波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、五邑大學(xué)單片機(jī)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：波形發(fā)生器設(shè)計(jì)院 系 信息學(xué)院 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號(hào) 3112001979 學(xué)生姓名 陳梓聰 指導(dǎo)教師 黃輝 波形發(fā)生器設(shè)計(jì)摘要本文以STC89C51片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)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范圍內(nèi)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(shí)現(xiàn)。介紹了波形的生成原理、硬件電路和軟件部分的設(shè)計(jì)原理。該信號(hào)發(fā)生器具有體積小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：低頻信號(hào)發(fā)生器；單片機(jī)；D/A轉(zhuǎn)

2、換一、設(shè)計(jì)要求 設(shè)計(jì)一個(gè)能產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、梯形波、鋸齒波的波形發(fā)生器。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)。 2、編寫程序，并進(jìn)行程序測(cè)試。 3、利用單片機(jī)采用軟件設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生五種波形。 4、焊接電路，將程序下載到單片機(jī)，并用示波器對(duì)輸出程序進(jìn)行測(cè)試。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、工作原理：數(shù)字信號(hào)可以通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，因此可通過產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的方法來獲得所需要的波形。89C51單片機(jī)本身就是一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)，具有組成微型計(jì)算機(jī)的各部分部件：中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通訊接口等，只要將89C51再配

3、置鍵盤及、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、放大電路等部分，即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器，其信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成系統(tǒng)框圖如下圖所示。按鍵電路波形輸出低通濾波放大電路數(shù)模轉(zhuǎn)換電路單片機(jī) 波形ROM表圖（1）89C51是整個(gè)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(hào)，并從鍵盤接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行各種功能的轉(zhuǎn)換。當(dāng)數(shù)字信號(hào)電路到達(dá)轉(zhuǎn)換電路，將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)也就是所需要的輸出波形。波形ROM表是將信號(hào)一個(gè)周期等間距地分離成128個(gè)點(diǎn)，儲(chǔ)存在單片機(jī)得ROM內(nèi)。 產(chǎn)生指定波形可以通過DAC來實(shí)現(xiàn)，不同波形產(chǎn)生實(shí)質(zhì)上是對(duì)輸出的二進(jìn)制數(shù)字量進(jìn)行相應(yīng)改變來實(shí)現(xiàn)的。本題目中，方波信號(hào)是利用定時(shí)器中斷產(chǎn)生的，每次中斷時(shí)，將

4、輸出的信號(hào)按位反即可；三角波信號(hào)是將輸出的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)依次加1，達(dá)到0xff時(shí)依次減1，并實(shí)時(shí)將數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到；鋸齒波信號(hào)是將輸出的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)依次加1，達(dá)到0xff時(shí)置為0x00，并實(shí)時(shí)將數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的； 梯形波是將輸出的二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)依次加1，達(dá)到0xff時(shí)保持一段時(shí)間，然后依次減1直至0x00，并實(shí)時(shí)將數(shù)字信號(hào)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到的； 正弦波是利用MATLAB將正弦曲線均勻取樣后，得到等間隔時(shí)刻的y方向上的二進(jìn)制數(shù)值，然后依次輸出后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到。2、設(shè)計(jì)功能 本方案有5個(gè)獨(dú)立式按鍵。其中“S1”號(hào)鍵代表正弦波輸出，“S2”號(hào)鍵代表三角波輸出，“S3”號(hào)鍵代表方波

5、輸出，“S4” 號(hào)鍵代表鋸齒波輸出，“S5”號(hào)鍵代表梯形波輸出。3、主控電路 設(shè)計(jì)中主要采用AT89C51型單片機(jī)，它具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）擁有完善的外部擴(kuò)展總線，通過這些總線可方便地?cái)U(kuò)展外圍單元、外圍接口等。（2）該單片機(jī)內(nèi)部擁有4K字節(jié)的FLASH ROM程序存儲(chǔ)器空間和256字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)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(fù)使用。如果更改程序內(nèi)容，可將芯片拿下重新燒寫。（3）該單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51型機(jī)的指令集和輸出引腳兼容。 AT89C51單處機(jī)內(nèi)部設(shè)置兩個(gè)16位可編程的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器T0和T1，它們具有計(jì)數(shù)器方式和定時(shí)器方式兩種工作方式及4種工作模式

