函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn).doc

摘 要信號發(fā)生器是科研、教學(xué)實驗及各種電子測量技術(shù)中很重要的一種信號源，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對信號源的要求也越來越高，要求信號源的頻率穩(wěn)定度、準確度及分辨率要高、以適應(yīng)各種高精度的測量，為了滿足這種高的要求，各國都在研制一些頻率合成信號源，這種信號源一般都是由一個高穩(wěn)定度和高準確度的標準參考頻率源，采用鎖相技術(shù)產(chǎn)生千百萬個具有同一穩(wěn)定度和準確度的頻率信號源，為了達到高的分辨率往往要采用多個鎖相環(huán)和小數(shù)分頻技術(shù)，因此使電路復(fù)雜、設(shè)備體積圈套、成本較高，傳統(tǒng)的頻率合成器由于采用倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，使頻率合成技術(shù)（DDS），與傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)相比，DDS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、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。本文介紹一種以AT89S52、AD9850和8279為核心器件的DDS正弦信號發(fā)生器。AD9850是一款專業(yè)極的正弦信號產(chǎn)生器件。它的特點正如上文所述的，電路整體結(jié)構(gòu)簡單，輸出信號波形好，控制簡單，而且易于實現(xiàn)程控。AT89S52和8279將在正文部分仔細的說明。本次因為是畢業(yè)設(shè)計，我也首次采用12864LCD作顯示器件。采用12864作顯示器件的好處是可以顯示漢字。關(guān)鍵詞：單片機，電壓A/D轉(zhuǎn)換，C語言Title Function signal generators design and Realization AbstractSignal generator is a research, teaching experiments and a variety of electronic measurement technology is very important as a signal source, with the rapid development of science and technology, demands on the signal source more and more require the signal source frequency stability, higher accuracy and resolution to suit a variety of high-precision measurements, in order to meet this high demand, all countries in the development of a number of frequency synthesized signal source, such sources are normally a high stability and high accuracy degree of standard reference frequency source, using phase-locked with the same technologies used to produce millions of a degree of stability and accurate frequency signal source, in order to achieve high resolution and often using multiple phase-locked loop fractional-N technology, divider, mixer and filter links, so that frequency synthesis (DDS), and compared to the conventional frequency synthesis, DDS has a frequency resolution high frequency changes in speed, the output phase continuous, low phase noise, programmable and fully digital, easy integration and other advantages, become a modern leader in synthesizer technology, get more and more widely used, a large number of electronic systems an indispensable component. This article describes a kind of AT89S52, AD9850 and 8279 as the core component of the DDS sine wave generator. AD9850 is a highly professional sine signal generation device. It features, as described above, the circuit structure is simple, the output signal waveform is good, control is simple and easy to implement program-controlled. AT89S52 and 8279 will be detailed in the body of the note. This is because a graduation project, I was first introduced 12864LCD for display devices. 