調(diào)幅脈沖信號發(fā)生器

1、西華大學(xué)課程設(shè)計說明書 調(diào)壓脈沖信號發(fā)生器摘要:本設(shè)計采用AT89C51單片機(jī)構(gòu)成脈沖信號發(fā)生器產(chǎn)生可調(diào)方波波形，其幅度可用程序控制改變。利用外接按鍵控制波形幅度的增減，在單片機(jī)的輸出端口接DAC0832進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，由UA741實現(xiàn)I/V轉(zhuǎn)換，再通過運(yùn)放進(jìn)行波形調(diào)整，最終得到方波信號。本設(shè)計具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)越等優(yōu)點。本文給出了源代碼，通過仿真測試，其性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：AT89C51，D/A轉(zhuǎn)換，波形整形放大，調(diào)幅Abstract：This design uses AT89C51 microcontroller pulse signal generator to

2、generate adjustable square wave, the amplitude can be programmed to change. By using external key control waveform amplitude fluctuation, the microcontroller output port is connected to the DAC0832 to D/A conversion, and then adjusted by operational amplifier is finally obtained wave, square wave si

3、gnal. With a simple circuit, compact structure, superior performance and other advantages of this design. This paper gives the source code, through the simulation test, the performance indexes meet the design requirements.Keywords: AT89C51, D/A conversion, waveform, amplitude modulation 目 錄1前言12總體方案

4、設(shè)計22.1方案的提出和論證22.2方案的選擇33單元模塊的設(shè)計43.1單片機(jī)模塊43.2 D/A轉(zhuǎn)換模塊53.3鍵盤控制模塊83.4 I/V轉(zhuǎn)化及波形放大整形模塊94軟件設(shè)計124.1 系統(tǒng)總框圖124.2按鍵子程序125系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)146設(shè)計總結(jié)157 參考文獻(xiàn)16附錄一：電路原理圖17附錄二：設(shè)計程序181前言 隨著電子測量及其他部門對各類信號發(fā)生器的廣泛需求及電子技術(shù)的迅速發(fā)展，促使信號發(fā)生器種類增多，性能提高。尤其隨著70年代微處理器的出現(xiàn)，更促使信號發(fā)生器向著自動化、智能化方向發(fā)展?，F(xiàn)在，許多信號發(fā)生器帶有微處理器，因而具備了自校、自檢、自動故障診斷和自動波形形成和修正等功能

5、，可以和控制計算機(jī)及其他測量儀器一起方便的構(gòu)成自動測試系統(tǒng)。當(dāng)前信號發(fā)生器總的趨勢是向著寬頻率覆蓋、低功耗、高頻率精度、多功能、自動化和智能化方向發(fā)展。 在科學(xué)研究、工程教育及生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制、教學(xué)實驗、機(jī)械振動試驗、動態(tài)分析、材料試驗、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域，常常需要用到低頻信號發(fā)生器。而在我們?nèi)粘Ｉ钪?，以及一些科學(xué)研究中，鋸齒波和正弦波、矩形波信號是常用的基本測試信號。譬如在示波器、電視機(jī)等儀器中，為了使電子按照一定規(guī)律運(yùn)動，以利用熒光屏顯示圖像，常用到鋸齒波產(chǎn)生器作為時基電路。信號發(fā)生器作為一種通用的電子儀器，在生產(chǎn)、科研、測控、通訊等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。 但市面上能看到的儀器在

