波形发生器的课程设计设计

1、目 录 第 1 章 概述 .1 第 2 章 系统设计 .2 2.1 方案论证和比较 .2 2.2 总体设计 .2 第 3 章 硬件电路设计 .3 3.1 主控制器.3 3.2 数模转换电路 .3 3.3 其他外围器件扩展.4 第 4 章 软件设计 .6 第 5 章 系统总结和分析 .8 参考文献 .9 附录 1 系统原理图.10 附录 2 主要源代码.11 第 1 章 概述 在科学研究、工程教育及生产实践中，常常要用到波形发生器。如工业过程 控制、教学实验、机械振动、生物医学领域。 目前，长期使用的信号发生器绝大部分都是由模拟电路构成的，这类仪器作 为信号源，频率达百兆赫兹，在高频范围内其频率

2、稳定性高、可调性好。而用于 低频信号输出时，其需要 RC 值很大，参数准确度难以保证，而且体积大，损耗 也大。目前，有人研究制造了由数字电路构成的波形发生器，其低频性能好，但 是体积较大，价格较贵。 本设计采用一片 AT89C51 和一片 DAC0832 数模转换器做成的低频信号波形发 生器，它的特点是价格低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、 耗电少等。 第 2 章 系统设计 2.1 方案论证和比较 方案一：采用函数信号发生器 ICL8038 集成模拟芯片，它是一种可以同时产 生方波、三角波、正弦波的专用集成电路。但是这种模块产生的波形都不是纯净 的波形，会寄生一些高次谐波分量

3、，采用其他的措施虽可滤除一些，但不能完全 滤除掉。 方案二：采用 AT89C51 单片机和 DAC0832 数模转换器生成波形，由于是软件 滤波，所以不会有寄生的高次谐波分量，生成的波形比较纯净。它的特点是价格 低、性能高，在低频范围内稳定性好、操作方便、体积小、耗电少。 经比较，方案二既可满足课程设计的基本要求又能充分发挥其优势，电路简 单，易控制，性价比高，所以采用该方案。 2.2 总体设计 本设计采用键盘操作控制输出方波、正弦波、三角波，可用键盘方便地控制 频率和幅值的变化，并将幅值和频率用六位十进制数通过 LED 数码管显示出来， 硬件原理方框图如图 2.1 所示。 图 2.1 硬件原

4、理方框图 波形发生器的技术指标： (1)波形：方波、正弦波、三角波； (2)幅值电压：1V、2V、3V、4V、5V； (3)频率：10Hz、20Hz、50Hz、100Hz、200Hz、500Hz、1000Hz； (4)输出极性：双极； 单 片 机 键盘电路 显示电路 数模转换 电路 放大电路波形输出 电源电路 第第 3 章章 硬件电路设计硬件电路设计 3.1 主控制器 设计中主要采用 ATMEL 公司的 AT89C51 型单片机，它具有如下优点：（1） 拥有完善的外部扩展总线，通过这些总线可方便地扩展外围单元、外围接口等。 （2）该单片机内部拥有 4K 字节的 FLASH ROM 程序存储器空

5、间和 256 字节的 RAM 数据存储空间，完全可以满足程序的要求。由于该芯片可电擦写，故可重复使用。 如果更改程序内容，可将芯片拿下重新烧写。 （3）该单片机与工业标准的 MCS51 型机的指令集和输出引脚兼容。 3.2 数模转换电路 设计中采用的是 DAC0832 型芯片。其优点是功耗低，泄漏电流误差小，温度 低。它是一种使用较多的 8 位 D/A 转换器，其转换时间为 1us，工作电压为+5V 到+15V，基准电压为-10V 到+10V。由于其内部有两个 8 位寄存器和一个 8 位 D/A 转换器，故可进行两极缓冲操作，使操作有很大的灵活性（本设计采用的是单缓 冲方式） 。硬件连接电路是

6、将两极寄存器的控制信号并接输入数据，在控制信号 作用下直接送入 DAC 寄存器中，硬件连接图如图 3.1 所示。 CS 1 WR1 2 AGND 3 D3 4 D2 5 D1 6 D0 7 Vref 8 Rfb 9 DGND 10 Iout2 11 Iout1 12 D7 13 D6 14 D5 15 D4 16 XFE R 17 WR2 18 ILE 19 VDD 20 IC2 DAC0832 R2 15K R3 15K R1 7.5K 3 2 1 84 IC3A LM358 5 6 7 IC3B LM358 +5V -5V 1 2 J2 OUT D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D

