基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì).doc

本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)龔珣燕 山 大 學(xué)2009年6月本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)學(xué)院（系）： 電子工程系 專 業(yè)： 05級(jí)通信工程 學(xué)生 姓名： 龔 珣 學(xué) 號(hào)： 051304031101 指導(dǎo) 教師：張文武 王成儒 答辯 日期： 2009.6.17 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)院： 里仁學(xué)院 系級(jí)教學(xué)單位： 電子與通信工程系 學(xué)號(hào)051304031101學(xué)生姓名龔珣專 業(yè)班 級(jí)05通信4班題目題目名稱基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)題目性質(zhì)1.理工類：工程設(shè)計(jì) （ ）；工程技術(shù)實(shí)驗(yàn)研究型（ ）；理論研究型（ ）；計(jì)算機(jī)軟件型（ ）；綜合型（ ）2.管理類（ ）；3.外語類（ ）；4.藝術(shù)類（ ）題目類型1.畢業(yè)設(shè)計(jì)（ ） 2.論文（ ）題目來源科研課題（ ） 生產(chǎn)實(shí)際（ ） 自選題目（ ） 主要內(nèi)容1、學(xué)習(xí)波形信號(hào)發(fā)生器的工作原理。2、通過比較選擇一種合適的單片機(jī)并了解其原理。3、具有產(chǎn)生正弦波、三角波、方波三種周期性波形的功能。4、輸出波形的頻率范圍為：11000hz?；疽?通過學(xué)習(xí)相應(yīng)書籍和查閱資料，了解課題研究的目的和意義，對(duì)課題目前的發(fā)展有所了解和掌握。2給出完整電路設(shè)計(jì)，包括電路原理圖。3完成畢業(yè)設(shè)計(jì)論文一份,格式符合燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范，并用word排版。參考資料1燕山大學(xué)網(wǎng)上圖書館。中國(guó)期刊全文數(shù)據(jù)庫。優(yōu)秀碩博論文2相關(guān)元件的芯片手冊(cè)3燕山大學(xué)網(wǎng)上英文資料.eisevier周 次第14周第58周第913周第1416周第1718周應(yīng)完成的內(nèi)容收集資料熟悉課題內(nèi)容確定設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化論文撰寫課題總結(jié)準(zhǔn)備答辯指導(dǎo)教師：張文武職稱：工程師 2009年3月3日系級(jí)教學(xué)單位審批： 年 月 日燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）摘要本文是基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。我所設(shè)計(jì)的信號(hào)發(fā)生器是由單片機(jī)at89c51，d/a轉(zhuǎn)換器dac0832，低頻放大器lm324和四位一體數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)的。本系統(tǒng)輸出的電壓范圍是05v，頻率范圍是11000hz，以電壓的方式輸出正弦波、三角波和方波信號(hào)，用數(shù)碼管顯示信號(hào)的頻率?？赏ㄟ^鍵盤選擇輸出波形和調(diào)節(jié)頻率的大小。該信號(hào)發(fā)生器具有操作簡(jiǎn)便、靈活，性價(jià)比高和智能化的特點(diǎn)，可廣泛用于電子測(cè)量、調(diào)試工程中。本文首先對(duì)信號(hào)發(fā)生器的原理，發(fā)展歷史進(jìn)行了較全面的介紹，為本次設(shè)計(jì)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。其次，介紹了信號(hào)發(fā)生器的種類，通過對(duì)幾種不同低頻信號(hào)發(fā)生器的比較從中確定本次設(shè)計(jì)方案，并介紹其基本設(shè)計(jì)原理。其次，通過學(xué)習(xí)at89c51和dac0832的主要結(jié)構(gòu)和功能,設(shè)計(jì)了一種以這兩個(gè)芯片為核心的低頻信號(hào)發(fā)生器。本次設(shè)計(jì)主要是通過軟件控制整個(gè)電路系統(tǒng)，最后通過軟件的主程序流程圖和子程序流程圖介紹本系統(tǒng)軟件的工作過程。關(guān)鍵詞信號(hào)發(fā)生器；單片機(jī)at89c51；d/a轉(zhuǎn)換；低頻放大器i 燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）abstractthis article is according to the low-frequency signal generator single-chip design. i designed the signal generator is made up with a single-chip microcomputer of at89c51, d/a converter of dac0832, low-frequency amplifier of lm324 and four-in-one digital control to achieve. the system can output the electric voltage biggest be worth for the 0-5 v. the frequency is a 1-1000 hz of rectangle wave, triangle wave, and sine wave，for third kinds of form signal.,output voltage waveform signal with a digital display signal frequency. the signal generator is simple, flexible, cost-effective and intelligent features, can be widely used in electronic measurement and testing work.this article first introduce signal generating device principle, the historical development has been carrying on the comprehensive introduction, has laid the solid foundation for this design. secondly, introduced signal generating devices type, through to several kind of different low-frequency signal generators comparison definite this design proposal, and introduces its important job principle. thridly, through studies at89c51 and the dac0832 primary structure and the function, has designed one kind of these two chips as the core low-frequency signal generator. this design is mainly through the software control entire circuitry, finally introduces this system software work process through softwares master routine flow