6、。在波形發(fā)生器中，將其作定時(shí)器使用，用它來精確地確定波形的兩個(gè)采樣點(diǎn)輸出之間的延遲時(shí)間。模式1采用的是16位計(jì)數(shù)器，當(dāng)T0或T1被允許計(jì)數(shù)后，從初值開始加計(jì)數(shù)，最高位產(chǎn)生溢出時(shí)向CPU請(qǐng)求中斷。 中斷系統(tǒng)是使處理器具有對(duì)外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當(dāng)中央處理器CPU正在處理某件事的時(shí)候外界發(fā)生了緊急事件，要求CPU暫停當(dāng)前的工作，轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)緊急事件。在波形發(fā)生器中，只用到片內(nèi)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器溢出時(shí)產(chǎn)生的中斷請(qǐng)求，即是在AT89C51輸出一個(gè)波形采樣點(diǎn)信號(hào)后，接著啟動(dòng)定時(shí)器，在定時(shí)器未產(chǎn)生中斷之前，AT89C51等待，直到定時(shí)器計(jì)時(shí)結(jié)束，產(chǎn)生中斷請(qǐng)求， AT89C51響應(yīng)中斷，接著輸出下一

7、個(gè)采樣點(diǎn)的信號(hào)，如此循環(huán)產(chǎn)生所需要的信號(hào)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(hào)。 89C51是片內(nèi)有ROM/EPROM的單片機(jī)，因此，這種芯片構(gòu)成的最小系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠。用89C51單片機(jī)構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，只要將單片機(jī)接上時(shí)鐘電路和復(fù)位電路即可，89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用統(tǒng)只能用作一些小型的控制單元。其應(yīng)用特點(diǎn)： 1）有可供用戶使用的大量I/O口線； 2）內(nèi)部存儲(chǔ)器容量有限； 3）應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)具有特殊性。圖（2）4、數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路 由于單片機(jī)產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào)，要想得到所需要的波形，就要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，所以該文選用價(jià)格低廉

8、、接口簡(jiǎn)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(shí)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(duì)分辨率為單位增減，是準(zhǔn)模擬量的輸出。DAC0832是電流型輸出，在應(yīng)用時(shí)外接運(yùn)放使之成為電壓型輸出。 根據(jù)對(duì)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(shè)計(jì)選用直通方式。 DAC0832的數(shù)據(jù)口和單片機(jī)的P2口相連。 CSDA：片選信號(hào)輸入線（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效； WR：數(shù)據(jù)

9、鎖存器寫選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)LE1為高電平時(shí)，數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換，LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存。 圖（3）5、運(yùn)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(yùn)算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V1，輸出端連了一個(gè)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(hào)會(huì)有毛刺，如果加一個(gè)低通濾波器不僅

10、能起到濾波的作用，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(shí)驗(yàn)表明，此時(shí)的輸出波形效果不錯(cuò)。 圖（4）四、安裝調(diào)試1 不通電，用萬用表根據(jù)電路圖仔細(xì)檢查各線路連接是否正常。 2 首先是調(diào)試單片機(jī)部分，DA和運(yùn)算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483軟件通過串口下程序?？词欠窨梢哉Ｏ鲁绦颉?當(dāng)可以正常下程序時(shí)，給51單片機(jī)下一個(gè)讓所有I/0口一會(huì)兒輸入0，延時(shí)，再輸出1，以此類推。用萬用表測(cè)量各I/O口得電壓是不是一會(huì)兒高，一會(huì)兒低。 4安上DA和運(yùn)算放大器芯片，給單片機(jī)下一個(gè)輸

11、出正弦波的測(cè)試程序，通過示波器看輸出是否正常。 5 給單片機(jī)下一個(gè)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： 、鋸齒波： 梯形波：6、 實(shí)驗(yàn)結(jié)論 基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)，這個(gè)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)中涉及到一個(gè)典型的控制過程。通過單片機(jī)控制一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC0832產(chǎn)生所需要的電流，然后使用運(yùn)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(yùn)算放大器的放大，可以得到足夠幅度的信號(hào)。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(gè)信號(hào)發(fā)生裝置在控制領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用范圍。最終做出來的信號(hào)發(fā)生器滿足了題目中的所有要求： 產(chǎn)生五種波形

12、。正弦波、三角波、矩形波、鋸齒波、梯形波。參考文獻(xiàn)：1、劉煥成工程背景下的單片機(jī)原理及系統(tǒng)設(shè)計(jì)第2版2、STC公司官方網(wǎng)頁(yè)下載資料3、郭天翔.新概念51單片機(jī)C語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全.北京.電子工業(yè)出版社 2009.1附錄：程序設(shè)計(jì)#include <reg51.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned intvoid delay(uint);void delay1(uint);sbit cs=P32; sbit wr=P36; sbit key1=P10;sbit key2=P11;sbit key3=P12

13、;sbit key4=P13;sbit key5=P14;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,

14、0xed,0xea,0xe6,0xe3,0xde, 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, 0x1,0x2,0x3,0x5,0x7,0x9,0x

15、c,0xe,0x12,0x15, 0x18,0x1c,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(shí)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)/鋸齒波if(c<255)P2=c;delay