基于单片机的波形发生器设计

1、课程设计（论文）用纸 波形发生器设计摘要此次设计的波形发生器可产生5种波形，分别是正弦波、方波、三角波、梯形波、锯齿波，以AT89C51单片机为核心，利用DAC0832完成数模转换，以独立式按键方式来选择要产生的波形，并用示波器观察波形，侧重于硬件设计。关键字：AT89C51单片机 DAC0832数模转换器 独立式按键 波形发生器目 录绪论31硬件电路设计41.1波形发生器的系统框图41.2 AT89C51单片机介绍4 1.3 DAC0832的基础知识5 1.3.1 D/A转换器的指标5 1.3.2 DAC0832外形及引脚功能5 1.3.3 DAC0832芯片的功能和工作方式6 1.4复位电

2、路设计7 1.5输入键盘电路的设计7 1.6运放电路81.7锁存器的作用91.8波形发生器的硬件电路图92软件部分设计112.1设计思路11 2.2总体方框图11总结12参考文献13绪论 波形发生器也称函数发生器，作为一种常用的信号源，广泛应用于各种电子电路实验设计应用中。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，且波形种类有限，多为锯齿波，正弦波，方波，三角波等波形。函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。波形发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时

3、，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号，并加到被测器件或设备上，然后用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。 信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可以很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。本次设计要求如下： 设计一个能产生正弦波、方波、三角波、梯形波、锯齿波的波形发生器。以单片机为核心，利用数摸转换芯片0832完成数摸转

4、换;以按键来选择要产生的波形;用示波器观察波形。具体要求如下：1) 掌握单片机的工作原理与接口设计。2) 完成硬件设计, 包括硬件选择及硬件原理图绘制。3) 完成软件设计,绘制程序流程图。1、硬件电路设计方案设计： 采用AT89C51单片机和DAC0832芯片。对AT89C51单片机的各个I/O口充分利用。P1链接键盘，P0口链接DAC0832进行数模转换，链接74LS377锁存器。1.1 波形发生器的系统框图 多种波形发生器由AT89C51单片机、按键开关、D/A转换芯片DAC0832、运放等部分组成。系统框图如图1-1-1所示 按键开关DAC0832AT89C51 运 放 输出波形 图1-

5、1-1 波形发生器系统框图 1.2 AT89C51单片机介绍 AT89C51单片机是以8051核构成，它和8051系列单片机是兼容的系列。在应用中，只要用相同引脚的AT89C51单片机就可以直接取代51单片机。AT89C51单片机内含Flash存储器，因此在系统开发过程中可以十分容易的进行程序修改，反复进行修改，在很大程度上缩短了系统的开发周期，保证用户的系统设计达到最优，并且可以随用户的需要和发展，使系统不断追随用户的最新要求。 AT89C51是一种带4K字节Flash存储器的低电压、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术。由于将多功能的8位C

6、PU和闪存存储器组合在单个芯片上，AT89C51单片机是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除的只读存储器的单片机。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活且廉价的方案。现在AT89S51/52已经取代了AT89C51/52。 AT89C51单片机有40条引脚，与其他51系列单片机引脚是兼容的。这四十条引脚可以分为I/O端口线、电源线、控制线、外接晶体线四部分。其封装形式有两种：双列直插封装（DIP）形式和方形封装形式，如图1-2-1所示 图1-2-1 AT89C51封装和引脚分配图（a） 双列直插式封装；（b）

7、方形封装 1.3 DAC0832的基础知识 D/A转换器是将数字量转换为模拟量，它需要对每一位代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后对模拟量进行相加，从而实现D/A转换。DAC0832是8位分辨率的D/A转换芯片，该芯片因价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点而得到了广泛应用。 1.3.1 D/A转换器的指标（1）分辨率：D/A转换器对输出电压的分辨率。输入位数越多，分辨率越高。（2）转换误差：D/A转换器实际输出的模拟量与理论输出的模拟量之差。如相对误差不大于1/2LSB,当D/A为8位转换器、参考电压为VRER 时，1/2LSB=1/256VREF 。（3）转换建立时间：D/A转换器输入

8、数字量从开始变化到输出端得到稳定输出之间的时间。转换建立时间越小，转换实时性越好。 1.3.2 DAC0832外形及引脚功能 （1）（WR1）：输入寄存器的写选通信号。负脉冲图1-3-1 DAC0832外形引脚图 有效（脉宽应大于500ns有效）。由ILE、（CS）、（WR1）的逻辑组合产生（LE1），当(LE1)为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，(LE1)的负跳变时将输入数据所存。（2）AGND：模拟地，模拟信号和基准电源的参考地。（3）DI0DI7：数据输入线。TTL电平，有效时间应大于90ns，否则锁存器的数据会出错。（4）VREF：基准电压输入线（-10V+10V）。（5）R

9、FB：反馈信号输入线，芯片内部有反馈电阻，改变RFB端外接电阻值可以调整装换满量程精度。（6）DGND：数字信号地。（7）IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化。当输入全为1时IOUT1最大。（8）IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1之和为一常数。（9）（XFER）：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。（10）（WR2）：DAC寄存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由（WR2）、（XFER）的逻辑组合产生（LE2），当（LE2）为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，（LE2）的负跳变时，将数据锁存器的

