基于單片機的信號發(fā)生器的設(shè)計

1、基于單片機的信號發(fā)生器的設(shè)計作 者 指導教師 摘要 隨著電子測量技術(shù)與計算機技術(shù)的緊密結(jié)合，一種新的信號發(fā)生器波形發(fā)生器應(yīng)運而生。所謂波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復性和易操作性的電子儀器。單片機作為微型計算機的一個重要分支，有著廣泛的應(yīng)用范圍。本設(shè)計主要以80C51單片機為核心，通過對外圍芯片的控制來實現(xiàn)對輸出波形的頻率調(diào)節(jié)，然后利用擴展D/A轉(zhuǎn)換器，得到所需的正弦波函數(shù)信號發(fā)生器。關(guān)鍵詞：單片機;波形發(fā)生器; D/A轉(zhuǎn)換目 錄引言11、研究概況21.1國內(nèi)外波形發(fā)生器的發(fā)展狀況21.2研制波形發(fā)生器的目的及意義41.3本論文研究的任務(wù)42、5

2、1單片機簡介42.1單片機的發(fā)展歷史42.2單片機的組成及特點5 2.3 單片機的發(fā)展趨勢53、硬件部分63.1雙通道波形發(fā)生器基本原理與組成63.2程序存儲器及接口電路73.3鍵盤接口及程序編寫73.4顯示器及接口電路83.5輸出電路94、軟件部分105、結(jié)束11致謝11參考文獻12引言波形發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應(yīng)用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學實驗。常用的波形發(fā)生器多數(shù)采用分立元件組成，不但電路復雜、價格昂貴，而且僅能產(chǎn)生幾種常用的信號波形，如正弦波、方波、鋸齒波等，還很少有可調(diào)節(jié)兩路輸出波形之間相位差的波形發(fā)生器，不能滿足實際需要。因此，該文介紹采用應(yīng)用廣泛的MCS-51系列的

3、8051單片機為核心部件，來設(shè)計與實現(xiàn)雙通道波形發(fā)生器。該波形發(fā)生器能方便地產(chǎn)生所需信號波形，其頻率、相位、波形也能滿足精度要求。 1、研究概況1.1國內(nèi)外任意波形發(fā)生器的發(fā)展狀況任意波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復性和易操作性的電子儀器。任意波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換、和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復雜信號，還可對頻率、幅值、相移、波形進行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在70年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能

4、夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等幾種常用標準波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復雜的電路和機電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復雜，且僅能產(chǎn)生正弦波方波、鋸齒波和三角波等幾種簡單波形，輸出的波形具有良好的相位噪聲、較低的寄生分量以及較快的開關(guān)速度等，但是模擬電路的漂移較大，使輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復雜的信號波形則電路結(jié)構(gòu)非常復雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因而很難將頻率調(diào)到某一固定值二是脈沖的占空比不可調(diào)

5、節(jié)。在70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用為處理器、A/D/和D/A硬件和軟件是波形發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生更加復雜的波形。這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對DAC的程序控制就可以得到各種簡單的波形。例如，令微處理器的累加器A自身循環(huán)增量，每增量一次即向DAC送出一個數(shù)，使DAC有一個輸出。因為當?shù)膬?nèi)容達到最大值255時，再增量一次，A的內(nèi)容就變?yōu)樽钚≈担悖┤缓罂梢岳^續(xù)增加。如此，周而復始，就可以從DAC輸出端獲得一個正相的階梯波。用同樣的方法還可獲得方波、鋸齒波、三角波等波形軟件控制波形的一個最大缺點就是輸出波形的頻率低，主要時由CP的工作速度決定的，如果想提高頻率可以改進