chart and the subroutine flow chart.keywordsthe signal occurrence machine；monolithic machine at89c51； d/a conversion；low noise amplifierii 目 錄摘要iabstractii第1章 緒論11.1 課題背景11.2 信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展歷史11.3 信號(hào)發(fā)生器發(fā)展趨勢(shì)及現(xiàn)狀31.4 課題主要內(nèi)容和章節(jié)安排4第2章 低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理62.1 信號(hào)發(fā)生器的種類62.1.1 按輸出信號(hào)頻率范圍分類62.1.2 按輸出波形分類62.1.3 按信號(hào)發(fā)生器的性能分類72.2 低頻信號(hào)發(fā)生器的方案設(shè)計(jì)72.2.1 方案一72.2.2 方案二82.2.3 方案三92.3 基于at89c51信號(hào)發(fā)生器的方案設(shè)計(jì)及原理92.3.1 信號(hào)發(fā)生器的硬件電路設(shè)計(jì)方案92.3.2 信號(hào)發(fā)生器的軟件電路設(shè)計(jì)方案112.4 本章小結(jié)12第3章 信號(hào)發(fā)生器的硬件部分123.1 主要器件123.1.1 單片機(jī)芯片at89c51123.1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac0832373.1.3 lm324的結(jié)構(gòu)與功能393.2 單元電路設(shè)計(jì)403.2.1時(shí)鐘電路403.2.2復(fù)位電路413.2.3 電源電路423.2.4 數(shù)碼管顯示接口電路433.2.5 鍵盤接口電路443.2.6 d/a轉(zhuǎn)換電路453.2.7 i/v轉(zhuǎn)換電路463.3 本章小結(jié)47第4章 信號(hào)發(fā)生器的軟件部分344.1 主程序流程圖344.2 子程序流程圖354.2.1 顯示子程序流程圖354.2.2 正弦波產(chǎn)生流程圖364.2.3 方波和三角波產(chǎn)生流程圖374.2.4 中斷子程序流程圖384.3.5 鍵掃描子程序流程圖404.3 本章小結(jié)41結(jié) 論43參考文獻(xiàn)44致 謝46附錄147附錄252附錄356附錄466iv燕山大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）第1章 緒論1.1 課題背景隨著社會(huì)科學(xué)的進(jìn)步，電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們對(duì)于一些電路分析所需的儀器種類越來越多，同時(shí)要求其的精度也越來越高?？茖W(xué)技術(shù)的發(fā)展應(yīng)是以面向人性化、智能化、經(jīng)濟(jì)化為一體的發(fā)展為目標(biāo)。本論文正是以單片機(jī)控制信號(hào)發(fā)生器為出發(fā)點(diǎn)，用單片機(jī)作為中央控制器，直接由軟件產(chǎn)生波形信號(hào)的輸出，并可通過軟件的修改，達(dá)到輸出三種波形的目的及其他相關(guān)的功能。單片機(jī)本身就是一個(gè)小型化的微機(jī)系統(tǒng)。是將微處理器、存儲(chǔ)器、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、i/o接口電路等集成在一個(gè)芯片上的大規(guī)模集成電路。單片機(jī)技術(shù)與電路設(shè)計(jì)技術(shù)、傳感與測(cè)量技術(shù)、信號(hào)與系統(tǒng)分析技術(shù)、可編程邏輯應(yīng)用技術(shù)、微機(jī)接口技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)以及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、匯編語言程序設(shè)計(jì)、高級(jí)語言程序設(shè)計(jì)、軟件工程、數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)通信、數(shù)字信號(hào)處理、自動(dòng)控制、誤差分析、儀器儀表結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝等的結(jié)合，使得單片機(jī)的應(yīng)用非常廣泛。測(cè)量過程中用到的信號(hào)發(fā)生器，通常被稱為信號(hào)源。在科研、使用、生產(chǎn)、測(cè)試和維修各種電子元器件、部件及整機(jī)設(shè)備時(shí)，都需要用信號(hào)源提供激勵(lì)信號(hào)，由它產(chǎn)生不同頻率、不同波形的電壓和電流信號(hào)，并加到被測(cè)器件、設(shè)備上，然后用其他測(cè)試儀器觀測(cè)其輸出響應(yīng)。信號(hào)發(fā)生器可提供符合一定電技術(shù)指標(biāo)的電信號(hào)，其波形、頻率和幅度都可調(diào)節(jié)，并可以準(zhǔn)確讀出數(shù)值。在電子測(cè)量中，信號(hào)發(fā)生器是最基本，應(yīng)用最廣泛的測(cè)量?jī)x器。其功用主要有以下三方面：1)作為激勵(lì)源：作為某些電氣設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)源。2)信號(hào)仿真：在設(shè)備測(cè)量中，常需要產(chǎn)生模擬實(shí)際環(huán)境特性的信號(hào)，如對(duì)干擾信號(hào)進(jìn)行仿真。3)校準(zhǔn)源：產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用于對(duì)一般信號(hào)源進(jìn)行校準(zhǔn)。1.2 信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展歷史作為工業(yè)產(chǎn)品特別是電力、電子產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)領(lǐng)域中最重要的測(cè)試設(shè)備之一，信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展歷史可以追溯到上世紀(jì)40年代。1943年惠普為海軍研究實(shí)驗(yàn)室開發(fā)研制了第一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器，從而使得人們?cè)跍y(cè)試設(shè)備時(shí)可以利用可控的信號(hào)源進(jìn)行比較完善和安全的測(cè)量和測(cè)試。在隨后的二十年中，信號(hào)發(fā)生器一直隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，成為這些技術(shù)發(fā)展的一個(gè)縮影。從技術(shù)上看，信號(hào)發(fā)生器經(jīng)歷了由模擬式信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器到虛擬信號(hào)發(fā)生器這三個(gè)發(fā)展過程。從四十到六十年代，信號(hào)發(fā)生器都是完全用以電子管工藝為基礎(chǔ)的模擬電路搭建的，往往其調(diào)節(jié)范圍受到限制，因而劃分為音頻、高頻、超高頻、射頻和微波等信號(hào)發(fā)生器，其信號(hào)的精度和可控性都不理想，而且可產(chǎn)生的信號(hào)的種類較少，對(duì)于較復(fù)雜信號(hào)的產(chǎn)生，其電路構(gòu)造都非常復(fù)雜，體積龐大，不易移動(dòng)。