了解的信息，在此设计中发光二极管通过软件的控制显示波形种类。
LED电路图如图2.13所示。
图2.13LED电路图
4个发光二极管D1~D4分别与单片机P1口的P1.4~P1.7，当P1口高4位任意一个为低电平时，其对应的LED就会导通，从而发光，通过程序的控制可以设计波形类型的显示。
3系统软件设计
软件设计上，根据功能分了几个模块编程。
模块主要有：
主程序模块、锯齿波模块、三角波模块、正弦波模块、方波模块、延时子程序模块等。
显示波形模块是利用DAC0832的8位特点，把波形的数据以8位数据的形势送进CPU中，只要一按键就能显示波形。
3.1主程序流程图
主程序流程图如图3.1所示。
本软件设计过程中主要实现利用按键来控制不同波形的输出，当按键1按下时，函数发生器就输出锯齿波；当按键2按下时，函数发生器就输出三角波；当按键3按下时，函数发生器就输出正弦波；当按键4按下时，函数发生器就输出方波。
通过按键可以以任意循环方式输出不同波形。
开始
Key1按下吗？
输出锯齿波
输出三角波
输出正弦波
输出方波
Key2按下吗？
Key3按下吗？
Key4按下吗？
Y
Y
Y
Y
N
N
N
N
图3.1主程序流程图
3.2子程序流程图
3.2.1锯齿波程序流程图
锯齿波流程如图3.2所示。
当进入锯齿波产生流程后，首先将DAC0832口地址置为4000H，然后将00H送入寄存器A中，DAC0832输出A中内容，当A中的内容等于F0H返回开始，当A中的内容不为F0H时，A中的内容累加，从而输出波形。
开始
置DAC0832口地址4000H
#00H→A
（A）→0832输出
（A）=F0H?
A+1→A
Y
N
图3.2锯齿波流程图
3.2.2三角波程序流程图
三角波流程图如图3.3所示。
当进入三角波产生流程后，首先将DAC0832口地址置为4000H，通过A中数值的加一递升，当A中的内容为0时，与0FFH相比，相等时A中的内容减一递减，从而循环产生三角波。
开始
置DAC0832口地址4000H
输入一个数字量→A
（A）→0832输出
A+1→A
A=0？
输入一个数字量FFH→A
（A）→0832输出
A-1→A
A=0?
N
Y
Y
N
图3.3三角波流程图
3.2.3正弦波程序流程图
正弦波程序流程图如图3.4所示。
正弦波波形设计通过查表指令得出。
当进入正弦波产生程序后，首先将寄存器R1赋值为00H，将DAC0832口地址置为4000H，然后将查表得到的数据送0832.
开始
取表格初值R1←00H
置DAC0832口地址4000H
查表格取数送0832
R1+1→R1
图3.4正
升级会员 