6、軟件程序減少其執(zhí)行周期或提高CPU的時鐘周期，但這些辦法時有限度的，根本的辦法還是要改進硬件電路。當時的信號處理其時專用于心好處理的微處理器，時鐘頻率只有12MHz，A/D和D/A一般在8位左右，內(nèi)部存儲容量也很小。因此，能夠產(chǎn)生正弦波的有效頻寬不會超過1MHz，要獲得比較平滑的低失真度的波形，重復頻率不會超過10KHz。用數(shù)字方法的函數(shù)發(fā)生器尚處于開發(fā)階段，正式的商品還不多。到了1988年，出現(xiàn)幾種真正高性能高價格的函數(shù)發(fā)生器、但是HP公司推出了型號為HP770S的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由HP8770A任意波形數(shù)字化和HP1776A波形發(fā)生軟件組成。HP8770A實際上也只能產(chǎn)生8中波形，而且

7、價格昂貴。不久以后Analogic公司推出了型號為Data2020的多波形合成器，Lecroy公司生產(chǎn)的型號為9100的任意波形發(fā)生器等。現(xiàn)代電子、計算機和信號處理等技術(shù)的發(fā)展，極大的促進了數(shù)字化技術(shù)在電子測量儀器的應(yīng)用使原有的模擬信號處理逐步被數(shù)字信號處理所代替，從而擴充了儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處理的諸多缺點，數(shù)字信號發(fā)生器隨之逐漸發(fā)展起來。目前任意波形發(fā)生器的基礎(chǔ)就是直接數(shù)字合成技術(shù)，用存儲器做查詢表通過數(shù)字形式存入的波形，由數(shù)/模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生所需要的任意波形。近幾年來，國際上任意波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1.過去由于頻率很

8、低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高使得任意波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。任意波形發(fā)生器軟件的開發(fā)正使任意波形的輸入變得更加方便和容易。任意波形發(fā)生器通常允許用一系列的點、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種非常強有力的數(shù)學方程輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成vf(t)形式的波形方程的數(shù)學表達式產(chǎn)生。各種計算機語言的飛速發(fā)展也推動了任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)的發(fā)展。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic,Visual等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許徒手從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。2.與VXI資源結(jié)合。目前，

9、任意波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發(fā)的VXI模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用VXI系統(tǒng)測量和產(chǎn)生復雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā)VXI模塊的周期長，而且需要專門的VXI機箱的配套使用，使得任意波形發(fā)生器VXI模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面VXI模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。3.隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，有在繁榮起來。不過現(xiàn)在的新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的已有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品

10、減少了一半。1.2研制任意波形發(fā)生器的目的及意義任意波形發(fā)生器是信號源的一種，它是具有信號源所具有的特點，更因它高的性能優(yōu)勢而倍受人們青睞。信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號（各種波形），然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘栐丛诟鞣N實驗應(yīng)用和試驗測試處理中，它不是測量儀器，而是根據(jù)使用者的要求，作為激勵源，仿真各種測試信號，提供給被測電路，以滿足測量或各種實際需要。目前我國已經(jīng)開始研制任意波形發(fā)生器，并取得了可喜的成果。但總的來說，我國任意波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)。就目前國內(nèi)的成熟產(chǎn)品來看，多為一些PC儀器插卡，獨立的儀器和VXI系統(tǒng)的模塊很少，并且我國目前在任意波形發(fā)生器的種

11、類和性能都與國外同類產(chǎn)品存在較大的差距，因此加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。1.3本論文研究的任務(wù)方案一：將8051 再配置鍵盤及其接口、顯示器及其接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、指示燈及其接口等四部分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器。方案二：利用單片機控制，采用頻率鎖相技術(shù)來實現(xiàn)的波形信號發(fā)生器。該設(shè)計本人選擇了方案一。2、51單片機簡介2.1單片機的發(fā)展歷史單片機被稱作“單片微型計算機”、“微控制器”，單片機的發(fā)展歷史大致可以分為4個階段。第一階段：單片機的探索階段。這一階段主要是探索如何把計算機的主要部件集成在單芯片上。第二階段：單片機的完善階段。Intel公司推出了完善的、典型的MCS-51單片