7、7 WR WR CS CS +5V U1 U0 图 3.1 DAC0832 的双极性输出 DAC0832 的双极性输出，DAC 转换器的输出电压 U0 与输入的数字量 D 之间的 关系为 U0=(Vref/2n)*D,输出电压的极性完全取决于基准电压 Vref 的极性。当 Vref 的极性不变时，只能获得单极性的模拟电压输出。 DAC0832 在 Vref=+5V 时，单极性输出为 0 到-5V。在单极性电路的基础上再 接一个反相比例加法器电路，可实现双极性输出 U0=-(15/7.5)*U1-(15/15)*Vref =-(2*U1+5) 当 U1=0-5V 时，U0=-5+5V。由于实际输

8、出范围比单极性时扩大一倍，因 此双极性输出时灵敏度下降为单极性时的一半。 单极性输出时 1LSB=5/28V 双极性输出时 1LSB=2*5/28=5/27 在双极性输出时，输入的二进制数表示负数，对应输出电压为负值；表 示正数，对应输出电压为正值。 DAC0832 是电流型输出，在应用时外接集成运算放大器使之成为电压型输出。 本设计中采用的集成运算放大器是 LM358，其内部包括有两个独立的、高增益、 内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用 于双电源工作模式。本设计采用的是双电源工作模式，构成电流/电压转换电路 和反相比例加法器电路。 3.3 其他外围器件扩展

9、 （1）显示接口电路。此电路采用的是 TEC6122 共阴极 8X8 段 LED 数码管显 示驱动电路是全定制专用集成电路。该电路由开机自清电路、振荡电路、位扫描 驱动电路、8X8bit 数据锁存器电路组成。它可与各种型号的微处理器串行口或并 行口连接,专供驱动 8 位 X8 段共阴极 LED 数码管。该驱动芯片的特点是：工作电 压：+4V+6V；位扫描驱动电流80mA(V=+5V)；段扫描驱动电流10mA (V=+5V)； 可驱动每段串联 4 个 LED(V=+5V)；可驱动高彩色 LED 管；可通过 N 个 TEC6122 级连实现 NX8 位 LED 显示。 本设计将幅值和频率用六位十进

10、制数通过 LED 数码管显示出来，显示接口电 路如图 3.2 所示。 Title NumberRevisionSize B Date:8-Mar-2007 Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator件件件件件件件2006件件件件件件件件件件件件件件件件.DdbDrawn By: OSC 11 LCP 22 SCP 21 SI 23 G 8 F 7 E 6 D 5 C 4 B 3 S7 19 S6 18 S5 17 S4 16 S3 15 S2 14 S1 13 OEN 10 VCC 24 SO 1 GND 12 A 2 S8 20 D

11、P 9 IC1 TE C6122 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 IC4 AT89C51 R4 5.6K C4

12、 10uF C5 20P C6 20P CR1 12M +5V a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIB1 +5V 1 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 RP1 560 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIA1 aa bb cc dd ee ff gg dpdp +5V a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIC1 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIF1 a bf c g d e GN

13、D a b c d e f g dp dp DSID1 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIE1 aaaa bbbb cccc dddd eeee ffff gggg dpdpdpdp C3 470pF a b c d e f g dp D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 WR CS 图 3.2 显示接口电路 （2）按键接口电路。如图 3.3 所示，K1 为“调幅”键；K2 为“调频”键； K3 为产生“方波”键；K4 为产生“三角波”键；K5 为产生“正弦波”键。 Title NumberRevisionSize B Date:8-Ma

14、r-2007 Sheet of File:C:Documents and SettingsAdministrator件件件件件件件2006件件件件件件件件件件件件件件件件.DdbDrawn By: EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24

15、P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 IC4 AT89C51 R4 5.6K C4 10uF C5 20P C6 20P CR1 12M +5V K2 K1 +5V K4 K3 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 WR CS K5 图 3.3 键盘接口电路 （3）复位电路。该电路采用的上电复位（如图 4 所示） ，利用电容充电来实 现的，即上电瞬间 RST 端的电位与 VCC 相同，随着充电电流的减少，RST 的电位 逐渐下降。 （4）时钟电路。由于频率较大时，三角波、正弦波、方波中每一点延时时 间为