6、頻率精度、帶寬、波形種類及程控方面都已不能滿足許多方面實際應(yīng)用的需求。加之各類功能的半導(dǎo)體集成芯片的快速生產(chǎn)，都使我們研制一種低功耗、寬頻帶，能產(chǎn)生多種波形并具有程控等低頻的信號發(fā)生器成為可能。 便攜式和智能化越來越成為儀器的基本要求，對傳統(tǒng)儀器的數(shù)字化，智能化，集成化也就明顯得尤為重要。平時常用信號源產(chǎn)生正弦波，方波，三角波等常見波形作為待測系統(tǒng)的輸入，測試系統(tǒng)的性能。單在某些場合，我們需要特殊波形對系統(tǒng)進(jìn)行測試，這是傳統(tǒng)的模擬信號發(fā)生器和數(shù)字信號發(fā)生器很難勝任的。利用單片機(jī)的強(qiáng)大功能，設(shè)計合適的人機(jī)交互界面，使用戶能夠通過手動的設(shè)定，設(shè)置所需波形。2總體方案設(shè)計 2.1方案的提出和論證 常

7、用的函數(shù)信號發(fā)生器的實現(xiàn)方法有如下幾種 方案一： 采用分立元件實現(xiàn)信號的輸出，主要是通過模擬電路實現(xiàn)正弦信號的輸出，在通過各種積分微分電路實現(xiàn)各種不同波形的輸出。但是這種方法頻率和幅值的調(diào)整比較困難，而且模擬電路受外部因素的影響較大，輸出的波形難以控制。 方案二：采用集成信號發(fā)生芯片MAX038輸出各種波形，并通過外接電阻值改變實現(xiàn)對幅值和頻率的調(diào)整。圖2.1基于MAX038的信號發(fā)生器原理圖這種方法實現(xiàn)起來比較容易，但是頻率和幅值的調(diào)節(jié)比較困難。 方案三： 采用DAC0832通過查表得方式輸出需要的波形，通過單片機(jī)定時向DAC轉(zhuǎn)化器發(fā)送轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)不同的幅值和頻率的輸出。這種方法能夠?qū)崿F(xiàn)各

8、種需要的波形的輸出，成本也不高，只是在擴(kuò)展外設(shè)的時候浪費(fèi)了大量的接口，以后的系統(tǒng)擴(kuò)展可能會有影響。 方案四：采用DDS頻率合成器，能輸出各種波形，而且能夠輕松調(diào)節(jié)幅值和頻率。DDS同DSP（數(shù)字信號處理）一樣，是一項關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。DDS是直接數(shù)字式頻率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個關(guān)鍵技術(shù)。 圖2.2 DDS的原理框圖一塊DDS芯片中主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器三個部分。頻率控制寄存器可以串行

9、或并行的方式裝載并寄存用戶輸入的頻率控制碼；而相位累加器根據(jù)DDS頻率控制碼在每個時鐘周期內(nèi)進(jìn)行相位累加，得到一個相位值；正弦計算器則對該相位值計算數(shù)字化正弦波幅度（芯片一般通過查表得到）。DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個可用的模擬頻率信號。2.2方案的選擇根據(jù)設(shè)計要求，通過上述方案的論證與比較，我們采用AT89C51輸出所需要信號的數(shù)字量，再由D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬電流輸出，通過運(yùn)放轉(zhuǎn)化為模擬電壓輸出。因為D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換器的最大輸出電壓是由其輸入的基準(zhǔn)電壓來控制的，所以只要能控制D/A的基準(zhǔn)電壓便可以控制輸出幅度，實現(xiàn)幅度可調(diào)

10、。所以設(shè)計用DAC0832來輸出信號，通過UA741組成的單元邏輯電路實現(xiàn)波形的放大與整形，最后得到設(shè)計要求的幅度可調(diào)脈沖信號發(fā)生器。總體方案如下圖所示：圖2.3總體原理框圖3單元模塊的設(shè)計3.1單片機(jī)模塊本次設(shè)計選用的單片機(jī)芯片是AT89C51單片機(jī)。AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器(PEROM)和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash存儲單元。AT89C51

11、中有一個用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個放大器與作為反饋元件的片外石英晶休或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器。外接石英晶體(或陶瓷諾振器)及電容C1, C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1, C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性，這里選擇使用石英晶休，我們的電容使用30pF。如使用陶瓷諧振器的話，應(yīng)選擇40pF士10pF的容值的電容。也可以采用外部時鐘。采用外部時鐘的電路的情況時，外部時鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸

12、入端，XTAL2則懸空。 圖3.1：單片機(jī)最小系統(tǒng)1、主電源引腳（2根） VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線2、外接晶振引腳（2根）XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端3、控制引腳（4根）RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機(jī)器周期的高電平將使單片機(jī)復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。4、可編程輸入/輸出引

13、腳（32根）AT89S51單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32 根。每一根引腳都可以編程。 PO口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7P1口（Pin1Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.73.2 D/A轉(zhuǎn)換模塊 本次試驗選擇的D/A轉(zhuǎn)化器是DAC0832,是一款8分辨率的D/A轉(zhuǎn)換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格

14、低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易等優(yōu)點，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。D/A轉(zhuǎn)換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成。圖3.2 DAC0832內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 DAC0832內(nèi)部有輸入寄存器和DAC寄存器，所以無需外部連接專門的鎖存器。圖3.3 DACA0832引腳圖各引腳的功能如下：D0D7：8位數(shù)據(jù)輸入線，TTL電平，有效時間應(yīng)大于90ns(否則鎖存器的數(shù)據(jù)會出錯)；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（選通數(shù)據(jù)鎖存器），低電平有效；WR1：數(shù)據(jù)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

15、輯組合產(chǎn)生LE1，當(dāng)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(fù)跳變時將輸入數(shù)據(jù)鎖存；XFER：數(shù)據(jù)傳輸控制信號輸入線，低電平有效，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效；WR2：DAC寄存器選通輸入線，負(fù)脈沖（脈寬應(yīng)大于500ns）有效。由WR1、XFER的邏輯組合產(chǎn)生LE2，當(dāng)LE2為高電平時，DAC寄存器的輸出隨寄存器的輸入而變化，LE2的負(fù)跳變時將數(shù)據(jù)鎖存器的內(nèi)容打入DAC寄存器并開始D/A轉(zhuǎn)換。IOUT1：電流輸出端1，其值隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化；IOUT2：電流輸出端2，其值與IOUT1值之和為一常數(shù)；Rfb：反饋信號輸入線，改變Rfb端外接電阻值可調(diào)整轉(zhuǎn)換滿量程

16、精度；Vcc：電源輸入端，Vcc的范圍為+5V+15V；VREF：基準(zhǔn)電壓輸入線，VREF的范圍為-10V+10V；AGND：模擬信號地DGND：數(shù)字信號地DAC0832主要性能參數(shù)1. 分辨率為8位；2. 電流穩(wěn)定時間1us；3. 可單緩沖、雙緩沖或直接數(shù)字輸入；4. 只需在滿量程下調(diào)整其線性度；5. 單一電源供電（+5V+15V）；6. 低功耗，200mW。通常DAC0832有三種不同的工作方式，主要依據(jù)對數(shù)據(jù)鎖存器和DAC鎖存器的控制方式劃分：直通方式，單緩沖方式和雙緩沖方式。其中直通方式CS,XFER,WR1和WR2直接接低電平，DAC0832隨時轉(zhuǎn)換輸入的數(shù)據(jù)，占用的I/O口比較少，

17、但是當(dāng)需要I/O口做擴(kuò)展的時候容易受到干擾。 單緩沖方式者把數(shù)據(jù)鎖存器和DAC鎖存器的使能端接在一起，只需要一組信號就能同時控制兩個寄存器的。雙緩沖方式是將數(shù)據(jù)鎖存器和DAC鎖存器分開單獨控制，這種做法容易占用大量的I/0口。綜上所訴，本次設(shè)計采用了單緩沖控制方式。圖3.4 DAC0832的單緩沖方式連線圖3.3鍵盤控制模塊 通常單片機(jī)外部擴(kuò)展鍵盤的方式有獨立式鍵盤，矩陣鍵盤以及專門的鍵盤電路。獨立式鍵盤就是一個I/O口擴(kuò)展一個開關(guān)，這種方式程序編寫比較容易，只需要檢測單片機(jī)I/O某一時刻是否為低電平就能檢測出其的按鍵輸入情況，而且按鍵和I/O口一一對應(yīng)，所以能夠輕松識別按鍵的值，缺點是由于一