上個(gè)世紀(jì)六七十年代，隨著晶體管工藝的出現(xiàn)，大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的大范圍的應(yīng)用，數(shù)字電路在信號(hào)發(fā)生器中得到廣泛的應(yīng)用，從而大大提高了信號(hào)發(fā)生器的精度，減少了電路本身產(chǎn)生的噪聲，體積也大為縮小。八十年代開始，計(jì)算機(jī)逐漸在工業(yè)生活中占據(jù)了重要的位置，信號(hào)發(fā)生器也開始從純粹的分立元件搭建改為以微處理器為核心的集成系統(tǒng)，這時(shí)候的信號(hào)發(fā)生器也發(fā)生了翻天覆地的變化。比如說，它所能產(chǎn)生信號(hào)的種類大大增加；任意波信號(hào)可以通過人工設(shè)定在同一臺(tái)信號(hào)發(fā)生器中產(chǎn)生；頻寬也很大的增加了；通用性得到大大的提高；過去的多種類的信號(hào)發(fā)生器也可以簡(jiǎn)單地劃分為低頻和高頻兩種，低頻信號(hào)的頻寬從050mhz，高頻則可達(dá)到20ghz以上，但它仍存在人機(jī)界面不友好，軟硬件升級(jí)維護(hù)困難等缺陷。九十年代以后，虛擬儀器進(jìn)入了人們的視野。這種完全以計(jì)算機(jī)軟件為核心，輔以相應(yīng)的硬件設(shè)備的測(cè)試系統(tǒng)代表了未來測(cè)試儀器的發(fā)展方向。人們可以在友好的人機(jī)見面環(huán)境中輕輕松松地進(jìn)行各種復(fù)雜的操作，信號(hào)發(fā)生器也從一個(gè)完全獨(dú)立的測(cè)試設(shè)備，進(jìn)而成為整個(gè)虛擬儀器系統(tǒng)中一個(gè)必不可少的子模塊1。信號(hào)發(fā)生器中一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是信號(hào)頻率的變動(dòng)控制。早期的信號(hào)發(fā)生器大都借助電阻電容，電感電容、諧振腔、同軸線等作為振蕩回路電路用來產(chǎn)生正弦或其它函數(shù)波形，頻率的變動(dòng)由機(jī)械驅(qū)動(dòng)可變?cè)?如電容器或諧振腔)來完成，其缺點(diǎn)是顯而易見的，那就是頻率不穩(wěn)，噪聲大，頻率的改變控制不容易，這時(shí)根據(jù)技術(shù)的發(fā)展和科學(xué)的需要，鎖相頻率合成器(phase locked frequency synthesize)應(yīng)運(yùn)而生。這是一次技術(shù)上的飛躍，它基于鎖相環(huán)路原理，從一個(gè)高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的參考晶體振蕩器中綜合出大量離散頻率，集成度高，可靠性好且價(jià)格低廉，直到現(xiàn)在鎖相頻率合成仍然是工程應(yīng)用中最為普遍的技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信號(hào)發(fā)生器的變化日新月異，直接數(shù)字頻率合成(direct digit frequency synthesize，ddfs)則是近幾年來最新發(fā)展的技術(shù)，它完全擺脫間接數(shù)字合成的乘法/除法電路，直接在基準(zhǔn)時(shí)鐘的準(zhǔn)確相位控制下獲得合成頻率輸出，其頻率控制模塊中的相位累加器由寄存器和加法器組成，相位信息存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出最低合成頻率，隨著頻率控制輸入的增長(zhǎng)，輸出合成頻率亦增加。相位累加器的寬度增加時(shí)，輸出合成頻率的準(zhǔn)確度相應(yīng)增加2。ddfs頻率變換速度主要取決于累加器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時(shí)間，顯然要比模擬電路快得多，因此廣泛采用ddfs技術(shù)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。1.3 信號(hào)發(fā)生器發(fā)展趨勢(shì)及現(xiàn)狀隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)信號(hào)源頻率的穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度，以及頻譜純度提出越來越高的要求。高精度的信號(hào)源對(duì)通信系統(tǒng)、電子對(duì)抗以及各種電子測(cè)量技術(shù)十分重要。直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(direct digital frequency synthesis，即ddfs，一般簡(jiǎn)稱dds)，是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。和傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比它具有頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)變速度快、輸出相位連續(xù)、相位噪聲低、可編程和全數(shù)字化、便于集成等突出優(yōu)點(diǎn)，成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者，得到越來越廣泛的應(yīng)用，成為眾多電子系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。英特西爾公司開發(fā)研制并投放市場(chǎng)的壓控振蕩型精密波形發(fā)生器icl8038可同時(shí)產(chǎn)生正弦波、方波及三角波等信號(hào)波形，且輸出波形的正弦失真度小，三角波及方波線性度相對(duì)較高，頻率又容易調(diào)節(jié)，隨溫度，環(huán)境的穩(wěn)定性好，抗干擾能力較強(qiáng)。是現(xiàn)在應(yīng)用廣泛的芯片之一3。目前我國(guó)經(jīng)濟(jì)開始進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期，經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展將加快企業(yè)的技術(shù)改造步伐，各行業(yè)特別是電子、通信行業(yè)對(duì)先進(jìn)任意波發(fā)生器的需求更加強(qiáng)勁。據(jù)最新電子商情報(bào)道，從1998年開始，由于國(guó)家采取了擴(kuò)大內(nèi)需發(fā)展經(jīng)濟(jì)的決策，擴(kuò)大了國(guó)產(chǎn)任意波信號(hào)發(fā)生器的市場(chǎng)，銷量增長(zhǎng)都在30%左右。但我國(guó)的任意波信號(hào)發(fā)生器市場(chǎng)大部分被國(guó)外產(chǎn)品所占領(lǐng)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品市場(chǎng)占有率很低。目前，allritsu、agilent、advantest、側(cè)s、tektronix、nl幾家著名儀器公司都在生產(chǎn)各類任意波形信號(hào)發(fā)生器，如agilent公司生產(chǎn)的hp331加a函數(shù)/任意波形發(fā)生器、advantest公司生產(chǎn)的33120a函數(shù)/任意波形發(fā)生器。asilent的信號(hào)發(fā)生器一直是業(yè)界公認(rèn)的高水平儀器，而且種類和型號(hào)最多，產(chǎn)品功能全、技術(shù)含量高。近幾年anritsu、agilent、advantest、側(cè)s，nl等外國(guó)公司在我國(guó)的銷售額逐年大幅度上升，agilent公司在中國(guó)銷售的任意波形信號(hào)發(fā)生器已極大地超過國(guó)內(nèi)產(chǎn)量4。我國(guó)的儀器技術(shù)水平在發(fā)展中國(guó)家處于領(lǐng)先地位，且產(chǎn)品價(jià)格便宜。