基于單片機的波形發(fā)生器

波形發(fā)生器設(shè)計摘要波形發(fā)生器是一種常用的信號源，廣泛地應用于電子電路、自動控制系統(tǒng)和教學實驗等領(lǐng)域。函數(shù)信號發(fā)生器是一種能夠產(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。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。通過對函數(shù)波形發(fā)生器的原理以及構(gòu)成分析，可設(shè)計一個能變換出三角波、正弦波、方波的函數(shù)波形發(fā)生器。目前使用的信號發(fā)生器大局部是函數(shù)信號發(fā)生器，且特殊波形發(fā)生器的價格昂貴。所以本設(shè)計使用的是DAC0832芯片構(gòu)成的發(fā)生器，可產(chǎn)生三角波、方波、正弦波等多種特殊波形和任意波形，波形的頻率可用程序控制改變。在單片機上加外圍器件距陣式鍵盤，通過鍵盤控制波形頻率的增減以及波形的選擇，并用了LCD顯示頻率大小。在單片機的輸出端口接DAC0832進行D/A轉(zhuǎn)換，再通過運放進行波形調(diào)整，最后輸出波形接在示波器上顯示。本設(shè)計具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價格低廉、性能優(yōu)越等優(yōu)點。本設(shè)計制作的波形發(fā)生器，可以輸出多種標準波形，如方波、正弦波、三角波、鋸齒波等，還可以輸出任意波形，如用鼠標創(chuàng)立的一個周期的非規(guī)那么波形或用函數(shù)描述的波形等，輸出的波形的頻率、幅度均可調(diào)，且能脫機輸出。設(shè)計的人機界面不但清晰美觀，而且操作方便。關(guān)鍵詞：波形發(fā)生器；DAC0832；單片機；波形調(diào)整目錄一、設(shè)計目的及意義-3-1.1設(shè)計目的-3-1.2設(shè)計意義-3-二、方案論證-4-2.1設(shè)計要求-4-2.2方案論證-4-三、硬件電路設(shè)計-5-3.1設(shè)計思路、元件選型-5-3.2原理圖-5-3.3主要芯片介紹-6-3.4硬件連線圖-10-四、軟件設(shè)計-10-4.1鋸齒波的產(chǎn)生過程-11-4.2三角波產(chǎn)生過程-13-4.3方波的產(chǎn)生過程-14-4.4正弦波的產(chǎn)生過程-16-4.5通過開關(guān)實現(xiàn)波形切換和調(diào)頻、調(diào)幅-18-五、調(diào)試與仿真-20-5.1仿真結(jié)果-21-六、總結(jié)-22-七、參考文獻：-23-一、設(shè)計目的及意義1.1設(shè)計目的〔1〕利用所學微機的理論知識進行軟硬件整體設(shè)計，鍛煉學生理論聯(lián)系實際、提高我們的綜合應用能力。

〔2〕我們這次的課程設(shè)計是以微機為根底，設(shè)計并開發(fā)能輸出多種波形〔正弦波、三角波、鋸齒波、方波、梯形波等〕且頻率、幅度可變的函數(shù)發(fā)生器。

〔3〕掌握各個接口芯片(如0832等)的功能特性及接口方法，并能運用其實現(xiàn)一個簡單的微機應用系統(tǒng)功能器件。

〔4〕在平時的學習中，我們所學的知識大都是課本上的，在機房的練習大家也都是分散的對各個章節(jié)的內(nèi)容進行練習。因此，缺乏一種系統(tǒng)的設(shè)計鍛煉。在課程所學結(jié)束以后，這樣的課程設(shè)計十分有助于學生的知識系統(tǒng)的總結(jié)到一起。