12864 for use of the benefits of display device can display Chinese characters. Keywords： DDS, MCU, AD9850, LCD, C language目錄1. 前言11.1 本課題的研究現(xiàn)狀11.2 選題目的及意義21.3發(fā)展函數(shù)信號發(fā)生器的意義32. 函數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計52.1 設(shè)計方案的比較52.2 系統(tǒng)模塊設(shè)計52.2.1 控制模塊62.2.2 按鍵及其顯示模塊62.2.3 波形產(chǎn)生模塊62.2.4 D/A轉(zhuǎn)換72.3 系統(tǒng)總體框圖93. 系統(tǒng)硬件設(shè)計103.1 基本原理103.2 單片機介紹103.3 各部分電路原理153.3.1 DAC0832芯片原理153.3.2 NE5532介紹183.3.3 三端穩(wěn)壓集成電路7805概述183.3.4 應(yīng)用電路194. 系統(tǒng)軟件設(shè)計214.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案214.2 系統(tǒng)軟件流程圖224.3 信號產(chǎn)生程序244.3.1 正弦波產(chǎn)生244.3.2 三角波產(chǎn)生254.3.3 方波產(chǎn)生264.3.4 鋸齒波的產(chǎn)生275. 調(diào)試跟測試結(jié)果295.1 系統(tǒng)功能測試295.1.1 硬件的調(diào)試295.1.2 軟件的調(diào)試295.2 測試的仿真波形306. 結(jié)論32謝 辭34參考文獻35附錄36附錄1路原理圖36附錄2 PCB圖37 附錄3 程序清單37附錄3 程序清單381. 前言函數(shù)發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形,如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。在通信、廣播、電視系統(tǒng)，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi)，函數(shù)信號發(fā)生器在實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。1.1 本課題的研究現(xiàn)狀函數(shù)發(fā)生器既可以構(gòu)成獨立的信號源，也可以是高性能網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻譜儀及其它自動測試設(shè)備的組成部分。函數(shù)發(fā)生器的關(guān)鍵技術(shù)是多種高性能儀器的支撐技術(shù)，因為它能夠提供高質(zhì)量的精密信號源及掃頻源，可使相應(yīng)系統(tǒng)的檢測過程大大簡化，降低檢測費用并極大地提高檢測精度。美國安捷倫生產(chǎn)的33250A型函數(shù)/任意波形發(fā)生器可以產(chǎn)生穩(wěn)定、精確和低失真的任意波形，其輸出頻率范圍為1Hz80MHz，而輸出幅度為10mVpp10Vpp；該公司生產(chǎn)的8648D射頻信號發(fā)生器的頻率覆蓋范圍更可高達9kHz4GHz。國產(chǎn)SG1060數(shù)字合成信號發(fā)生器能雙通道同時輸出高分辨率、高精度、高可靠性的各種波形，頻率覆蓋范圍為1Hz60MHz；國產(chǎn)S1000型數(shù)字合成掃頻信號發(fā)生器通過采用新技術(shù)、新器件實現(xiàn)高精度、寬頻帶的掃頻源，同時應(yīng)用DDS和鎖相技術(shù)，使頻率范圍從1MHz1024MHz能精確地分辨到100Hz，它既是一臺高精度的掃頻源，同時也是一臺高精度的標準信號發(fā)生器。還有很多其它類型的信號發(fā)生器，他們各有各的優(yōu)點，但是函數(shù)發(fā)生器總的趨勢將向著寬頻率覆蓋、高頻率精度、多功能、多用途、自動化和智能化方向發(fā)展。目前，市場上的信號發(fā)生器多種多樣，一般按頻帶分為以下幾種：超高頻：頻率范圍1MHz以上，可達幾十兆赫茲。高頻：幾百KHZ到幾MHZ。低頻：頻率范圍為幾十HZ到幾百KHZ。超低頻：頻率范圍為零點幾赫茲到幾百赫茲。超高頻信號發(fā)生器，產(chǎn)生波形一般用LC振蕩電路。高頻、低頻和超低頻信號發(fā)生器，大多使用文氏橋振蕩電路，即RC振蕩電路，通過改變電容和電阻值，改變頻率。用以上原理設(shè)計的信號發(fā)生器，其輸出波形一般只有兩種，即正弦波和脈沖波，其零點不可調(diào)，而且價格也比較貴，一般在幾百元左右。在實際應(yīng)用中，超低頻波和高頻波一般是不用的，一般用中頻，即幾十HZ到幾十KHZ。用單片機89S52,加上一片DAC0832,就可以做成一個簡單的信號發(fā)生器，其頻率受單片機運行的程序的控制。再在DAC0808輸出端加上一些電壓變換電路，就完成了一個頻率、幅值、零點均可調(diào)的多功能信號發(fā)生器的設(shè)計。這樣的機器體積小，價格便宜，耗電少，頻率適中，便于攜帶。1.2 選題目的及意義函數(shù)發(fā)生器是一種經(jīng)常使用的設(shè)備，由純粹物理器件構(gòu)成的傳統(tǒng)的設(shè)計方法存在許多弊端，如：體積較大、重量較沉、移動不夠方便、信號失真較大、波形種類過于單一、波形形狀調(diào)節(jié)過于死板，無法滿足用戶對精度、便攜性、穩(wěn)定性等的要求，研究設(shè)計出一種具有頻率穩(wěn)定、準確、波形質(zhì)量好、輸出頻率范圍寬、便攜性好等特點的波形發(fā)生器具有較好的市場前景，以滿足軍事和民用領(lǐng)域?qū)π盘栐吹囊?。