境外有的銷售商己把目標(biāo)轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)的產(chǎn)品，出口到北美、歐洲、東南亞的任意波信號(hào)發(fā)生器逐年增加，所以擴(kuò)大外銷產(chǎn)品是擴(kuò)大國(guó)產(chǎn)任意波信號(hào)發(fā)生器市場(chǎng)的一條重要出路?？傊﹂_發(fā)擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)任意波信號(hào)發(fā)生器己成為我國(guó)儀器行業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。只有這樣，國(guó)產(chǎn)任意波信號(hào)發(fā)生器才能在競(jìng)爭(zhēng)激烈的國(guó)內(nèi)外儀器市場(chǎng)中占有一席之地。1.4 課題主要內(nèi)容和章節(jié)安排本文主要是基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。首先對(duì)構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器的主要部分進(jìn)行設(shè)計(jì)，掌握它們的基本工作原理。其次對(duì)at89c51、dac0832、lm324及其它構(gòu)成信號(hào)發(fā)生器的器件的工作原理和電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行重點(diǎn)介紹。再次學(xué)習(xí)單片機(jī)的c語言及產(chǎn)生各種波形的原理。介紹本設(shè)計(jì)中涉及到的相關(guān)知識(shí)，完成設(shè)計(jì)。本文第一章緒論，分為三個(gè)小節(jié)分別對(duì)信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹：課題背景、信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展歷史和發(fā)展趨勢(shì)。本文第二章介紹了信號(hào)發(fā)生器的種類，低頻信號(hào)發(fā)生器的方案論證和基于at89c51信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理。本文第三章是本論文的重點(diǎn)，對(duì)信號(hào)發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行介紹，分為兩個(gè)小節(jié)分別對(duì)本系統(tǒng)中用到的芯片和單元電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了仔細(xì)的介紹和分析。本文第四章信號(hào)發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)，也是本文重點(diǎn)。分為兩個(gè)小節(jié)分別對(duì)信號(hào)發(fā)生器的主程序和子程序流程圖進(jìn)行了介紹。第2章 低頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理根據(jù)題目要求設(shè)計(jì)一種基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器，我先從信號(hào)發(fā)生器的種類入手，查閱資料對(duì)幾種由不同單片機(jī)組成的信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行比較，并確定方案2.1 信號(hào)發(fā)生器的種類信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用廣泛，種類型號(hào)眾多，性能各異，分類方法也不盡相同，下面介紹幾種常見的分類方法。2.1.1 按輸出信號(hào)頻率范圍分類按照輸出信號(hào)的頻率范圍分類，如表2-1。表中頻段的劃分，不是絕對(duì)的?？梢?，這兩類信號(hào)發(fā)生器頻率范圍有重疊，而所謂“射頻信號(hào)發(fā)生器”包含了表中視頻以上各類信號(hào)發(fā)生器。例如，在電子儀器的門類劃分中，“低頻信號(hào)發(fā)生器”是指1hz-1mhz頻段，波形以正弦波為主，兼有方波及其他波形的信號(hào)發(fā)生器，“射頻信號(hào)發(fā)生器”則指能產(chǎn)生正弦信號(hào)，頻率范圍部分全部覆蓋30khz-1ghz(允許向外延伸)，并且具有一種或一種以上調(diào)制功能的信號(hào)發(fā)生器5。表2-1 按輸出信號(hào)頻率范圍分類名稱頻率范圍主要應(yīng)用領(lǐng)域超低頻信號(hào)發(fā)生器30khz以下電聲學(xué)，聲納低頻信號(hào)發(fā)生器30300khz電報(bào)通信視頻信號(hào)發(fā)生器3006mhz無線電廣播高頻信號(hào)發(fā)生器630mhz廣播，電報(bào)甚高頻信號(hào)發(fā)生器30300mhz電視，調(diào)頻廣播，導(dǎo)航超高頻信號(hào)發(fā)生器3003000mhz雷達(dá)，導(dǎo)航，氣象2.1.2 按輸出波形分類信號(hào)源有很多種分類方法，其中一種是按輸出波形分類，可分為混和信號(hào)源和邏輯信號(hào)源兩種。其中混和信號(hào)源主要輸出模擬波形；邏輯信號(hào)源輸出數(shù)字碼形?；旌托盘?hào)源又可分為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和任意波形/函數(shù)發(fā)生器，其中函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)波形，如正弦波、方波等，任意波/函數(shù)發(fā)生器輸出用戶自定義的任意波形；邏輯信號(hào)發(fā)生器又可分為脈沖信號(hào)發(fā)生器和碼型發(fā)生器，其中脈沖信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)較小個(gè)數(shù)的的方波或脈沖波輸出，碼型發(fā)生器生成許多通道的數(shù)字碼型。如泰克生產(chǎn)的afg3000系列就包括函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、任意波形/函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器的功能。2.1.3 按信號(hào)發(fā)生器的性能分類按信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)，又可分為一般信號(hào)發(fā)生器和標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器。前者是指對(duì)其輸出信號(hào)的頻率、幅度的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度及波形失真等要求不高的一類發(fā)生器；后者是指輸出信號(hào)的頻率、幅度、調(diào)制系數(shù)等在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，并且讀數(shù)準(zhǔn)確、穩(wěn)定，屏蔽性良好的中、高檔信號(hào)發(fā)生器。還有其他一些分類方法，例如，按照調(diào)節(jié)方式，可分為普通信號(hào)發(fā)生器、掃頻信號(hào)發(fā)生器和程控信號(hào)發(fā)生器；按照使用范圍，可分為通用信號(hào)發(fā)生器和專用信號(hào)發(fā)生器(如調(diào)頻立體聲信號(hào)發(fā)生器、電視信號(hào)發(fā)生器及矢量信號(hào)發(fā)生器等)；按照頻率產(chǎn)生方法又可分為諧振信號(hào)發(fā)生器、鎖相信號(hào)發(fā)生器及合成信號(hào)發(fā)生器等。上面所述僅是常用的幾種分類方式，而且是大致的分類。