18、個I/O口只能連接一個按鍵，當(dāng)按鍵數(shù)量比較多的時候，勢必占用了大量的I/O口，對系統(tǒng)的擴(kuò)展造成巨大的困難。圖3.5 獨立鍵盤輸入矩陣鍵盤相比獨立式鍵盤其擴(kuò)充的量大大增加，例如常見的4*4矩陣鍵盤占用的I/O口為4+4=8個，當(dāng)需要擴(kuò)充為20鍵輸入時只需要4+5=9個I/O口，而采用獨立式鍵盤的時候要分別用掉16個I/O口和20個I/O口，由于單片機(jī)的I/O口數(shù)量有限，很難將大量的I/O口用于，顯然矩陣鍵盤能夠大大的減少系統(tǒng)I/O口的使用，矩陣鍵盤的缺點是編寫程序比較麻煩，需要上拉電阻系統(tǒng)的連線和元器件都增加。當(dāng)采用行掃描方式讀取鍵值時，需要4個上拉電阻，提供需要的高電平，當(dāng)采用線反轉(zhuǎn)法式需要采

19、用8個上拉電阻，顯然整個電路的接線都將變得更加復(fù)雜。圖3.6 矩陣鍵盤連線圖專用的鍵盤電路能夠?qū)崿F(xiàn)鍵盤的輸入，而且讀取數(shù)據(jù)也比較簡單，例如周立功公司的數(shù)碼管鍵盤擴(kuò)展電路7289，能同時控制8位7段共陰極數(shù)碼管和64個按鍵輸入，內(nèi)部自帶消抖設(shè)置，當(dāng)檢測按鍵輸入時能夠給單片機(jī)發(fā)送中斷信號，并直接將對應(yīng)的值發(fā)送給單片機(jī)，而不需要單片機(jī)另外程序?qū)ζ溥M(jìn)行識別，數(shù)碼管顯示部分能夠通過單片機(jī)設(shè)置各位的顯示段碼，并設(shè)置其導(dǎo)通與否和偏移方向。但是采用專門的鍵盤電路芯片會加大設(shè)計的成本。由于本次設(shè)計使用的按鍵數(shù)量并不要求很多，要求的只有模式，幅值+-，所以采用獨立鍵盤能夠減少系統(tǒng)電路的復(fù)雜程度，也大大簡化了對編程

20、的要求。3.4 I/V轉(zhuǎn)化及波形放大整形模塊由于D/A轉(zhuǎn)化器輸出的是電流信號，所以還需要將其轉(zhuǎn)化為電壓信號,我們采用UA741進(jìn)行I/V轉(zhuǎn)換，并實現(xiàn)波形放大整形功能。 UA741放大器為運(yùn)算放大器中最常被使用的一種，擁有反相向與非反相兩輸入端，由輸入端輸入欲被放大的電流或電壓信號，經(jīng)放大后由輸出端輸出。放大器作動時的最大特點為需要一對同樣大小的正負(fù)電源，其值由12Vdc至18Vdc不等，該設(shè)計我們使用15Vdc的電壓。UA741運(yùn)算放大器的接腳配置如圖3.7所示。圖3.7 UA741放大器輸出入腳位圖UA741運(yùn)算放大器使用時需于7、4腳位供應(yīng)一對同等大小的正負(fù)電源電壓Vdc與Vdc，一旦于2