本次設(shè)計的主要目標是學(xué)習(xí)和運用單片機的C語言和匯編語言，通過現(xiàn)有多功能電子學(xué)習(xí)機部分已有器件，實現(xiàn)利用單片機AT89C52和8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832共同實現(xiàn)正弦波，方波，三角波，鋸齒波這四種常見波形的發(fā)生，并且可以接收外接鍵盤輸入而在一定范圍內(nèi)改變頻率。 在無標準函數(shù)發(fā)生儀器時，本設(shè)計可以作為簡單的函數(shù)發(fā)生器使用。本次設(shè)計準備在成本交低廉的前提下完成，使用的都是該學(xué)習(xí)機上器件，主要是用單片機AT89C52， DAC0832，性能指數(shù)都不是很高，所以對此信號源的基本要求是能發(fā)生幾種常見的波形，正弦波，方波，三角波，鋸齒波，并且能夠在一定的范圍內(nèi)改變頻率。通過該課題的設(shè)計掌握以AT89C52為核心的單片機系統(tǒng)的軟硬件開發(fā)過程和基本信號的產(chǎn)生原理、測量及誤差分析方法，同時掌握函數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)的設(shè)計流程；培養(yǎng)我們綜合運用所學(xué)的基本知識、基本理論和基本技能的能力，學(xué)習(xí)解決一般工程技術(shù)和有關(guān)專業(yè)問題的能力，學(xué)習(xí)工程設(shè)計和科學(xué)研究的基本方法，完成對所學(xué)知識的綜合訓(xùn)練。1.3 發(fā)展函數(shù)信號發(fā)生器的意義當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會，電子技術(shù)的進步，給人們帶來了根本性的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)代電子領(lǐng)域中，單片機的應(yīng)用正在不斷的走向深入，這必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測技術(shù)的日益革新。單片機構(gòu)成的儀器具有高可靠性、高性能價格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動化等諸多領(lǐng)域得以極為廣泛的應(yīng)用，并走入家庭，從洗衣機、微波爐到音響汽車，處處可見其應(yīng)用。因此，單片機技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個國家工業(yè)發(fā)展水平的標志之一。一塊單片機芯片就是一臺計算機。由于單片機的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，它承擔(dān)了大中型計算機和通用微型計算機無法完成的一些工作。使其具有很多顯著的優(yōu)點和特點，因此在各個領(lǐng)域中都得到了迅猛的發(fā)展。單片機的特點歸納起來有以下幾個方面。1) 具有優(yōu)異的性能價格比單片機盡可能地把應(yīng)用所需的存儲器,各種功能的I/O 接口集成在一塊芯片內(nèi),因而其性能很高,而價格卻相對較低廉,即性能價格比很高。2) 集成度高、體積小、可靠性高單片機把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路。又內(nèi)部采用總線結(jié)構(gòu)，減少了芯片之間的連線，這大大提高了單片機的可靠性與抗干擾能力。同時，其體積小，對于強磁場環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。3) 控制功能強單片機體積雖小，但“五臟俱全”，它非常適用于專門的控制用途。為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令，I/O口的邏輯操作指令以及位操作指令。其邏輯控制功能及運行速度均高于同一檔次的微機。4) 低電壓、低功耗單片機大量用于攜帶式產(chǎn)品和家用消費類產(chǎn)品，低電壓和低功耗尤為重要。目前，許多單片機已可在2.2V電壓下運行,有的已能在1.2V或0.9V下工作，功耗降至A級,一粒鈕扣電池就可長期使用。利用單片機采用程序設(shè)計方法來產(chǎn)生低頻信號，其下限頻率很低。具有線路相對簡單，結(jié)構(gòu)緊湊，價格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強，用途廣泛等優(yōu)點，并且能夠?qū)Σㄐ芜M行細微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級。這里介紹一種采用AT89S52單片機和一片DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器做成的數(shù)字式低頻信號發(fā)生器，它的特點是價格低、性能高，在低頻范圍穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少等。信號發(fā)生器與其它相比還具有如下優(yōu)點：較分立元件信號發(fā)生器而言，具有頻率高，工作穩(wěn)定，容易調(diào)試等特性；較專用DDS芯片的信號發(fā)生器而言，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低等特性。2. 函數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計2.1設(shè)計方案的比較函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計方案可用多種方案來完成。在設(shè)計前對各種方案進行了比較：方案一：用差分放大電路實現(xiàn)三角波到正弦波以及集成運放組成的電路實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器。波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，傳輸特性曲線越對稱，線性區(qū)域越窄越好;三角波的幅度應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。