16、几微秒，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的功率波形，该电路用 12MHz 晶振。 N N N 第 4 章 软件设计 主程序框图如图 4.1 所示。 正弦波键吗？ 置标志 方波键吗？ 置标志 三角波键吗? 置标志 N 数值处理 频率键吗？ N 数值处理 N 幅值键吗？ 有键按下吗? 开始、初始化 调显示、按键扫描 图 4.1 程序框图 主程序和子程序都存放在 AT89C51 单片机中。主程序的功能是：开机以后负 责查键，即做键盘扫描及显示工作，然后根据用户所按的键转到相应的子程序进 行处理。 子程序的功能有：幅值输入处理、频率输入处理、正弦波输出、三角波输出、 方波输出、显示等。 第 5

17、章 系统总结和分析 应该说这次课程设计还是基本达到了设计的要求，但是也存在着未能解决的 问题。比如说波形的输出精度。 这次波形发生器的设计，使我学到了数模转换芯片 DAC0832、数码管、键盘、 集成运算放大器 LM358 和专供驱动 8 位 X8 段共阴极 LED 数码管显示芯片 TEC6122 的使用，更重要的是学会了程序出问题时调试的方法，并养成了调试的习惯，学 到了程序出问题后怎样去解决的基本方法。 参考文献 1 陈莘城.实用电子电路设计与调试M.北京：中国电力出版社，1993.670- 697. 2 曹巧暖.单片机原理及应用M.北京：电子工业出版社，2002-7-2. 3 曾兴雯，刘

18、乃安，陈健.高频电路原理与分析M.西安：西安电子科技大 学 出版社，2001.281-295. 4 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社， 2003.345-362 5 潘永雄，沙河，刘向阳.电子线路 CAD 实用教程M.西安：西安电子科技 大学出版社，2001.13-118. 6 张毅刚，彭喜源，谭晓昀，曲春波.MCS-51 单片机应用设计M.哈尔滨：哈 尔滨工业大学出版社，1997.53-61. 7 杨欣.电子设计从零开始C/OL.北京：清华大学出版社，2004.1-4. 8 zhiweihzx.TEC6122 芯片资料.中国软硬件结合技术网.2005-10-31. 9

19、 A.J.Viterbi:”Acquistion and Tracking Behavior of Phase-Locked Loops”,JPL External Publication No.673,July 14,1959 10 James K.Hardy High Frequency Circuit DesignM. Washington：Preston Publi- shing Commpany,1979. 附录 1 系统原理图 1234 A B C D 4321 D C B A Title NumberRevisionSize A4 Date:8-Mar-2007 Sheet of

20、 File:C:Documents and SettingsAdministrator件件件件件件件2006件件件件件件件件件件件件件件件件.DdbDrawn By: OSC 11 LCP 22 SCP 21 SI 23 G 8 F 7 E 6 D 5 C 4 B 3 S7 19 S6 18 S5 17 S4 16 S3 15 S2 14 S1 13 OEN 10 VCC 24 SO 1 GND 12 A 2 S8 20 DP 9 IC1 TE C6122 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15

21、P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE /P 30 TXD 11 RXD 10 IC4 AT89C51 R4 5.6K C4 10uF C5 20P C6 20P CR1 12M +5V K2 K1 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIB1 +5V 1

22、 2 3 4 5 6 7 8 16 15 14 13 12 11 10 9 RP1 560 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIA1 aa bb cc dd ee ff gg dpdp +5V +5V K4 K3 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIC1 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIF1 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSID1 a bf c g d e GND a b c d e f g dp dp DSIE1

23、 aaaa bbbb cccc dddd eeee ffff gggg dpdpdpdp C3 470pF a b c d e f g dp +5V C1 0.1uF C2 100uF CS 1 WR1 2 AGND 3 D3 4 D2 5 D1 6 D0 7 Vref 8 Rfb 9 DGND 10 Iout2 11 Iout1 12 D7 13 D6 14 D5 15 D4 16 XFE R 17 WR2 18 ILE 19 VDD 20 IC2 DAC0832 R2 15K R3 15K R1 7.5K 3 2 1 84 IC3A LM358 5 6 7 IC3B LM358 +5V -