2.2 低頻信號(hào)發(fā)生器的方案設(shè)計(jì)根據(jù)論文題目是要求合適的單片機(jī)設(shè)計(jì)一個(gè)低頻信號(hào)發(fā)生器。通過查閱資料發(fā)現(xiàn)其制作方法有很多種，不同的制作方案各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。在此，我對(duì)其中三種方案進(jìn)行一些初步比較。2.2.1 方案一rc橋式振蕩器是采用rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的一種正弦波振蕩器。該信號(hào)發(fā)生器由放大電路和選頻網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。放大電路由集成運(yùn)放組成電壓串聯(lián)負(fù)反饋放大，有高輸入阻抗和低輸出阻抗的特點(diǎn)。電路集成運(yùn)放設(shè)計(jì)rc橋式正弦波振蕩器產(chǎn)生頻率與幅值可以達(dá)到一定要求的正弦波。再將產(chǎn)生的正弦波作為輸入信號(hào)經(jīng)過一個(gè)波形變換電路產(chǎn)生方波，在將方波經(jīng)積分電路轉(zhuǎn)換成三角波6。其總體的結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示。rc橋式振蕩器是采用rc串并聯(lián)選頻網(wǎng)絡(luò)的一種正弦波振蕩器。雖然具有較好的正弦波形且頻率調(diào)節(jié)范圍寬，但是此方案rc橋式正弦波振蕩器的設(shè)計(jì)中，起振后若只依靠晶體管的非線性來穩(wěn)幅，波形頂部容易失真。所以這種信號(hào)發(fā)生器的振蕩具有起振要求嚴(yán)，容易產(chǎn)生失真，穩(wěn)幅效果差等缺點(diǎn)。圖2-1 利用運(yùn)放設(shè)計(jì)成信號(hào)發(fā)生器的總結(jié)構(gòu)框圖2.2.2 方案二采用集成芯片(icl8038)外接電路產(chǎn)生，icl8038是精密波形產(chǎn)生與壓控振蕩器，其基本特性為：可同時(shí)產(chǎn)生和輸出正弦波、三角波、鋸齒波、方波與脈沖波等波形；外接電阻、電容值可改變，輸出信號(hào)的頻率范圍可為0.001hz300khz；其構(gòu)成的主要原理框圖如圖2-2所示。此方案的特點(diǎn)是外接電路設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單、易制作等，但是產(chǎn)生的方波時(shí)有一定的延時(shí)，導(dǎo)致輸出的波形有一定的失真。圖2-2 利用icl8038產(chǎn)生波形主要原理框圖102.2.3 方案三利用at89c51單片機(jī)控制的信號(hào)發(fā)生器，可輸出電壓范圍為05v，頻率范圍為11000hz的矩形波、三角波和正弦波三種波形信號(hào),其頻率可通過鍵盤增大或減小，還可以用鍵盤控制數(shù)碼管顯示波形頻率。本系統(tǒng)輸出的各種信號(hào),均由軟件程序產(chǎn)生各種數(shù)據(jù)，再經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換后輸出,通過i/v轉(zhuǎn)換電路得到三角波和正弦波等信號(hào)，其主要原理框圖如圖2-3所示。由于利用本方案制作的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器具有容易制作，能方便調(diào)節(jié)的特點(diǎn)，所以本次設(shè)計(jì)我采用的是方案三，利用at89c51和dac0832制作一個(gè)低頻信號(hào)發(fā)生器。圖2-3 系統(tǒng)原理圖2.3 基于at89c51信號(hào)發(fā)生器的方案設(shè)計(jì)及原理本系統(tǒng)是基于at89c51單片機(jī)控制的信號(hào)發(fā)生器，可輸出電壓范圍為05v，頻率為11000hz的方波、三角波和正弦波三種波形信號(hào),其頻率可通過鍵盤調(diào)節(jié)。本系統(tǒng)輸出的信號(hào)，均由軟件產(chǎn)生數(shù)據(jù)，經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后輸出，再通過i/v轉(zhuǎn)換電路得到正弦波信號(hào)，保證了波形的平滑、穩(wěn)定和精度?？蓾M足精度誤差要求達(dá)到5%的多種低頻信號(hào)源的使用場(chǎng)所。2.3.1 信號(hào)發(fā)生器的硬件電路設(shè)計(jì)方案本次設(shè)計(jì)主要是以at89c51和dac0832為核心，通過軟硬件結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)波形輸出和頻率顯示的目的。本系統(tǒng)的硬件部分有時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，顯示電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換電路。時(shí)鐘是單片機(jī)的心臟，單片機(jī)各功能部件的運(yùn)行都是以時(shí)鐘頻率為基準(zhǔn)，有條不紊地一拍一拍的工作。因此，時(shí)鐘頻率直接影響單片機(jī)的速度，時(shí)鐘電路的質(zhì)量也直接影響單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。時(shí)鐘電路用于產(chǎn)生單片機(jī)工作時(shí)所必需的時(shí)鐘信號(hào)。at89c51單片機(jī)本身就是一個(gè)復(fù)雜的同步時(shí)序電路，為保證同步工作方式的實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)應(yīng)在唯一的時(shí)鐘信號(hào)控制下，嚴(yán)格地按時(shí)序執(zhí)行指令進(jìn)行工作，而時(shí)序所研究的是指令執(zhí)行過程中各個(gè)信號(hào)的關(guān)系。時(shí)鐘電路是為單片機(jī)提供精確定時(shí)的電路，在本設(shè)計(jì)中用于計(jì)時(shí)、中斷源、鍵盤去抖動(dòng)等等。單片機(jī)必須進(jìn)行復(fù)位，是因?yàn)閱纹瑱C(jī)內(nèi)的cpu“取指”過程即為cpu從pc指針?biāo)付ǖ某绦虼鎯?chǔ)器rom地址單元中讀取“機(jī)器碼”的過程。單片機(jī)加電后，pc指針應(yīng)指向rom中某個(gè)固定的單元，當(dāng)然，程序開始的第一條指令也應(yīng)放在rom的這一地址單元內(nèi)，這樣整個(gè)程序才能有序地執(zhí)行。這個(gè)單元就是rom的0000h單元。只有上電復(fù)位正常后，pc值為0000h，即指向rom的0000h單元。此外，專用寄存器sfr中的sp為07h，即指向片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(片內(nèi)ram)07h單元,p0p3值為0ffh，其余的專用寄存器值大多為00h7。本文中的顯示器用的是4位led顯示器，四位led顯示器有4根位選線和32根段選線。根據(jù)顯示方式的不同，位選線和段選線的連接方法也各不相同。段選線控制顯示字符的字型，而位選線為各個(gè)led顯示塊的公共端，它控制該led顯示位的亮暗。led顯示器有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種顯示方式。本次設(shè)計(jì)我采用的是動(dòng)態(tài)顯示模式，因?yàn)椴捎脛?dòng)態(tài)顯示方式比較節(jié)省i/o口，硬件電路也較靜態(tài)顯示方式簡(jiǎn)單。d/a轉(zhuǎn)換器(dac)將微機(jī)處理后的數(shù)字量轉(zhuǎn)換成為模擬量(電壓或電流)。d/a轉(zhuǎn)換的基本原理是數(shù)字量由代碼按數(shù)值組合起來表示的。