波形發(fā)生器設計

1、五邑大學單片機課程設計報告題目：波形發(fā)生器設計院系信息學院專業(yè)電子信息工程學號 3112001979學生 梓聰指導教師黃輝波形發(fā)生器設計摘要本文以STC89C51片機為核心設計了一個低頻函數(shù)信號發(fā)生器。信號發(fā)生器采用數(shù)字波形合成技術(shù)，通過硬件電路和軟件程相結(jié)合，可輸出自定義波形，如正弦波、方波、三角波、梯形波及其他任意波形，波形的頻率和幅度在一定圍可任意改變。波形和頻率的改變通過軟件控制，幅度的改變通過硬件實現(xiàn)。 介紹了波形的生成原理、 硬件電路和軟件部分的設計原 理。該信號發(fā)生器具有體積小、價格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點。關(guān)鍵詞：低頻信號發(fā)生器；單片機；D/A轉(zhuǎn)換一、設計要求設計一個能產(chǎn)生

2、正弦波、方波、三角波、梯形波、鋸齒波的波形發(fā)生器。二、實驗目的1、進行硬件電路設計。2、編寫程序，并進行程序測試。3、利用單片機采用軟件設計方法產(chǎn)生五種波形。4、焊接電路，將程序下載到單片機，并用示波器對輸出程序進行測試。三、實驗容1、工作原理：數(shù)字信號可以通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號，因此可通過產(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。89C51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/計數(shù)器以及串行通訊接口等，只要將89C51再配置鍵盤及、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、放大電路等部

3、分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其信號發(fā)生器構(gòu)成系統(tǒng)框圖如下圖所示。按鍵電路單片機 波形ROM表 一 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路波形輸出圖（1）89C51是整個波形發(fā)生器的核心部分，通過程序的編寫和執(zhí)行，產(chǎn)生各種各樣的信號，并從鍵盤接收數(shù)據(jù)，進行各種功能的轉(zhuǎn)換。 當數(shù)字信號電路到達轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號也就是所需要的輸出波形。波形ROMI是將信號一個周期等間距地分離成128個點，儲存在 單片機得ROM產(chǎn)生指定波形可以通過 DACpe實現(xiàn)，不同波形產(chǎn)生實質(zhì)上是對輸出的二進制數(shù)字量進行 相應改變來實現(xiàn)的。本題目中，方波信號是利用定時器中斷產(chǎn)生的，每次中斷時， 將輸出的信號按位反即可；三角波信號是將輸出的二進

4、制數(shù)字信號依次加1,達到0xff時依次減1,并實時將數(shù)字信號經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到；鋸齒波信號是將輸出的二進制數(shù)字信號依次加1,達到0xff時置為0x00,并實時將數(shù)字信號經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到的；梯形波是將輸出的二進制數(shù)字信號依次加1,達到0xff時保持一段時間，然后依次減 1直至0x00,并實時將數(shù)字信號經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到的；正弦波是利用MATLA翳正弦曲線均勻取樣后，得到等間隔時刻的y方向上的二進制數(shù)值， 然后依次輸出后經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換得到。2、設計功能本方案有5個獨立式按鍵。其中“ S1”號鍵代表正弦波輸出，“ S2”號鍵代表三角波輸 出，“S3”號鍵代表方波輸出，“ S4”號鍵代表鋸齒波輸出，

5、“ S5”號鍵代表梯形波輸出。3、主控電路設計中主要采用 AT89C51型單片機，它具有如下優(yōu)點：（1）擁有完善的外部擴展總線， 通過這些總線可方便地擴展外圍單元、外圍接口等。（2）該單片機部擁有 4K字節(jié)的FLASHROM§序存儲器空間和 256字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲空間，完全可以滿足程序的要求。由于該芯 片可電可擦寫，故可重復使用。如果更改程序容，可將芯片拿下重新燒寫。（3）該單片機與工業(yè)標準的MCS 51型機的指令集和輸出引腳兼容。AT89C51單處機部設置兩個16位可編程白定時器/計數(shù)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

6、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，從初值開始加計數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時向CPU青求中斷。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，要求CPUIT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，只用到片定時器/計數(shù)器溢出時產(chǎn)生的中斷請求，即是在 AT89C51輸出一個波形采樣點信號后，接著啟動定時器，在定時器未產(chǎn)生中斷之前，AT89C51等待，直到定時器計時結(jié)束，產(chǎn)生中斷請求，AT89C51響應中斷，接著輸出下一個采樣點的信號，如此循環(huán)

7、產(chǎn)生所需要的信號波形。主控電路圖如圖（2）所示，AT89C51從P1 口接收來自鍵盤的信號。 89C51是片有ROM/EPROM 的單片機，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡單、可靠。 用89C51單片機構(gòu)成最小應用系統(tǒng) 時，只要將單片機接上時鐘電路和復位電路即可，89C51單片機最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應用統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應用特點：1 ）有可供用戶使用的大量I/O 口線；2 ）部存儲器容量有限；3 ）應用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。XC1T卜XTALtERtoPT! "M NKlTdLNFTiP2 CW46p12 2JWIO丁P2 511七P2 -=.«A

8、i2印FJ "西 1P2iJAi4PI 4 gPMF3.H12HPl J' i'll臼與因 £/T1團Ar=i xtKPI Jpi 了皿:主至聿事溥圖（2）4、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路由于單片機產(chǎn)生的是數(shù)字信號，要想得到所需要的波形，就要把數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，所以該文選用價格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易并具有8位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832 DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制 電路四部分組成。但實際上，DAC0832輸出的電量也不是真正能連續(xù)可調(diào)，而是以其絕對分辨率為單位增減，是準模擬量的輸出。DAC083%電流