12、機系列.它在一下幾個方面奠定了典型的通用總線型單片機體系結(jié)構(gòu)：設(shè)置了經(jīng)典、完善的8位單片機的并行總線結(jié)構(gòu)；外圍功能單元由CPU集中管理的模式；體現(xiàn)控制特性的位地址空間和位操作方式；指令系統(tǒng)趨于豐富完善，并且增加了許多突出控制功能的指令。第三階段: 向微控制器發(fā)展的階段。這一階段主要是為滿足測控系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突出器智能化控制能力。Philips公司等一些著名半導體廠商在8051基本結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，加強了外圍電路的功能，體現(xiàn)了單片機的微控制器特征。第四階段：單片機的全面發(fā)展階段。由于很多大半導體和電氣廠商都開始參與單片機的研制和生產(chǎn)，單片機世界出現(xiàn)了百花齊放、欣欣向榮的景象。 2

13、.2單片機的組成及特點80C51單片機是Intel公司于1980年推出的MCS-51系列高檔8位單片機，其硬件結(jié)構(gòu)主要包括：內(nèi)部程序存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器容量、輸入8輸出I/O口、外部程序存儲器和外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間、中斷與堆棧、定時8計數(shù)器與寄存器區(qū)、指令系統(tǒng)以及布爾處理器。80C51執(zhí)行指令的時間與及定時器8計數(shù)器計數(shù)的頻率都與振蕩源的周期有關(guān)，為了提高波形頻率的精度，采用12MHZ的晶振與外部時鐘方式，晶振的兩根引腳分別與80C51的外接晶振引腳X1和X2相連。波形發(fā)生器工作時，要求進入復位工作狀態(tài)，因此需設(shè)計準確、可靠的復位電路。80C51單片機內(nèi)部設(shè)置兩個16位可編程的定時器8計數(shù)

14、器T0和T1，它們具有計數(shù)器方式和定時器方式兩種工作方式及4種工作模式。在波形發(fā)生器中，將其作定時器使用，用它來精確地確定波形的兩個采樣點輸出之間的延遲時間。模式1采用的是16位計數(shù)器，當T0或T1被允許計數(shù)后，從初值開始加1計數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時向5?請求中斷。因此要想確定精確的時間，首先要計算出計數(shù)初值。中斷系統(tǒng)是使處理器具有對外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當中央處理器CPU正在處理某件事的時候外界發(fā)生了緊急事件請求，要求CPU暫停當前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個緊急事件。在波形發(fā)生器中，只用到片內(nèi)定時器8計數(shù)器溢出時產(chǎn)生的中斷請求，即是在80C51輸出一個波形采樣點信號后，接著啟動定時器，在

15、定時器未產(chǎn)生中斷之前，80C51等待，直到定時器計時結(jié)束，產(chǎn)生中斷請求，80C51響應(yīng)中斷，接著輸出下一個采樣點信號，如此循環(huán)產(chǎn)生所需要的信號波形。2.3單片機的發(fā)展趨勢 為降低功耗,單片機在工藝上全部采用了CHMOS技術(shù).目前,單片機的主要發(fā)展趨勢:低功耗管理,更寬的工作電壓范圍,高性能化,混合信號集成化,串行擴展技術(shù),小體積、低價格,ISP及基于ISP的開發(fā)環(huán)境.3、硬件部分3.1雙通道波形發(fā)生器基本原理與組成 眾所周知，模擬信號可以通過采樣量化得到數(shù)字信號，相反數(shù)字信號可以通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號。而相對于模擬信號而言，只由0和1兩種狀態(tài)組成的數(shù)字信號產(chǎn)生起來要簡單容易得多。因此可通