方案二：用二極管折線近似電路以及集成運放組成的電路實現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)二極管折線近似電路實現(xiàn)三角波正弦波的變換頻率調(diào)節(jié)部分設(shè)計時，可先按三個頻率段給定三個電容值：1000pF、0.01f、0.1F然后再計算R的大小。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對方波前后沿時間的要求，以及正弦波最高工作頻率（10kHz）的要求，在積分器、比較器、正弦波轉(zhuǎn)換器和輸出級中應(yīng)選用Sr值較大的運放（如LF353）。為保證正弦波有較小的失真度，應(yīng)正確計算二極管網(wǎng)絡(luò)的電阻參數(shù)，并注意調(diào)節(jié)輸出三角波的幅度和對稱度。輸入波形中不能含有直流成分。方案三 ：利用單片機AT89C51和8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832共同實現(xiàn)正弦波，方波，三角波，鋸齒波這四種常見波形的發(fā)生，并且可以接收外接鍵盤輸入而在一定范圍內(nèi)改變頻率?？尚行苑治觯荷厦嫒N方案中，方案一與方案二中三角波正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共通的地方就是都要認為地搭建波形變換的電路圖。而方案三利用單片機構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴展、系統(tǒng)配置靈活。容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實現(xiàn)，而且設(shè)計時間短，成本低，可靠性高。綜上所述我選擇了第三種設(shè)計方案。2.2系統(tǒng)模塊設(shè)計該函數(shù)發(fā)生器有以下幾部分組成：1) 控制模塊2) 按鍵及其顯示模塊3) D/A轉(zhuǎn)換模塊三部分組成。2.2.1 控制模塊方案一：用單片AT89S52作為系統(tǒng)的主控核心。單片機具有體積小，使用靈活的，易于人機對話和良好的數(shù)據(jù)處理，有較強的指令尋址和運算功能等優(yōu)點。且單片機功耗低，價格低廉的優(yōu)點。方案二：用FPGA等可編程器件作為控制模塊。FPGA可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，密度高，速度快，穩(wěn)定性好等許多有點。FPGA在掉電后會丟失數(shù)據(jù)上電后須進行一次配置，因此FPGA在應(yīng)用中需要配置電路和一定的程序。并且FPGA作為數(shù)字邏輯器件，競爭、冒險是數(shù)字邏輯器件較為突出的問題，因此在使用時必須注意毛刺的產(chǎn)生、消除及抗干擾性。在次系統(tǒng)中，采用單片機作為控制比采用FPGA實現(xiàn)更簡便。基于綜合性價比，確定選擇方案一。2.2.2 按鍵及其顯示模塊方案一：采用傳統(tǒng)的獨立式按鍵；用傳統(tǒng)的LED段選位選的方式進行波形的切換及顯示。這種方式占用系統(tǒng)資源較多，并且效率低，程系編寫大量而復(fù)雜。方案二：為了提高單片機的資源利用率和運行的效率,按鍵顯示部分我們直接使用zlg7289擴展鍵盤，鍵盤與單片機連接。zlg7289芯片與單片機之間通信方便，而且由zlg7289對鍵盤進行自動掃描，可以去抖動，充分的提高了單片機的工作效率。在次系統(tǒng)中，我們直接采用zlg7289擴展鍵盤實現(xiàn)更簡便，確定選擇方案二。2.2.3 波形產(chǎn)生模塊方案一：使用鎖相環(huán)通過分頻運算實現(xiàn)頻率的步進，這種方案頻率穩(wěn)定度高，但程控比較困難，而且步進范圍過大，鑒于鎖相環(huán)技術(shù)比較復(fù)雜，沒有采用這種方案。方案二：使用專用函數(shù)發(fā)生電路，如ICL8038 或MAX038，通過D/A轉(zhuǎn)換調(diào)整函數(shù)發(fā)生器控制電壓實現(xiàn)頻率的控制，這種方案可以使頻率連續(xù)可調(diào)，省卻了波形轉(zhuǎn)換電路，但控制電壓與頻率的變化不是嚴格的線性關(guān)系，如果不加頻率負反饋則頻率無法穩(wěn)定準確，加上頻率負反饋將使電路大大復(fù)雜，穩(wěn)定度也會下降，而且如果要實現(xiàn)比較大的帶寬，就需要不斷更換振蕩電容，電路復(fù)雜程度進一步增加。為避免調(diào)試困難，沒有采用這種方案。方案三：使用單片機的定時器設(shè)置定時時間，每半個周期對I/O 口取反一次，從而實現(xiàn)頻率輸出。這種方案雖然在高頻頻段誤差比較大，但是編程簡單控制容易。 權(quán)衡以上利弊，我們選擇了方案三。2.2.4 D/A轉(zhuǎn)換單片輸出的是數(shù)字信號，必須通過D/A轉(zhuǎn)換后才能模擬信號。方案一：采用D/A轉(zhuǎn)換器AD7543。AD7543是一種串行的D/A轉(zhuǎn)換器，與單片機之間的連線少，布線方便，而且又是12位的D/A轉(zhuǎn)換器，精度高。但串行數(shù)據(jù)傳輸速度慢,當(dāng)頻率較高時,必須減少每周期輸出的點數(shù),這將會導(dǎo)致階梯現(xiàn)象更加明顯,因此,此方案不宜使用。方案二：采用DAC0832。這是8位的并行D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度快。方案三：采用2片DAC0832。由其中一芯片的輸出電壓作為另一芯片的參考電壓，這樣就可以方便的控制最大輸出電壓。若采用方案二，在輸出電壓較低的情況下，比如為1V時，輸出的最大電壓只有參考電壓的1/5，這將會使精度降低，而方案三剛好可以解決這個問題，因此，本系統(tǒng)選擇了方案三。DAC0832芯片介紹DAC0832 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用DAC0832 可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機技術(shù)水平的提高。