〔5〕通過這幾個波形進行組合形成了一個函數(shù)發(fā)生器，使得我對系統(tǒng)的整個框架的設(shè)計有了一個很好的鍛煉。這不僅有助于大家找到自己感興趣的題目，更可以鍛煉大家微機知識的應用。1.2設(shè)計意義波形發(fā)生器作為一種常用的信號源,是現(xiàn)代測試領(lǐng)域內(nèi)應用最為廣泛的通用儀器之一。在研制、生產(chǎn)、測試和維修各種電子元件、部件以及整機設(shè)備時，都學要有信號源，由它產(chǎn)生不同頻率不同波形的電壓、電流信號并加到被測器件或設(shè)備上，用其他儀器觀察、測量被測儀器的輸出響應，以分析確定它們的性能參數(shù)。信號發(fā)生器是電子測量領(lǐng)域中最根本、應用最廣泛的一類電子儀器。它可以產(chǎn)生多種波形信號,如正弦波,三角波,方波等,因而廣泛用于通信、雷達、導航、宇航等領(lǐng)域。二、方案論證2.1設(shè)計要求使用計算機和數(shù)模轉(zhuǎn)換器構(gòu)成信號發(fā)生器，可以產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波和正弦波等多種波形，波形的周期、頻率可調(diào)。要求完成計算機和DAC的選型，了解不同波形的產(chǎn)生原理和設(shè)計方案，畫出硬件電路圖，并編程完成軟件局部，最后調(diào)試觀察產(chǎn)生不同類型的波形信號?！?〕課程設(shè)計論文內(nèi)容要正確，概念要清楚；〔2〕完成任務書所規(guī)定的內(nèi)容；〔3〕附有電路原理圖及程序流程圖，以及程序清單；〔4〕文字要通順，書寫要工整，設(shè)計圖紙必須符合標準2.2方案論證信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法通常有以下幾種：方案一：用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器：通常是單函數(shù)發(fā)生器且頻率不高，其工作不很穩(wěn)定，不易調(diào)試。方案二：可以由晶體管、運放IC等通用器件制作，更多的那么是用專門的函數(shù)信號發(fā)生器IC產(chǎn)生。早期的函數(shù)信號發(fā)生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影響。方案三：利用專用直接數(shù)字合成ＤＤＳ芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并到達很高的頻率。但本錢較高。方案四：采用AT89C51單片機和DAC0832芯片，直接連接鍵盤和顯示。該種方案主要對AT89C51單片機的各個I/O口充分利用.P1口是連接鍵盤以及接顯示電路,P2口連接DAC0832輸出波形.這樣總體來說,能對單片機各個接口都利用上,而不在多用其它芯片,從而減小了系統(tǒng)的本錢.也對按照系統(tǒng)便攜式低頻信號發(fā)生器的要求所完成.占用空間小,使用芯片少,低功耗。綜合考慮，方案四各項性能和指標都優(yōu)于其他幾種方案，能使輸出頻率有較好的穩(wěn)定性，充分表達了模塊化設(shè)計的要求，而且這些芯片及器件均為通用器件，在市場上較常見，價格也低廉，樣品制作成功的可能性比擬大，所以本設(shè)計采用方案四。三、硬件電路設(shè)計3.1設(shè)計思路、元件選型設(shè)計思路：〔一〕、課設(shè)需要各個波形的根本輸出。如輸出鋸齒波、三角波、方波、正弦波。這些波形的實現(xiàn)的具體步驟：鋸齒波實現(xiàn)很簡單，只需要一開始定義一個初值，然后不斷的加1，當溢出后又重初值開始加起，就這樣循環(huán)下去。三角波的實驗過程是先加后減，實現(xiàn)方法是先是從00H開始加1直到溢出后就執(zhí)行減1操作，就這樣不斷調(diào)用這個循環(huán)。方波的實現(xiàn)方法是連續(xù)輸出一個數(shù)，到某個時候就改變一下值，可以把值定義為正極性的，也可以是負極性。正弦波的實現(xiàn)是非常麻煩的。它的實現(xiàn)過程是通過定義一些數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行時直接輸出定義的數(shù)據(jù)就可以了?！捕?、通過P1口和開關(guān)K0-K4相連接來控制各個波形的輸出。能根據(jù)k0-k5鍵狀態(tài)進行波形切換，開關(guān)鍵向上接“1〞，產(chǎn)生波形，向下拔接“0〞，無波形輸出。如K0鍵向上拔，K1-K4鍵向下拔，產(chǎn)生鋸齒波；K1鍵向上拔，K0、K2-K4鍵向下拔，產(chǎn)生三角波；……以此類推。