9、型輸出，在應用時外接運放使之成為電壓型輸出。 根據(jù)對DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和 DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三種工作方式：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。本設計選用直通方式。DAC0832的數(shù)據(jù)口和單片機的P2 口相連。CSDA片選信號輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線，負脈沖（脈寬應大于500ns）有效。由ILE、CS WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1,當LE1為高電平時，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存。U210CSVCCwrTILE(BY1/0GN 口UVR2口 13XFER012DMOMDISDIDDICVRE

10、FDI7RFBI0UT25NDI0UT12010 "isIB 運 亙 13 三 11" " - - - - - - - -圖(3)5、運算放大電路和低通濾波電路LM324 的 5 管腳與 DAC0832的(IOUT2) 12 管腳相連,LM324的 6 管腳與 DAC0832的(IOUT1) 11管腳相連，LM324的7管腳與DAC0832的REF (9)管腳相連。LM324運算放大器的作用是將 DAC0832輸出的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號V1,輸出端連了一個低通濾波器。如果不加低通濾波器，也能夠生成波形，但是產(chǎn)生的信號會有毛刺，如果加一個低通濾波器不僅能起到濾波的

11、作用，還能起到平滑的作用。低通濾波器的截止頻率 F=1/(2*pi*R3*C6), 這里我們選擇 R3為100歐姆的電阻，C6為104電容，截止頻率F=16KHZ 實驗表 明， 此時 的輸出 波形效果不錯。圖(4)四、安裝調(diào)試1 .不通電，用萬用表根據(jù)電路圖仔細檢查各線路連接是否正常。2 .首先是調(diào)試單片機部分，DA和運算放大器芯片不接。用 STC_ISP_V483軟件通過串口下程序。看是否可以正常下程序。3 .當可以正常下程序時，給51單片機下一個讓所有I/0 口一會兒輸入0,延時，再輸出1,以此類推。用萬用表測量各 I/O 口得電壓是不是一會兒高，一會兒低。4 .安上DA和運算放大器芯片，

12、 給單片機下一個輸出正弦波的測試程序，通過示波器看輸出是否正常。5 .給單片機下一個完整的程序，分別按下S1、S2,看波形是否改變五、系統(tǒng)仿真波形正弦波：三角波:方波:六、實驗結(jié)論基于單片機的信號發(fā)生器設計，這個信號發(fā)生器的設計中涉及到一個典型的控制過程。通過單片機控制一個模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC0832產(chǎn)生所需要的電流，然后使用運算放大器LM324可以將其電流輸出線性地轉(zhuǎn)換成電壓輸出，再將電壓經(jīng)過運算放大器的放大，可以得到足夠幅度的信號。通過程序的控制，可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的波形。這樣一個信號發(fā)生裝置在控制領(lǐng)域有相當廣泛的應用圍。最終做出來的信號發(fā)生器滿足了題目中的所有要求：產(chǎn)生五種波形。正弦波、三

13、角波、矩形波、鋸齒波、梯形波。參考文獻:1、煥成工程背景下的單片機原理及系統(tǒng)設計第 2 版2、STC公司官方網(wǎng)頁下載資料3、郭天翔.新概念51單片機C語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全.電子工業(yè)2009.1附錄：程序設計#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint);void delay1(uint);sbit cs=P3A2;sbit wr=P3A6;sbit key1=P1A0;sbit key2=P1A1;sbit key3=P1A2;sbit key

14、4=P1A3;sbit key5=P1A4;uchar j=0;uint a=0,b=0,c=0,d=0;uchar code tosin128=0x80,0x86,0x8c,0x92,0x98,0x9f,0xa5,0xab,0xb0,0xb6,0xbc,0xc1,0xc7,0xcc,0xd1,0xd5,0xda,0xde,0xe2,0xe6,0xea,0xed,0xf0,0xf3,0xf6,0xf8,0xfa,0xfc,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,0xfc,0xfa,0xf8,0xf6,0xf3,0xf0,0xed,0xea,0x

15、e6,0xe3,0xde,0xda,0xd6,0xd1,0xcc,0xc7,0xc1,0xbc,0xb6,0xb1,0xab,0xa5,0x9f,0x99,0x92,0x8c,0x86,0x80,0x79,0x73,0x6d,0x67,0x61,0x5b,0x55,0x4f,0x49,0x43,0x3e,0x39,0x33,0x2e,0x2a,0x25,0x21,0x1d,0x19,0x15,0x12,0xf,0xc,0x9,0x7,0x5,0x3,0x2,0x1,0x0,0x0,0x0,0x0,0x0,0x1,0x2,0x3,0x5,0x7,0x9,0xc,0xe,0x12,0x15,0x1

16、8,0x1c,0x20,0x25,0x29,0x2e,0x33,0x38,0x3d,0x43,0x48,0x4e,0x54,0x5a,0x60,0x66,0x6c,0x73,0x79;/* 正弦波碼 */void delay(uint z) / 延時子程序uint i,j;for(i=z;i>0;i-)for(j=110;j>0;j-);void delay1(uint y)uint i;for(i=y;i>0;i-);void main()cs=0;wr=0;TMOD=0x01;TH0=(65535-10000)/256;TL0=(65535-10000)%256;EA=1;ET0=1;while(1)if(key1=0)/ 正弦波P2=tosinj;delay1(100);if(j=127) j=0;else j+;if(key2=0)/ 三角波if(a<128)P2=a;delay(2);elseP2=255-a;delay(2);a+;if(a=255)a=0;if(key3=0)/ 方波TR0=1;if(b=10)(P2=0xff;)if(b=20)(b=0;P2=0;)if(key3=1)TR0=0;if(key4=0)/ 鋸