DAC0832 具有以下特點： 8位分辨率； 雙通道A/D轉(zhuǎn)換； 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容； 5V電源供電時輸入電壓在05V之間； 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為32S； 一般功耗僅為15mW； 8P、14PDIP（雙列直插）、PICC 多種封裝； 商用級芯片溫寬為0C to +70C，工業(yè)級芯片溫寬為40C to +85C；芯片接口說明： CS_ 片選使能，低電平芯片使能。 CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/-使用。 CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/-使用。 GND 芯片參考0 電位（地）。 DI 數(shù)據(jù)信號輸入，選擇通道控制。 DO 數(shù)據(jù)信號輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出。 CLK 芯片時鐘輸入。 Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。DAC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達256級，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在05V之間。芯片轉(zhuǎn)換時間僅為32S，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強。獨立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實現(xiàn)通道功能的選擇。單片機對DAC0832 的控制原理：正常情況下DAC0832 與單片機的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時并未同時有效并與單片機的接口是雙向的，所以電路設(shè)計時可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)DAC0832未工作時其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進行A/D轉(zhuǎn)換時，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時芯片開始轉(zhuǎn)換工作，同時由處理器向芯片時鐘輸入端CLK 輸入時鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號。在第1 個時鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號。在第2、3個脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能 當(dāng)此2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時，只對CH0 進行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時，只對CH1進行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負輸入端IN-進行輸入。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時，將CH0作為負輸入端IN-，CH1 作為正輸入端IN+進行輸入。到第3 個脈沖下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開始利用數(shù)據(jù)輸出DO進行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個脈沖下沉開始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個脈沖時發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開始輸出下一個相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個字節(jié)的下沉輸出DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個脈沖時數(shù)據(jù)輸出完成，也標志著一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進行處理就可以了。作為單通道模擬信號輸入時DAC0832的輸入電壓是05V且8位分辨率時的電壓精度為19.53mV。如果作為由IN+與IN-輸入的輸入時，可是將電壓值設(shè)定在某一個較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進行IN+與IN-的輸入時，如果IN-的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。2.3系統(tǒng)總體框圖本系統(tǒng)是以單片機AT89C52和8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832以及zlg7289鍵盤及顯示共同實現(xiàn)正弦波，方波，三角波，鋸齒波這四種常見波形的產(chǎn)生及顯示相互切換的功能。系統(tǒng)原理框圖如圖2-1。