16、過產(chǎn)生數(shù)字信號再轉(zhuǎn)換成模擬信號的方法來獲得所需要的波形。80C51單片機本身就是一個完整的微型計算機，具有組成微型計算機的各部分部件：中央處理器CPU、隨機存取存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時器2計數(shù)器以及串行通訊接口等，只要將80C51再配置鍵盤及其接口、顯示器及其接口、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、指示燈及其接口等四部分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其波形發(fā)生器構(gòu)成原理框圖如圖1所示。 圖1 雙通道的波形發(fā)生器原理框圖80C51是整個波形發(fā)生器的核心部分，它從程序存儲器讀取程序，從鍵盤接收數(shù)據(jù)，經(jīng)過處理送到指示燈和顯示器，并產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字信號送到數(shù)模轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成模擬信號也就是所需

17、要的波形輸出。鍵盤可使80C51接收用戶輸入的波形選擇、波形頻率和相位差信息，指示燈和顯示器則將這些信息顯示出來。而80C51如何工作則要按程序存儲器中的程序指令執(zhí)行。產(chǎn)生什么樣的波形及怎樣產(chǎn)生波形則完全由程序來決定。因此理論上可通過編寫程序產(chǎn)生任意的波形。實際上對要產(chǎn)生的波形的一周期采取一定數(shù)量的采樣點，在這里先采取一周期五十個采樣點。在產(chǎn)生波形的時候，就在每次輸出采樣點數(shù)據(jù)之后執(zhí)行一段延時程序，延時之后再輸出下一個采樣點，然后再延時，再輸出如此循環(huán)，就產(chǎn)生了一定周期的信號波形。如果不計輸出采樣點數(shù)據(jù)所花的時間，那么波形的周期即是采樣點之間延時程序執(zhí)行的時間乘于50。這樣只需要改變延時的時間

18、，就可以相應(yīng)改變所產(chǎn)生信號波形的周期。波形發(fā)生器功能與性能指標設(shè)定如下：可產(chǎn)生各種波形（常用有三種波形：正弦波、鋸齒波、方波）；可調(diào)節(jié)波形頻率（此設(shè)計低頻可達到0.1赫茲，高頻由于80C51運算速度的原因只能達到2K赫茲，再高的話會有較大的誤差）；可調(diào)節(jié)兩路輸出波形之間的相位差，從0到360度；波形的頻率和相位差可用鍵盤輸入；波形的頻率和相位差可用LED數(shù)碼管顯示。3.2程序存儲器及接口電路為了方便用戶擴展程序，程序存儲器采用了16K的EPROM 27128A。27128A由單一+5V供電，工作電流為100mA維持電流400mA，讀出時間最大40mA，28線雙列直插式封裝。由于80C51單片機

19、的P0口是分時復用的地址8數(shù)據(jù)總線因此在進行程序存儲器擴展時，必須利用地址鎖存器將地址信號從地址8數(shù)據(jù)總線中分離開來。這里選用了帶三態(tài)緩沖輸?shù)陌薉鎖存器74LS373，地址鎖存信號為ALE。當74LS373用作地址鎖存器時，首先應(yīng)使使能信號OE為低電平。當G輸入端為高電平時，鎖存器輸出（Q0Q7）狀態(tài)和輸入端（D0D7）狀態(tài)相同；當G端從高電平返回到低電平（下降沿）時，輸入端（D0D7）的數(shù)據(jù)鎖入8位鎖存器中。圖2是27128A與80C51的硬件連接圖。由于27128A是16K容量的EPROM，故用到了14根地址線，地址鎖存器采74LS373。由于系統(tǒng)中只擴展一片程序存儲器，故27128A的片

20、選端CE接地。圖2 27128A和80C51的硬件連接圖3.3鍵盤接口及程序編寫圖3為所用矩陣式鍵盤通過三態(tài)門74LS244與80C51的接口電路原理圖。鍵盤采用編程掃描方式工作，80C51的P0口低4位輸出逐行掃描信號，P0口低4位通過74LS244輸入4位列信號，均為低電平有效。74LS244的地址可設(shè)為6FFFH，這樣讀取鍵盤狀態(tài)只需要用MOVE指令就可實現(xiàn)。該設(shè)計方案中利用延時10mS子程序進行軟件消抖，通過設(shè)置處理標志來區(qū)分閉合鍵是否已處理過，采用計算方法得到鍵碼，高4位代表行，低4位代表列。圖3 鍵盤與80C51的接口電路圖3.4顯示器及接口電路 為了能夠滿足顯示需要，這里采用LE