欲將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成模擬量，必須先把每一位代碼按其權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬分量，然后將數(shù)字量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬分量，然后將各模擬分量相加，其總和就是與數(shù)字量相應(yīng)的模擬量。按這個(gè)d/a轉(zhuǎn)換原理構(gòu)成的轉(zhuǎn)換器，主要由電阻網(wǎng)絡(luò)，電子開關(guān)和基準(zhǔn)電壓組成。電阻網(wǎng)絡(luò)通常有兩種形式：權(quán)電阻解碼網(wǎng)絡(luò)和r-2r梯形解碼網(wǎng)絡(luò)。dac集成電路大都采用r-2r梯形解碼網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)中用到的dac0832就是r-2r梯形解碼網(wǎng)絡(luò)。輸入的二進(jìn)制數(shù)字量通過邏輯電路控制電子開關(guān)。當(dāng)輸入的數(shù)字量不同時(shí)，通過電子開關(guān)使電阻網(wǎng)絡(luò)中的不同電阻和基準(zhǔn)電壓接通，在運(yùn)算放大器的輸入端產(chǎn)生和二進(jìn)制數(shù)各位的權(quán)成比例的電流，再經(jīng)放大器將電流轉(zhuǎn)換為與輸入二進(jìn)制數(shù)成正比的輸出電壓?；鶞?zhǔn)電壓是提供給轉(zhuǎn)換電路的穩(wěn)定的電壓源，也稱為參考電壓。整個(gè)電路由若干個(gè)相同的電路環(huán)節(jié)組成。每個(gè)環(huán)節(jié)有兩個(gè)電阻和一個(gè)開關(guān)。開關(guān)s是按二進(jìn)制位進(jìn)行控制的。該位為1時(shí)，開關(guān)將加權(quán)電阻與輸出端接通產(chǎn)生電流；該位為0時(shí)，開關(guān)與端接通。2.3.2 信號(hào)發(fā)生器的軟件電路設(shè)計(jì)方案本系統(tǒng)的資源分配。采用定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0定時(shí)器：定時(shí)器0用作時(shí)鐘定時(shí)，按方式1工作。p1.0p1.3為鍵盤輸入端，p0口用作段控口線，p2口用作位控口線，p3口用做第二功能，采用了定時(shí)/計(jì)數(shù)器t0中斷。本系統(tǒng)利用at89c51單片機(jī)的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，中斷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)是時(shí)鐘計(jì)數(shù)，把定時(shí)器0設(shè)為工作方式1，定時(shí)時(shí)間可調(diào)。使用定時(shí)/計(jì)數(shù)器0，fosc=12mhz。則時(shí)間t頻率f 波形發(fā)生器的頻率在四位位數(shù)碼管上進(jìn)行顯示，因此，在內(nèi)部ram中設(shè)置顯示緩沖區(qū)共4個(gè)單元。led3 led2 led1 led07bh 7ah 79h 78h顯示緩沖區(qū)從左至右依次存放數(shù)值。波形發(fā)生器的頻率設(shè)置4個(gè)按鍵通過程序控制來完成波形發(fā)生器的頻率調(diào)制和控制輸出的波形：k1鍵控制波形發(fā)生器發(fā)出的波形；k2增大頻率；k3減少頻率；k4顯示頻率。正弦波的產(chǎn)生采用查表法，單片機(jī)的i/o輸出均為+5v的ttl電平，因此產(chǎn)生的正弦波幅值為+5v。將一個(gè)周期內(nèi)的正弦波形等分為n份，那么第1點(diǎn)的角度為0,對(duì)應(yīng)的正弦值為5sin0；第2點(diǎn)的角度為360/n,對(duì)應(yīng)的正弦值為5sin(360/n),如此計(jì)算下去,將這些模擬量正弦值都轉(zhuǎn)換為單極性方式下的數(shù)字量，得到一張按照點(diǎn)號(hào)順序排列的數(shù)字量正弦值表格。2.4 本章小結(jié)本章中介紹了信號(hào)發(fā)生器的分類，對(duì)幾種能產(chǎn)生低頻信號(hào)的發(fā)生器系統(tǒng)做了簡(jiǎn)要的論述和分析，從中確定本次設(shè)計(jì)方案。最后對(duì)本文中設(shè)計(jì)的基于at89c51單片機(jī)控制的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行了介紹。第3章 信號(hào)發(fā)生器的硬件部分3.1 主要器件3.1.1 單片機(jī)芯片at89c51at89c51是美國(guó)atmel公司生產(chǎn)的低電壓、高性能cmos 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4kb的可反復(fù)擦寫的程序儲(chǔ)存器和128kb的隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(ram)，器件采用atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)mcs-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)配置通用8位中央處理器(cpu)和flash儲(chǔ)存單元，功能強(qiáng)大的at89c51單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各個(gè)控制領(lǐng)域。at89c51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4kb的flash閃存存儲(chǔ)器，128b內(nèi)部ram，32個(gè)i/o接口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，at89c51可降至0hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電模式?？臻e方式停止cpu的工作，但允許ram、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存ram中的內(nèi)容，振蕩器這時(shí)也停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。at89c51的引腳排列見圖3-1。圖3-1 at89c51引腳圖(1)vcc：電源電壓(2)gnd：接地(3)rst：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。(4)/vpp：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器(0000h-ffffh)，不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在flash編程期間，此引腳也用于施加12v編程電源(vpp)。(5)xtal1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。(6)xtal2：來自反向振蕩器的輸出。(7)p0口：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向i/o口，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每腳可吸收8ttl門電流。當(dāng)p0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。p0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在fiash編程時(shí)，p0 口作為原碼輸入口，當(dāng)fiash進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，p0輸出原碼，此時(shí)p0外部必須被拉高。