單片機按鍵電源液晶顯示數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換乘法器波形輸出圖2-1 信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計3.1 基本原理系統(tǒng)框圖如圖3-1所示單片機按鍵電源液晶顯示數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換乘法器波形輸出圖3-1 信號發(fā)生器系統(tǒng)框圖3.2 單片機介紹1) AT89S52的引腳圖如圖3-2所示圖3-2 AT89S52引腳圖2) 管腳說明 低頻信號發(fā)生器采用AT89S52單片機作為控制核心，其內(nèi)部組成包括：一個8位的微處理器CPU及片內(nèi)振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器RAM低128字節(jié)，存放讀/寫數(shù)據(jù)；高128字節(jié)被特殊功能寄存器占用；片內(nèi)程序存儲器4KB ROM；四個8位并行I/O（輸入/輸出）接口P3 -P0，每個口可以用作輸入，也可以用作輸出；兩個定時/計數(shù)器，每個定時/計數(shù)器都可以設(shè)置成計數(shù)方式，用以對外部事件進行計數(shù)，也可以設(shè)置成定時方式，并可以根據(jù)計數(shù)或定時的結(jié)果實現(xiàn)計算機控制；五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口。VCC：供電電壓。GND：接地。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲器時，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。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， 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。 /PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時鐘工作電路的輸入。XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。AT89S52單片機外部有32個端口可供用戶使用，其功能見表2-1：表2-1 AT89S52并行I/O接口端口引腳位置第一功能第二功能 符號 功能符號功能P039-32P0.0-P0.7通用I/0口AD0-AD7地址數(shù)據(jù)總線P11-8P1.0-P1.7通用I/0口P221-28P2.0-P2.7通用I/0口A8-A15地址總線（高位）P310P3.0通用I/0口RXD串行通信發(fā)送口11P3.1TXD串行通信接收口12P3.2INT0外部中斷013P3.3INT1外部中斷114P3.4T0計數(shù)器0輸入端口15P3.5T1計數(shù)器1輸入端口16P3.6WR外部存儲器寫功能17P3.7RD外部存儲器讀功能 P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。 P1口：P1口是一個內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時，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，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)用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。 P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個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，如下所示： P3.0 RXD（串行輸入通道） P3.1 TXD（串行輸出通道） P3.2 /INT0（外中斷0） P3.3 /INT1（外中斷1） P3.4 T0（定時器0外部輸入） P3.5 T1（定時器1外部輸入） P3.6 /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） P3.7 /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）3) AT89S52的晶振及其連接方法 CPU工作時都必須有一個時鐘脈沖。有兩種方式可以向AT89S52提供時鐘脈沖：一是外部時鐘方式，即使用外部電路向AT89S52提供時鐘脈沖，見圖2-3(a)；二是內(nèi)部時鐘方式，即使用晶振由AT89S52內(nèi)部電路產(chǎn)生時鐘脈沖。一般常用第二種方法，其電路見圖2.3(b)。AT89S52XTAL2XTAL1ATAT89S52XTAL2XTAL1A89S52XTAL2XTAL1懸空外部時鐘信號C1C2J(a)外部時鐘方式（b）內(nèi)部時鐘方式圖2-3 AT89S52的時鐘脈沖 J一般為石英晶體，其頻率由系統(tǒng)需要和器件決定，在頻率穩(wěn)定度要求不高時也可以使用陶瓷濾波器。一般來說，使用石英晶體時，C1=C2=30pF。使用陶瓷濾波器時，C1=C2=47pF。 石英晶體，有天然的也有人造的，是一種重要的壓電晶體材料。石英晶體本身并非振蕩器，它只有借助于有源激勵和無源電抗網(wǎng)絡(luò)方可產(chǎn)生振蕩。SPXO主要是由品質(zhì)因數(shù)（Q）很高的晶體諧振器（即晶體振子）與反饋式振蕩電路組成的。石英晶體振子是振蕩器中的重要元件，晶體的頻率（基頻或n次諧波頻率）及其溫度特性在很大程度上取決于其切割取向。石英晶體諧振器的基本結(jié)構(gòu)、（金屬殼）封裝及其等效電路。只要在晶體振子板極上施加交變電壓，就會使晶片產(chǎn)生機械變形振動，此現(xiàn)象即所謂逆壓電效應(yīng)。當(dāng)外加電壓頻率等于晶體諧振器的固有頻率時，就會發(fā)生壓電諧振，從而導(dǎo)致機械變形的振幅突然增大。石英晶體振蕩器的應(yīng)用：1、石英鐘走時準、耗電省、經(jīng)久耐用為其最大優(yōu)點。不論是老式石英鐘或是新式多功能石英鐘都是以石英晶體振蕩器為核心電路，其頻率精度決定了電子鐘表的走時精度。