元件選型：單片機AT89C51系統(tǒng)，DAC0832一片，PC機一臺，運算放大器3.2原理圖3.3主要芯片介紹〔1〕、DAC0832芯片介紹：0832采用雙緩沖接口方式，其傳送控制端接地，輸入所存允許斷ILE與+5V電源相連，利用一個地址碼進行二次輸出操作，完成數(shù)據(jù)的傳送和沖動轉(zhuǎn)換，第一次操作室P2.6為高電平，將P0口數(shù)據(jù)線上的數(shù)據(jù)鎖存于DAC0832的輸入存放器中。第二次操作是寫控制信號由效，傳送控制端為低電平，將輸入存放器中的內(nèi)容鎖存入0832的DAC存放器中，D/A轉(zhuǎn)換器便開始對鎖存于DAC存放器的8位數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，約經(jīng)過1/2時鐘周期后，在輸出端〔IOUT2、IOUT1〕建立穩(wěn)定的電流輸出。運放的作用是將0832輸出的模擬電流信號轉(zhuǎn)換為電壓波形。DAC0832為一個8位D/A轉(zhuǎn)換器,單電源供電,在+5~+15V范圍內(nèi)均可正常工作。基準電壓的范圍為±10V,電流建立時間為1μs,CMOS工藝,低功耗20mW。DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如下列圖所示。圖2-2DAC0832工作原理圖DAC0832的外部引腳及功能介紹圖如下：圖2-3DAC0832引腳圖DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)資料:芯片內(nèi)有兩級輸入存放器，使DAC0832具備雙緩沖、單緩沖和直通三種輸入方式，以便適于各種電路的需要(如要求多路D/A異步輸入、同步轉(zhuǎn)換等)。D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果采用電流形式輸出。要是需要相應的模擬信號，可通過一個高輸入阻抗的線性運算放大器實現(xiàn)這個供功能。運放的反應電阻可通過RFB端引用片內(nèi)固有電阻，還可以外接DI0~DI7：數(shù)據(jù)輸入線，TLL電平。ILE：數(shù)據(jù)鎖存允許控制信號輸入線，高電平有效。CS：片選信號輸入線，低電平有效。WR1：為輸入存放器的寫選通信號。XFER：數(shù)據(jù)傳送控制信號輸入線，低電平有效。WR2：為DAC存放器寫選通輸入線。Iout1:電流輸出線。當輸入全為1時Iout1最大。Iout2:電流輸出線。其值與Iout1之和為一常數(shù)。Rfb:反應信號輸入線,芯片內(nèi)部有反應電阻.Vcc:電源輸入線(+5v~+15v)Vref:基準電壓輸入線(-10v~+10v)AGND:模擬地,摸擬信號和基準電源的參考地.DGND:數(shù)字地,兩種地線在基準電源處共地比擬好〔2〕單片機AT89C51介紹：AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器〔FPEROM—FlashProgrammableandErasableReadOnlyMemory〕的低電壓、高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。外形及引腳排列如下列圖所示：圖3.4AT89C51引腳圖AT89C51管腳說明：VCC：供電電壓。GND：接地。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口輸出其特殊功能存放器的內(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。RST：復位輸入。當振蕩器復位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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/EA保持低電平時，那么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/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。