21、D顯示器靜態(tài)驅(qū)動芯片ICM7212AM。該波形發(fā)生器在發(fā)生波形的時候，尤其是在發(fā)生較高頻率的波形時，需要CPU幾乎全部的工作時間都用于產(chǎn)生數(shù)字信號，因此沒有足夠的時間用于顯示器的動態(tài)顯示?；诖孙@示器的顯示方式只能采取靜態(tài)顯示方式。為了鎖存和驅(qū)動兩組共7位LED顯示器，選用了ICM7212AM芯片。一片ICM7212AM芯片能直接驅(qū)動4位共陽極LED顯示器，段驅(qū)動電流大于5mA，典型值為8mA。ICM7212AM芯片提供4個BIT位輸入和4個顯示位選擇，采用BCD碼譯碼。圖4為顯示器及接口電路。由圖可知，輸入ICM7212AM的數(shù)據(jù)字節(jié)中，低4位即D0D3是BCD數(shù)據(jù)，而D4和D5兩位是位選數(shù)

22、據(jù)，它們分別與ICM7212AM的B0B3和DS1、DS2對應(yīng)。片選信號中CS2均與WR相連，而CS1分別與譯碼器74LS138的Y0和Y1相連。CS1和CS2都有效時，芯片被選中，可見只有向芯片中寫數(shù)據(jù)時，芯片才可能被選中。U1的地址可定為0FFFH，而U2地地址可定為1FFFH。只有向這兩個地址單元中寫入數(shù)據(jù)時，這些數(shù)據(jù)才能被寫入ICM7212AM芯片中。圖4 顯示器及接口電路圖3.5輸出電路 單片機80C51產(chǎn)生的是數(shù)字信號，要想得到所需要的波形，就要把80C51產(chǎn)生的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，這就需要一種能把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號的器件，這種器件就是數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC。實際上，DAC輸出的

23、電量也不是真正能連續(xù)可調(diào)，而是以DAC的絕對分辨率為單位增減，這實際上是準模擬量輸出。該文選用價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易的8位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832。DAC0832轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，它具有兩個輸入數(shù)據(jù)寄存器，能直接與80C51單片機接口。圖5是實際的雙通道同步輸出的D/A轉(zhuǎn)換接口電路。圖5 雙通道同步輸出的D/A轉(zhuǎn)換接口電路4、軟件部分 硬件部分已經(jīng)介紹完了，而要想讓這些元器件按照自己的想法工作，就得靠編寫程序來實現(xiàn)其了。該文所有的程序都是用匯編語言編寫，波形發(fā)生器的主程序流程圖如圖6所示。按鍵確認部分則主要是調(diào)用鍵

24、盤子程序KEY，得到相應(yīng)的鍵值，剩下的就是一系列的比較和轉(zhuǎn)移，根據(jù)鍵值跳轉(zhuǎn)到不同的程序段。波形發(fā)生部分主要由兩部分組成，一是輸出波形的采樣值，一是根據(jù)數(shù)據(jù)處理得到的計數(shù)初值啟動計時器和相應(yīng)的中斷服務(wù)程序。對于簡單的波形，像方波和鋸齒波，波形的采樣值可以直接在程序中預先設(shè)置數(shù)據(jù)或是簡單的加減運算即可得到；而對于比較復雜或不規(guī)則的波形，例如正弦波，也只需要預先將波形的采樣值列出線性表存儲于程序存儲器中，屆時只需要查表即可得到。計時的啟動則只需要置入初值和控制字即可。圖6 波形發(fā)生器的主程序流程圖結(jié)束本文采用Intel公司MCS-51的80C51單片機構(gòu)造雙通道波形發(fā)生器，在硬件和軟件上都已經(jīng)調(diào)試通過，可以直