(8)p1口：p1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向i/o口，p1口緩沖器能吸收或輸出4ttl門電流。p1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在flash編程和校驗(yàn)時(shí)，p1口作為第八位地址接收。(9)p2口：p2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向i/o口，p2口緩沖器可吸收或輸出4個(gè)ttl門電流，當(dāng)p2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，p2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。p2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，p2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，p2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。p2口在flash編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。(10)p3口：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可吸收或輸出4個(gè)ttl門電流。當(dāng)p3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流(ill)這是由于上拉的緣故。p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表3-1所示：表3-1 p3口的第二功能口線第二功能信號(hào)名稱p3.0rxd串行數(shù)據(jù)接收p3.1txd串行數(shù)據(jù)發(fā)送p3.2外部中斷0申請(qǐng)p3.3外部中斷1申請(qǐng)p3.4t0定時(shí)器/計(jì)數(shù)器0計(jì)數(shù)輸入p3.5t1定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1計(jì)數(shù)輸入p3.6外部ram寫選通p3.7外部ram讀選通(11)ale/：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在flash編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。平時(shí)，ale端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ale脈沖。如想禁止ale的輸出可在sfr8eh地址上置0。此時(shí)，ale只有在執(zhí)行movx，movc指令是ale才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無效。(12)：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)8。在本設(shè)計(jì)中所用到的引腳有vcc，gnd，rst，xtal1，xtal2，p0口，p1口，p2口，p3口。本系統(tǒng)采用12mhz晶振；p0口為單片機(jī)與數(shù)碼管顯示器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac0832的通信數(shù)據(jù)端口，其中p0口有8個(gè)1k的上拉電阻；at89c51單片機(jī)的復(fù)位靠外部電路來實(shí)現(xiàn)，信號(hào)由reset(rst)引腳輸入，高電平有效，在振蕩器工作時(shí)，只要保持reset(rst)引腳高電平兩個(gè)機(jī)器周期，單片機(jī)即可以復(fù)位，系統(tǒng)既有上電復(fù)位電路又可以手動(dòng)復(fù)位k5；p2.0p2.3為數(shù)碼顯示管的位選控制信號(hào)端口：p3.6為數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac0832的片選控制端口；p1.0p1.3為按鍵模塊的接口，分別實(shí)現(xiàn)選擇要輸出的波形，增大或減小頻率，使數(shù)碼管顯示當(dāng)前波形的頻率。3.1.2 數(shù)模轉(zhuǎn)換器dac0832dac芯片的性能主要用分辨率(位數(shù))、轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換精度等參數(shù)反映；dac芯片有多種類型。按dac的性能分，有通用、高速和高精度等轉(zhuǎn)換器；按內(nèi)部結(jié)構(gòu)分，有不包含數(shù)據(jù)寄存器的，也有含數(shù)據(jù)寄存器的；又有電流輸出型和電壓輸出型。dac0832是一種典型的8位、電流輸出型、通用dac芯片，其中d/a轉(zhuǎn)換器采用梯形電阻網(wǎng)絡(luò)。dac0832內(nèi)部具有輸入寄存器和dac寄存器兩級(jí)數(shù)字量緩沖寄存器，可以方便地與微處理機(jī)接口。其中di0di7是8位數(shù)字量輸入引腳，ile、和控制輸入寄存器的鎖存信號(hào)le1，和控制dac寄存器的鎖存信號(hào)le2。數(shù)字量進(jìn)入dac寄存器的同時(shí)，d/a轉(zhuǎn)換器就開始數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換工作。數(shù)字量不變，模擬輸出量也不變9。dac0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3-2。圖3-2 dac0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)當(dāng)ile為高、和為低時(shí)，ile為高，輸入寄存器處于直通狀態(tài)，數(shù)字輸出隨數(shù)字輸入變化；否則，將輸入數(shù)據(jù)鎖存在dac寄存器中。于是，dac0832形成3種工作方式：(1) 直通方式：將wr1，wr2，xfer，cs接地，ile接高電平 ,就能使得兩個(gè)寄存器的輸出跟隨輸入的數(shù)字量變化，dac0832的輸出也同時(shí)跟隨變化。直通方式常用于連續(xù)反饋控制的環(huán)路中。(2) 單緩沖方式：?jiǎn)尉彌_方式就是將其中一個(gè)寄存器工作在直通狀態(tài)，另一個(gè)處于受控的鎖存器狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖有幾路模擬量但并不要求同步輸出，就可采用單緩沖方式。(3) 雙緩沖方式：所謂雙緩沖方式就是將兩個(gè)寄存器都處于受控的鎖存方式。為了實(shí)現(xiàn)兩個(gè)寄存器的可控，應(yīng)當(dāng)給它們各分配一個(gè)端口地址，以便能按照端口地址進(jìn)行操作。d/a轉(zhuǎn)換采用兩步寫操作來完成?？稍赿ac0832轉(zhuǎn)換輸出前一個(gè)數(shù)據(jù)的同時(shí)，將下一個(gè)數(shù)據(jù)傳送到輸入寄存器，以提高d/a轉(zhuǎn)換速度。還可用于多路數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)多路模擬信號(hào)同步輸出的目的。dac0832的引腳圖見圖3-3。圖3-3 dac0832引腳圖本系統(tǒng)中只有一路模擬量輸出，所以采用的是單緩沖方式dac0832的模擬電流輸出有、，還有電源和地信號(hào)引腳。模擬電流輸出1，它是邏輯電平為1的各位輸出電流之和。當(dāng)輸入數(shù)字全為“1”時(shí)，其值最大，為(255/256)(/)；當(dāng)輸入數(shù)字全為“0”時(shí)，其值最小為0。模擬電流輸出2，它是邏輯電平為0的各位輸出電流值和。反饋電阻引出端。反饋電阻被制作在芯片內(nèi)，用作外接運(yùn)算放大器的反饋電阻，為d/a轉(zhuǎn)換器提供電壓輸出，該電阻與內(nèi)部r-2r電阻網(wǎng)絡(luò)相匹配。