3.4硬件連線圖圖3.5硬件連線圖四、軟件設(shè)計總體方框圖函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計K2鍵三角波K3鍵方波K4鍵正弦波K0鍵鋸齒波總體設(shè)計功能圖4.1鋸齒波的產(chǎn)生過程鋸齒波的實現(xiàn)過程是首先定義一個初值然后進行加法操作，加的步數(shù)的多少那么根據(jù)要求的頻率來進行。然后加到某個數(shù)之后就再重新設(shè)置為初值，再重復執(zhí)行剛剛的操作，如此循環(huán)下去。流程圖如下所示定義變量iuchari定義變量iucharifor(i=0;i<255;i++)P0=i判斷按鍵是否為0否重新設(shè)置變量i是開始圖3-1鋸齒波產(chǎn)生流程圖鋸此波發(fā)生子程序如下：MOVDPTR,#7FFFH;端口地址7FFFH—間址存放器MOVR7,#0;R7為0DASAW:MOVA,R7;A清零MOVX@DPTR,A;寫RAMINCR7;R7存放器加一NOP;空操作NOPNOPSJMPDASAW;轉(zhuǎn)移END4.2三角波產(chǎn)生過程三角波的實定義變量iuchari定義變量iucharifor(i=0;i<255;i++)for(i=255;i>0;i--)判斷p0是否已滿否是延時否/是開始流程圖如下列圖所示：判斷按鍵是否為0判斷按鍵是否為0三角波發(fā)生子程序如下：MOVDPTR,#7FFFH;設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換器的端口地址L1：MOVR7,#00H；A清零MOVA，R7L2:MOVX@DPTR,A；寫外部存儲器NOP；延時NOPNOPINCA；A加1JNZL1；不等與零那么轉(zhuǎn)L1L3:MOVX@DPTR,A；寫外部存儲器4.3方波的產(chǎn)生過程此波形的實現(xiàn)更加簡單，只需開始的時候設(shè)置一個初值然后直接輸出這個值就行了，輸出一段時間后，然后再重新置一個數(shù)據(jù)，然后再輸出這個數(shù)據(jù)一段時間，但是此時的時間一定要等于前面那段時間。這樣才是一個方波，如果兩個時間不相同，那就相當于一個脈沖波了。流程圖如下列圖所示：開始開始循環(huán)開始給p0賦值0x00延時給p0賦值0xff延時判斷按鍵是否為0圖3-3方波產(chǎn)生流程圖方波發(fā)生子程序：MOVDPTR,#7FFFH;設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換器的端口地址MOVR7,#FFH；將#FFH送R7FANGB:MOVA,R7;給A賦值MOVX@DPTR,A;寫RAMACALLDELAY;調(diào)用延時子程序CPLA;A取反MOVX@DPTR,A;寫RAMACALLDELAY;調(diào)用延時子程序SJMPFANGB；返回FANGBDELAY:MOVR7,#200;延時50msDEL1:MOVR6,#123NOPDEL2:DJNZR6,DEL2DJNZR7,DEL1RETEND; 程序結(jié)束4.4正弦波的產(chǎn)生過程正弦波的實現(xiàn)那么相比照擬復雜，因為正弦波的實現(xiàn)是輸出各個點的值就行了，可是各個點值那么要通過正弦函數(shù)來求出。輸出的數(shù)據(jù)剛好是256個數(shù)據(jù)，這樣那么可以直接相加就行了開始開始定義變量i定義變量i循環(huán)開始循環(huán)開始如果i=0；++i=128如果i=0；++i=128把p0定義為數(shù)組tab【i判斷按鍵是否為0延時為0那么終止圖3-4正弦波產(chǎn)生流程圖正弦波發(fā)生子程序如下：MOVDPTR,#SINTAB;正弦表寫入內(nèi)部RAM6DH-7FHMOVR0,#6DHLOOP:CLRAMOVCA,@A+DPTRMOV@R0,AINCDPTRINCR0CJNER0,#80H,LOOPMOVDPTR,#7FFFH;設(shè)置D/A轉(zhuǎn)換器的端口地址MOVR0,#6DH;設(shè)置正弦表指針LOOP1:MOVA,@R0;查表MOVX@DPTR,A;D/A轉(zhuǎn)換ACALLDELAY;延時，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束DECR0;正弦表位移量增量CJNER0#6DH,LOOP1;第一象限輸出完？