24、5V 1 2 J2 OUT D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 WR WR WR CS CS CS +5V K5 1 2 3 J1 CON3 -5V -5V C1 0.1uF C2 100uF 附录主要源代码 include #define uchar unsigned char #define uintunsigned int sbit LCP=P22; sbit SCP=P21; sbit SI=P20; sbit S1=P23; sbit S2=P24; sbit S3=P25; sbit S4=P26; sbit S5=P27

25、; sbit DA0832=P33; sbit DA0832_ON=P32; uchar fun=0,b=0,c=0,d=0,tl,th; uchar code tab10=0 x3f,0 x06,0 x5b,0 x4f,0 x66,0 x6d,0 x7d,0 x07,0 x7f,0 x6f; uchar code tosin256=0 x80,0 x83,0 x86,0 x89,0 x8d,0 x90,0 x93,0 x96,0 x99,0 x9c,0 x9f,0 xa 2,0 xa5,0 xa8,0 xab,0 xae,0 xb1,0 xb4,0 xb7,0 xba,0 xbc,0 xbf

26、,0 xc2,0 xc5 ,0 xc7,0 xca,0 xcc,0 xcf,0 xd1,0 xd4,0 xd6,0 xd8,0 xda,0 xdd,0 xdf,0 xe1,0 xe3,0 xe5,0 xe7,0 xe9,0 xea,0 xec,0 xee,0 xef,0 xf1,0 xf2,0 xf4,0 xf5 ,0 xf6,0 xf7,0 xf8,0 xf9,0 xfa,0 xfb,0 xfc,0 xfd,0 xfd,0 xfe,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xff,0 xfe,0 x

27、fd ,0 xfd,0 xfc,0 xfb,0 xfa,0 xf9,0 xf8,0 xf7,0 xf6,0 xf5,0 xf4,0 xf2,0 xf1,0 xef,0 xee,0 xec,0 xea,0 xe9,0 xe7,0 xe5,0 xe3,0 xe1,0 xde,0 xdd,0 xda ,0 xd8,0 xd6,0 xd4,0 xd1,0 xcf,0 xcc,0 xca,0 xc7,0 xc5,0 xc2,0 xbf,0 xbc,0 xba,0 xb7,0 xb4,0 xb1,0 xae,0 xab,0 xa8,0 xa5,0 xa2,0 x9f,0 x9c,0 x99 ,0 x96,

28、0 x93,0 x90,0 x8d,0 x89,0 x86,0 x83,0 x80,0 x80,0 x7c,0 x79,0 x76,0 x72,0 x6f,0 x6c,0 x69,0 x66,0 x63,0 x60,0 x5d,0 x5a,0 x57,0 x55,0 x51 ,0 x4e,0 x4c,0 x48,0 x45,0 x43,0 x40,0 x3d,0 x3a,0 x38,0 x35,0 x33,0 x30,0 x2e,0 x2b,0 x29,0 x27,0 x25,0 x22,0 x20,0 x1e,0 x1c,0 x1a,0 x18,0 x16 ,0 x15,0 x13,0 x1

29、1,0 x10,0 x0e,0 x0d,0 x0b,0 x0a,0 x09,0 x08,0 x07,0 x06,0 x05,0 x04,0 x03,0 x02,0 x02,0 x01,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00 ,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x00,0 x01,0 x02 ,0 x02,0 x03,0 x04,0 x05,0 x06,0 x07,0 x08,0 x09,0 x0a,0 x0b,0 x0d,0 x0e,0 x10,0 x11,0 x13,0 x15 ,0 x16,0 x18,0 x1a,0 x1c,0

30、 x1e,0 x20,0 x22,0 x25,0 x27,0 x29,0 x2b,0 x2e,0 x30,0 x33,0 x35,0 x38,0 x3a,0 x3d,0 x40,0 x43,0 x45,0 x48,0 x4c,0 x4e ,0 x51,0 x55,0 x57,0 x5a,0 x5d,0 x60,0 x63,0 x66 ,0 x69,0 x6c,0 x6f,0 x72,0 x76,0 x79,0 x7c,0 x80 ; void display(unsigned char command) unsigned char i; LCP=0; for(i=8;i0;i-) SCP=0; if(command else SI=1; command=1