參考電壓輸入端。范圍為+10v10v。電源電壓，為+5v+15v。agnd模擬地，芯片模擬電路接地點(diǎn)。dgnd數(shù)字地，芯片數(shù)字電路接地點(diǎn)。3.1.3 lm324的結(jié)構(gòu)與功能lm324為四運(yùn)放集成電路。內(nèi)部有四個(gè)運(yùn)算放大器，有相位補(bǔ)償電路。電路功耗很小，它的輸入電壓可低到地電位，而輸出電壓范圍為0vcc。它的內(nèi)部包含四組形式完全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互單獨(dú)。每一組運(yùn)算放大器可用如圖所示的符號(hào)來表示，它有5個(gè)引出腳，其中“”、“”為兩個(gè)信號(hào)輸入端，“v+”、“v”為正、負(fù)電源端，“vo”為輸出端。兩個(gè)信號(hào)輸入端中，vi()為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的相位相反；vi+(+)為同相輸入端，表示運(yùn)放輸出端vo的信號(hào)與該輸入端的相位相同。lm324四運(yùn)放電路具有電源電壓范圍寬，靜態(tài)功耗小，可單電源使用，價(jià)格低廉等特點(diǎn)。圖3-4為lm324的引腳圖圖3-4 lm324引腳圖3.2 單元電路設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的電路由時(shí)鐘電路，復(fù)位電路，電源電路，鍵盤接口電路，數(shù)碼管顯示接口電路，d/a轉(zhuǎn)換電路，i/v轉(zhuǎn)換電路。3.2.1時(shí)鐘電路單片機(jī)時(shí)鐘信號(hào)的產(chǎn)生，是因單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)高增益反相放大器，其輸入端為芯片引腳xtal1，其輸出端為引腳xtal2，而在芯片的外部，xtal1和xtal2之間跨接晶體振蕩器和微調(diào)電容，從而構(gòu)成一個(gè)穩(wěn)定的自激振蕩器。只要在單片機(jī)的xtal1和xtal2引腳外接晶體振蕩器就構(gòu)成了自激振蕩器并在單片機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生時(shí)鐘脈沖信號(hào)。電容器c1和c2的作用是穩(wěn)定頻率和快速起振，電容值在530pf,典型值為30pf。外部信號(hào)要求為高電平的持續(xù)時(shí)間大于20ns，且為頻率低于12mhz的方波。接入晶振時(shí)，還要接入兩個(gè)2030pf的瓷片電容c1，c2,晶振頻率因單片機(jī)工作速度而異。石英晶振起振后，xtal2(18)腳有一個(gè)3v左右的正弦波。c1，c2短路、晶振不良，at89c51(18)，(19)腳內(nèi)部反相器會(huì)損壞。vcc電源未加上等故障可能造成晶振不起振，使單片機(jī)無法工作。當(dāng)采用外部振蕩器時(shí)信號(hào)接入(19)腳，(18)腳懸浮。振蕩器的12分頻為一個(gè)機(jī)器周期，當(dāng)外接12mhz晶振時(shí)，一個(gè)機(jī)器周期為1s。晶振頻率高，則系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率也高，單片機(jī)的運(yùn)行速度也快。本次設(shè)計(jì)采用的頻率是12mhz。時(shí)鐘電路主要是由兩個(gè)容量值小的電容和一個(gè)頻率很高的晶振構(gòu)成。主要的參數(shù)在圖3-4中可以看出。時(shí)鐘電路主要是對(duì)單片機(jī)提供工作頻率。圖3-5 時(shí)鐘電路3.2.2復(fù)位電路單片機(jī)復(fù)位電路有兩種:上電復(fù)位和按鍵復(fù)位，無論是采用哪種都能達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。本次我采用的是按鍵復(fù)位，電路如圖3-6。單片機(jī)復(fù)位是使cpu和系統(tǒng)中的其它的功能部件都處在初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。復(fù)位的方法:當(dāng)振蕩器正常工作時(shí)，rst(9)腳上出現(xiàn)的兩個(gè)機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)有效復(fù)位?？紤]到振蕩器有一定的起振時(shí)間，該引腳必須保持10ms以上高電平，才能有效復(fù)位10。注意:復(fù)位信號(hào)為2個(gè)以上機(jī)器周期的高電平，單片機(jī)復(fù)位后正常工作時(shí)應(yīng)該為低電平，如果未加復(fù)位電平或復(fù)位后復(fù)位電平仍未撤除，則單片機(jī)不能正常工作。此時(shí)，可檢查rst電壓及相關(guān)器件。圖3-6 按鍵復(fù)位電路3.2.3 電源電路單片機(jī)要工作，當(dāng)然須要電源，電源的穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因此，此部分的設(shè)計(jì)也是非常重要的。單片機(jī)的工作電壓為+5v的直流電壓，在此部分的設(shè)計(jì)上本次設(shè)計(jì)的電源部分采用220v的交流電源經(jīng)降壓，整流，穩(wěn)壓電路以后作為整個(gè)系統(tǒng)的電源。如圖3-7所示。電源模塊設(shè)計(jì)的質(zhì)量直接關(guān)系到單片機(jī)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此電路將220v電壓經(jīng)過電源變壓器、二極管全波整流、電容濾波、lm7805穩(wěn)壓輸出穩(wěn)定的5v直流電壓為整個(gè)電路提供電源。220v交流電經(jīng)過電源變壓器換成交流低壓，在經(jīng)過四個(gè)二極管組成的橋式整流電路整流，電容c1和c2分別用于輸入端和輸出端的濾波電容，電容c3和c4用于防止自激，lm7805將經(jīng)過整流濾波的電壓穩(wěn)定在5v輸出。圖3-7 電源電路3.2.4 數(shù)碼管顯示接口電路數(shù)碼管顯示方式有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種方式。所謂靜態(tài)顯示，是指顯示器顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)段的發(fā)光二極管恒定地導(dǎo)通或截止。這種顯示方式的各位數(shù)碼管相互獨(dú)立，公共端恒定接地(共陰極)或接正電源(共陽極)。這種顯示方法每一位都需要有一個(gè)8位輸出段控控制。靜態(tài)顯示時(shí)，并行輸出顯示位數(shù)越多需要i/o口也越多。所謂動(dòng)態(tài)顯示，就是一位一位地輪流點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，這種逐位點(diǎn)亮顯示器的方式稱為位掃描。動(dòng)態(tài)顯示方式比較節(jié)省i/o口，硬件電路也較靜態(tài)顯示方式簡(jiǎn)單。本次設(shè)計(jì)采用的是動(dòng)態(tài)顯示，由于只要顯示4位數(shù)字，因而采用七段數(shù)碼管做顯示器。led顯示器有共陰極與共陽極兩種結(jié)構(gòu)，本次設(shè)計(jì)采用共陽極四位一體led顯示塊，驅(qū)動(dòng)共陽極led的驅(qū)動(dòng)電流一般較大，如果該電流與led器件的正常工作電流近似，那么可以直接驅(qū)動(dòng)led，如果驅(qū)動(dòng)電流比led正常電路大許多，那么兩者之間要加限流電阻，其結(jié)構(gòu)如圖3-8所示。四位一體數(shù)碼管四個(gè)數(shù)碼管的段控碼內(nèi)部是相串連的，但是它們的位控碼是獨(dú)立的，當(dāng)某個(gè)數(shù)碼管的位控端為高電平時(shí)該數(shù)碼管就點(diǎn)亮。動(dòng)態(tài)方式顯示時(shí)，各數(shù)碼管分時(shí)輪流選通，要使其穩(wěn)定顯示