石英晶體振蕩器原理的示意如圖3所示，其中V1和V2構(gòu)成CMOS反相器石英晶體Q與振蕩電容C1及微調(diào)電容C2構(gòu)成振蕩系統(tǒng)，這里石英晶體相當(dāng)于電感。振蕩系統(tǒng)的元件參數(shù)確定了振頻率。一般Q、C1及C2均為外接元件。另外R1為反饋電阻，R2為振蕩的穩(wěn)定電阻，它們都集成在電路內(nèi)部。故無法通過改變C1或C2的數(shù)值來調(diào)整走時精度。但此時仍可用加接一只電容C有方法，來改變振蕩系統(tǒng)參數(shù)，以調(diào)整走時精度。根據(jù)電子鐘表走時的快慢，調(diào)整電容有兩種接法：若走時偏快，則可在石英晶體兩端并接電容C。4) AT89S52的復(fù)位 復(fù)位是單片機的初始化操作，其主要的作用是把PC初始化為0000H，使單片機從0000H單元開始執(zhí)行程序。除了進入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)由于程序運行出錯或操作失誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時，為擺脫困境，也需要按復(fù)位鍵以重新啟動。除使PC歸零外，復(fù)位操作還對其他一些專用寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表2-2所示。表2-2 復(fù)位后的內(nèi)部寄存器狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài)寄存器復(fù)位狀態(tài) PC 0000H TMOD00HACC00HTCON00HB00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HP0-P30FFHSCON00HIP(xxx00000)SBUF(xxxxxxxx)IE(0xx00000)PCON(0xxx0000) 另外，復(fù)位操作還對單片機的個別引腳有影響，例如會把ALE和/PSEN變成無效狀態(tài)，即使ALE=0，/PSEN=1.RST變成低電平后，退出復(fù)位狀態(tài)，CPU從初始狀態(tài)開始工作。AT89S52復(fù)位操作有3種方式：上電復(fù)位、上電按鈕復(fù)位和系統(tǒng)復(fù)位。上電復(fù)位電路如圖2-4所示。對于CMOS型單片機因RST引腳的內(nèi)部有一個拉低電阻，故電阻R可不接。單片機在上電瞬間，RC電路充電，RST引腳端出現(xiàn)正脈沖，只要RST端保持兩個機器周期以上的高電平，就能使單片機有效地復(fù)位。當(dāng)晶體振蕩頻率為12MHz時，RC的典型值為C=10uF，R=8.2K歐姆。簡單復(fù)位電路中，干擾信號易串入復(fù)位端，可能會引起內(nèi)部某些寄存器錯誤復(fù)位，這時可在RST引腳上接一去耦電容。通常因為系統(tǒng)運行等的需要，常常需要人工按鈕復(fù)位，復(fù)位電路如圖2-5所示，其中R2R1，只需將一個常開按鈕開關(guān)并聯(lián)于上電復(fù)位電路，按下開關(guān)一定時間就能使RST引腳端為高電平，從而使單片機復(fù)位。RST AT89S52RST AT89S52+5VCR+5VR1R2C圖2-4 上電復(fù)位電路 圖2-5 上電按鈕復(fù)位電路3.3 各部分電路原理3.3.1 DAC0832芯片原理 管腳功能介紹（如圖2-7所示） 圖2-7 DAC0832管腳圖DI7DI0：8位的數(shù)據(jù)輸入端，DI7為最高位。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。/CS：選片信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效。/WR1：數(shù)據(jù)鎖存器寫選選通輸入線，負脈沖有效，由ILE、/CS、/WR1的邏輯組合產(chǎn)生/LE1，當(dāng)/LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變化，/LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存。/XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負脈沖有效。/WR2：DAC寄存器選通輸入線，負脈沖有效，由/WR2、/XFER的邏輯組合產(chǎn)生/LE2，當(dāng)/LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，/LE2的負跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。IOUT1：模擬電流輸出端1，當(dāng)DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為1時，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù)全為0時，輸出電流為0。IOUT2：模擬電流輸出端2， IOUT2與IOUT1的和為一個常數(shù)，即IOUT1IOUT2常數(shù)。RFB：反饋電阻引出端，DAC0832內(nèi)部已經(jīng)有反饋電阻，所以 RFB端可以直接接到外部運算放大器的輸出端，這樣相當(dāng)于將一個反饋電阻接在運算放大器的輸出端和輸入端之間。VREF：參考電壓輸入端，此端可接一個正電壓，也可接一個負電壓，它決定0至255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來的模擬量電壓值的幅度，VREF范圍為(+10-10)V。VREF端與D/A內(nèi)部T形電阻網(wǎng)絡(luò)相連。Vcc：芯片供電電壓，范圍為(+5+15)V。AGND：模擬量地，即模擬電路接地端。DGND：數(shù)字量地。 當(dāng)WR2和XFER同時有效時，8位DAC寄存器端為高電平“1”，此時DAC寄存器的輸出端Q跟隨輸入端D也就是輸入寄存器Q端的電平變化；反之，當(dāng)端為低電平“0”時，第一級8位輸入寄存器Q端的狀態(tài)則鎖存到第二級8位DAC寄存器中，以便第三級8位DAC轉(zhuǎn)換器進行D/A轉(zhuǎn)換。 