21、、3腳位即兩輸入端間有電壓差存在，壓差即會被放大于輸出端，唯Op放大器具有一特色，其輸出電壓值決不會大于正電源電壓Vdc或小于負(fù)電源電壓Vdc，輸入電壓差經(jīng)放大后若大于外接電源電壓Vdc至Vdc之范圍，其值會等于Vdc或Vdc，故一般運(yùn)算放大器輸出電壓于到達(dá)Vdc和Vdc后會呈現(xiàn)飽和現(xiàn)象。UA741若在非反相輸入端輸入電壓，會于輸出端得到被放大的同極性輸出；若以相同電壓信號在反相輸入端輸入，則會在輸出端獲得放大相同倍率后但呈逆極性之信號輸出。而當(dāng)對放大器兩輸入端同時輸入電壓時，則是以非反相輸入端電壓值(V1)減去反相輸入端電壓值(V2)，可于輸出端得到(V1V2)經(jīng)過倍率放大后之輸出。 該模塊

22、設(shè)計原理如圖3.8所示：圖3-7 I/V轉(zhuǎn)化模塊及波形放大整形電路 4軟件設(shè)計4.1 系統(tǒng)總框圖圖4-1.系統(tǒng)總框圖4.2按鍵子程序本次設(shè)計由于要求對幅值進(jìn)行控制，所以要求用相關(guān)的按鍵輸入，前面已經(jīng)介紹了各種按鍵的優(yōu)缺點，最后選擇了獨立式鍵盤，+-幅值，模式選擇3位，共占用3個IP口，選擇P3口的高3位作為按鍵輸入。 圖4-2按鍵子程序框圖Mode：模式選擇位，用于選擇輸出的波形。Ampl+：幅值+位，步進(jìn)為0.1，系統(tǒng)的基準(zhǔn)電壓為+-2.5V。Ampl-：幅值-位。程序中的模式選擇是通過MODE位輸入，通過設(shè)定一個模式標(biāo)志位，當(dāng)執(zhí)行一次模式位按鍵程序，標(biāo)志位自動+1，并指向其所指定的波形。幅

23、值選擇通過按鍵AMPL+和AMPL-輸入，當(dāng)執(zhí)行了幅值子程序的時候，系統(tǒng)通過改變X9511抽頭的位置，改變其Vw的輸出電壓，通過VREF改變輸出電壓的幅值。5系統(tǒng)功能、指標(biāo)參數(shù)該調(diào)壓脈沖信號發(fā)生設(shè)計電路在輸入常規(guī)頻率時，可調(diào)電壓范圍為0v-12v，單位步進(jìn)為0.1v，當(dāng)按下中斷按鍵，能實現(xiàn)電壓幅度持續(xù)可調(diào)功能。輸出仿真波形如圖所示：圖5-1仿真波形圖6設(shè)計總結(jié)課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程.隨著科學(xué)技術(shù)發(fā)展的日新日異，單片機(jī)已經(jīng)成為當(dāng)今計算機(jī)應(yīng)用中空前活躍的領(lǐng)域， 在生活中可以說得是無處不在。

24、因此作為二十一世紀(jì)的大學(xué)來說掌握單片機(jī)的開發(fā)技術(shù)是十分重要的。回顧起此次單片機(jī)課程設(shè)計，我們感慨頗多，的確，從選題到定稿，從理論到實踐，在這幾個星期的日子里，可以說得是苦多于甜，但是可以學(xué)到很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會服務(wù)，從而提高自己的實際動手能力和獨立思考的能力。7 參考文獻(xiàn)1 徐愛鈞，智能化測量控制儀表原理與設(shè)計，北京航空航天大學(xué)出版社，20042 徐愛鈞，Keil Cx51 V7.0單片機(jī)高級語言編程與u Vision2應(yīng)用實踐，電子工業(yè)出版社，2004.3 劉樂善.微型計算機(jī)接口技術(shù)及應(yīng)用M.北