10、内容写入DAC寄存器并开始D/A转换。（11）ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效。（12）VCC ：电源输入线 （+5+15V）。 1.3.3 DAC0832芯片的功能和工作方式（1）功能：DAC0832芯片为8位D/A转换器，内部由两个8位寄存器和一个8位D/A转换器组成。采用两级寄存器（输入寄存器和输出寄存器），可以实现两级缓存操作，以单缓冲、双缓冲或直通方式工作。转换时间短，约为1us。输出可以为电流或电压形式（有外接运放进行转换），可有单电源+5+15V供电。（2）工作方式 DAC0832工作方式如表3-3-1所示，当（CS）为低电平，（WR1）为下降沿，ILE为高电平，（

11、WR2）为任意信号时，（LE1）为脉冲下降沿，将待转换数据D0D7存入输入寄存器；当（CS）为低电平，（WR2）为下降沿，ILE为高电平，（XFER）为低电平时，（LE2）为脉冲下降沿，将输入寄存器内容存入DAC寄存器；（CS）为低电平，（WR1）、（WR2）为低电平，ILE为高电平，（XFER）为低电平时，（LE1）、（LE2）为低电平，DAC0832处于直通工作方式。 表3-3-1 DAC0832工作方式表（CS）(WR1)(WR2)ILE(XFER)(LE1)(LE2)工作方式Lâû Hûâ ûD0D7存入输出寄存器Lû

12、6;â Lûâ输入内容存入DAC寄存器L L L H LL L直通工作方式1.4 复位电路设计 单片机的复位电路相当于计算机重启。一般复位需要8us的时间。复位电路图如图3-4-1所示 图1-4-1 AT89C51外围复位电路 复位电路是单片机系统典型的外围电路，只需在单片机的RST引脚上加上高电平，时间不少于8us即可。1.5 输入键盘电路的设计 在单片机控制系统中，为了实现人对系统的操作控制和向系统输入参数，需要为系统设置按键，从而实现人机对话。键盘是一组（通常多于8个）按键集合。键盘使用按键一般都是具有一对常开触电的按钮开关，平时不按键时，触电处于断开状态，

13、只有当按下键时，触点才处于闭合状态，当按键被松开后，触电又处于断开状态。 根据键盘上闭合键的识别方法不同，键盘可分为非编码键盘和编码键盘两种。从键盘的结构来分，键盘可以分为独立式和行列式键盘。当系统操作比较简单，所需键盘较少时，可采用独立式非编码键盘；而当系统操作比较复杂，需要数量较多的按键时，可采用行列式非编码键盘。在本次设计中，因所需键数较少，所以采用独立式键盘。其电路如图1-5-1所示，当系统开始扫描键盘时，设定K0键控制正弦波，K1键控制方波，K2键控制三角波，K3键控制梯形波，K4键控制锯齿波。 图1-5-1 独立式输入键盘1.6 运放电路 DAC0832的输入电压较小，因此要将该电

14、压信号在示波器中显示出来，需要有一个放大器将此电信号放大到所需范围内。放大电路的增益是可调的，故运用运算放大电路能将电压信号放大到所需范围。本次设计采用LM741运算放大器。图1-6-1为741的引脚图。 图1-6-1 LM741引脚图LM741放大器引脚功能：1、5为调零端，2为反向输入端，3为同向输入端，7为电源电压正端，4为电源电压负端，6为输出端。1.7 锁存器的作用 对于快速外部设备输出的数据，视为暂态数据。单片机扩展输入口时，应用锁存器，否则数据可能丢失。74LS377是带有输出允许控制端的8D锁存器，1D8D是数据输入线，1Q8Q是数据输出线，CLK是时钟控制端，（E）为锁存允许

15、端，当（E）=0时，CLK的上升沿将8位数据锁存，这时将保持D端输入的8位数据。锁存器74LS377如图1-7-1所示 图1-7-1 锁存器74LS3771.8 波形发生器的硬件电路图如1-8-1所示 图1-8-1 波形发生器的硬件电路图2、 软件部分设计2.1 设计思路： 利用中断，当5个开关中有任一个闭合时，跳转至中断程序，在中断程序中判断是那个按键闭合，然后跳转至相应的程序，并执行输出波形的操作。每输出一个点，判断按键是否断开，若未断开，则继续输出，若断开，则结束中断程序。2.2 总体方框图：软件设计部分总框图如图4-2-1所示 函数发生器K4键控制锯齿波K3键控制梯形波K2键控制三角波K1键控制方波K0键控制正弦波总结 此次设计的波形发生器可产生5种波形，分别是正弦波、方波、三角波、梯形波、锯齿波，以AT89C51单片机为核心，利用DAC0832完成数摸转换，以独立式按键方式来选择要产生的波形，并用示波器观察波形。设计侧重于硬件设计，所以对软件设计方面介绍较少。 在设计中，有时需要进行器件的选择，因为对于器件的了解范围较小，所以选择器件可能会有些不精确，不能达到理想的