一般情況下為了簡化接口電路，可以把WR2和XFER直接接地，使第二級8位DAC寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級8位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 特殊情況下可采用雙緩沖輸入方式，即把兩個寄存器都分別接成受控方式。 制作低頻信號發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。 單緩沖方式具有適用于只有一路模擬信號輸出或幾路模擬信號非同步輸出的情形的優(yōu)點，但是電路線路連接比較簡單。而雙緩沖方式適用于在需要同時輸出幾路模擬信號的場合，每一路模擬量輸出需一片DAC0832芯片，構(gòu)成多個DAC0832同步輸出電路，程序簡單化，但是電路線路連接比較復(fù)雜。根據(jù)以上分析，我選擇了單緩沖方式使用方便，程序簡單，易操作。 這里我采用DAC0832與單片機89S52的典型的單緩沖方式接口電路。ILE接高電平，/WR1和/WR2相連后接89S52的/WR，/CS和/XFER相連后接89S52的地址高位，這樣就同時片選了DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器，89S52對DAC0832執(zhí)行一次寫操作就把一個數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)鎖存器的同時也直接寫入到了DAC寄存器，模擬量輸出隨之變化。 DAC0832的輸出是電流，使用運算放大器可以將其電流輸出線性地轉(zhuǎn)換成電壓輸出。根據(jù)運算放大器和DAC0832的連接方法，運算放大器的輸出可以分為單極性和雙極性兩種。這里我采用雙極性方式。3.3.2 NE5532介紹 圖2-8 NE5532引腳圖 NE5532是一種雙運放高性能低噪聲運算放大器。 相比較大多數(shù)標準運算放大器，如1458，它顯示出更好的噪聲性能，提高輸出驅(qū)動能力和相當(dāng)高的小信號和電源帶寬。這使該器件特別適合應(yīng)用在高品質(zhì)和專業(yè)音響設(shè)備，儀器和控制電路和電話通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建議使用5532A版，因為它能保證噪聲電壓指標。 NE5532特點：1) 小信號帶寬：10MHZ2) 輸出驅(qū)動能力：600，10V有效值 3) 輸入噪聲電壓：5nV/Hz(典型值) 4) 直流 電壓增益：50000 5) 交流電壓增益：2200-10KHZ6) 功率帶寬： 140KHZ7) 轉(zhuǎn)換速率： 9V/s8) 大的電源電壓范圍：3V-20V 9) 單位增益補償3.3.3 三端穩(wěn)壓集成電路7805概述電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的78 系列和負電壓輸出的79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管，TO- 220 的標準封裝，也有9013樣子的TO-92封裝。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如7806表示輸出電壓為正6V，7909表示輸出電壓為負9V。因為三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用方便，電子制作中經(jīng)常采用。 用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。當(dāng)制作中需要一個能輸出1.5A以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，使其最大輸出電流為N個1.5A，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。在78 * 、79 * 系列三端穩(wěn)壓器中最常應(yīng)用的是TO-220 和TO-202 兩種封裝。這兩種封裝的圖形以及引腳序號、引腳功能如附圖所示。從正面看引腳從左向右按順序標注，接入電路時腳電壓高于腳，腳為輸出位。如對于78*正壓系列，腳高電位，腳接地，；對與79*負壓系列，腳接地，腳接負電壓，輸出都是腳。如附圖所示。此外，還應(yīng)注意，散熱片總是和接地腳相連。這樣在78*系列中，散熱片和腳連接，而在79*系列中，散熱片卻和腳連接。 3.3.4 應(yīng)用電路7805典型應(yīng)用電路，是一個輸出正5V直流電壓的穩(wěn)壓電源電路。IC采用集成穩(wěn)壓器7805，C1、C2分別為輸入端和輸出端濾波電容，RL為負載電阻。當(dāng)輸出電流較大時，7805應(yīng)配上散熱板。下圖為提高輸出電壓的應(yīng)用電路。穩(wěn)壓二極管VD1串接在78XX穩(wěn)壓器2腳與地之間，可使輸出電壓Uo得到一定的提高，輸出電壓Uo為78XX穩(wěn)壓器輸出電 壓與穩(wěn)壓二極管VC1穩(wěn)壓值之和。VD2是輸出保護二極管，一旦輸出電壓低于VD1穩(wěn)壓值時，VD2導(dǎo)通，將輸出電流旁路，保護7800穩(wěn)壓器輸出級不被損壞。7805輸入電壓范圍78*系列的穩(wěn)壓集成塊的極限輸入電壓是36V，最低輸入電壓為輸出電壓的3-4V以上。7V的電壓要想輸出5V，則需要使用低壓差的穩(wěn)壓集成塊，如附圖所示的型號。也可以使用3只普通的整流二極管降壓，也能得到5V的較為穩(wěn)定的電壓，二極管的允許電流大于你需要的電流即可。 4.系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計方案51單片機系列的編程語言常用的有兩種，一種是匯編語言，一種是C語言。匯編語言，是一種功能很強的程序設(shè)計語言，也是利用計算機所有硬件特性并能直接控制硬件的語言。匯編語言直接同計算機的底層軟件甚至硬件進行交互，它具