LOOP2:MOVA,@R0;查表MOVX@DPTR,A;D/A轉(zhuǎn)換ALCALLDELAY;延時，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束DECR0;正弦表位移量減量CJNER0#6DH,LOOP2;第二象限輸出完？LOOP3:MOVA,@R0;查表CPLA;表值取反MOVX@DPTR,A;D/A轉(zhuǎn)換ACLALLDELAY;延時，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束INCR0;正弦表位移量增量CJNER0,#7FH,LOOP3;第三象限輸出完？LOOP4:MOVA,@R0;查表CPLA;表值取反MOVX@DPTR,A;D/A轉(zhuǎn)換ALCALLDELAY;延時，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束DECR0;正弦表位移量減量CJNER0,#6DH,LOOP4;第四象限輸出完？SJMPLOOP1DELAY:MOVR7,#200;延時50msDEL1:MOVR6,#123NOPDEL2:DJNZR6,DEL2DJNZR7,DEL1RETSINTAB:DB7FH,89H,94H,9FH,0AAH,0B4H,0C8H,0D1H,0D9HDB0E0H,0E7H,0EDH,0F2H,0F7H,0FAH,0FCH,,OFEH,0FFHEND4.5通過開關(guān)實現(xiàn)波形切換和調(diào)頻、調(diào)幅通過開關(guān)實現(xiàn)波形的切換比擬簡單只需通過輸出波形后不斷返回到檢測開關(guān)的子程序中，判斷是否有別的開關(guān)撥動，如果有別的開關(guān)撥動那么執(zhí)行別的程序，否那么輸出原來的波形，不過如果要能夠識別別的開關(guān)發(fā)生變化，必須將此開關(guān)關(guān)掉否那么會識別不了別的鍵按下。當然開關(guān)的調(diào)頻和調(diào)幅的實現(xiàn)也一樣，不過首先先輸出一個波形，然后再檢測開關(guān)是否需要調(diào)頻或者調(diào)幅，如果需要那么轉(zhuǎn)入到相應的程序中，最后再重新輸出波形。下面是調(diào)頻和調(diào)幅：開始開始判斷是否為1？否是輸出各種波形調(diào)整一下數(shù)字量圖3-5輸出波形原理下列圖式實現(xiàn)各種波形通過開關(guān)的切換的流程圖，按下開關(guān)通過P1.0為1那么輸出鋸齒波，P1.1為1輸出三角波,P1.2為1輸出方波,P1.3為1輸出正弦波。開始開始判斷P1.0是否為1判斷P1.1是否為1判斷P1.2是否為1否否否否是是是是輸出響應的波形判斷P1.3是否為1圖3-6開關(guān)切換波形原理五、調(diào)試與仿真本次的設(shè)計主要應用了protues和keilc軟件進行系統(tǒng)設(shè)計和仿真，經(jīng)過仿真后，結(jié)果較好，示波器可以正確的輸出方波、正弦波、三角波、鋸齒波，并且頻率可調(diào)。5.1仿真結(jié)果三角波和正弦波的仿真結(jié)果如下，其他波形省略。圖4-1三角波仿真結(jié)果圖4-2正弦波仿真結(jié)果六、總結(jié)本次的設(shè)計中利用AT89C51和DAC0832以及放大器完成電路的設(shè)計，用開關(guān)來控制各種波形的發(fā)生及轉(zhuǎn)換，用單片機輸出后，經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換器生成波形，最終可以通過示波器觀察。在這次的軟件設(shè)計中，程序設(shè)計采用的是匯編語言。匯編語言具有速