數(shù)字式波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、數(shù)字式波形發(fā)生器設(shè)計(jì)摘 要: 本系統(tǒng)利用單片機(jī)AT89C51采用程序設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生鋸齒波、正弦波、矩形波三種波形，再通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，濾波放大，最終由示波器顯示出來，能產(chǎn)1Hz3kHz的波形。通過鍵盤來控制三種波形的類型選擇、頻率變化，并通過液晶屏1602顯示其各自的類型以及數(shù)值，系統(tǒng)大致包括信號(hào)發(fā)生部分、數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分以及液晶顯示部分三部分，其中尤其對數(shù)/模轉(zhuǎn)換部分和波形產(chǎn)生和變化部分進(jìn)行詳細(xì)論述。關(guān)鍵詞：單片機(jī)AT89C51、DAC0832、液晶1602Design of digital waveform generatorAbstract: this

2、system capitalize on AT89C51，it makes use of central processor to generate three kinds of waves, they are triangle wave, and use D/A conversion module, wave generate module and liquid crystal display of 1602, it can have the 1Hz-3KHz profile. In this system it can control wave form choosing frequenc

3、y, range and it can have the sine wave, the square-wave, the triangular wave. Simultaneously may also take the frequency measurement and displays them through liquid crystal display of 1602. this design includes three modules. They are D/A conversion module, wave generate module and liquid crystal d

4、isplay of LED module. In this design, the wave generator into wave form module and D/A conversion module are discussed in detail. key word: AT89C51, DAC0832, liquid crystal 1602.引言該課題的設(shè)計(jì)目的是充分運(yùn)用大學(xué)期間所學(xué)的專業(yè)知識(shí)，考察現(xiàn)在正在使用的信號(hào)發(fā)生器的基本功能，完成一個(gè)基本的實(shí)際系統(tǒng)的設(shè)計(jì)全過程。關(guān)鍵的是這個(gè)實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程，在整個(gè)過程中我可以充分發(fā)揮應(yīng)用電子的專業(yè)知識(shí)。特別是這個(gè)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)中涉及到一

5、個(gè)典型的控制過程。通過單片機(jī)控制一個(gè)有特殊功能的信號(hào)發(fā)生芯片，可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的幅度和頻率可調(diào)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。因?yàn)楫a(chǎn)生的一系列的可調(diào)波形可以作為其他一些設(shè)備的數(shù)值輸入。還可以應(yīng)用于設(shè)備檢測，儀器調(diào)試等場合。高頻穩(wěn)定的波形信號(hào)也可以用于無線電波的調(diào)頻、解調(diào)中。這些都是在現(xiàn)代生活中必不可少的一些應(yīng)用。 通過這樣一個(gè)題目我不但可以總結(jié)本專業(yè)四年中所學(xué)專業(yè)知識(shí)，將其發(fā)揮在實(shí)際的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，并且對將來的工作也是一個(gè)很好的幫助。在現(xiàn)代社會(huì)中，應(yīng)用電子技術(shù)已經(jīng)滲透到社會(huì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中。傳統(tǒng)的波形發(fā)生器通常由晶體管、運(yùn)放IC 等分離元件制成。與此相比,基于集成

6、芯片的波形發(fā)生器具有高頻信號(hào)輸出、波形穩(wěn)定、控制簡便等特點(diǎn)。其中，信號(hào)發(fā)生器是自動(dòng)化領(lǐng)域中的一個(gè)典型應(yīng)用。因?yàn)楝F(xiàn)代的自動(dòng)化控制中基本都會(huì)利用信號(hào)來控制設(shè)備的工作。利用信號(hào)的產(chǎn)生進(jìn)行儀器的控制已經(jīng)是自動(dòng)控制中的一個(gè)重要的手段，那么一個(gè)幅度，頻率，占空比以及波形可調(diào)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)和完成更具有使用價(jià)值。只要將這個(gè)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的基本思路掌握，不但可以融會(huì)貫通所學(xué)的專業(yè)知識(shí)還可以在以后工作中利用到，作為用來控制其他設(shè)備或設(shè)計(jì)的一個(gè)參考。使用單片機(jī)設(shè)計(jì)的多功能信號(hào)發(fā)生器,不僅減少了器件,簡化了電路,節(jié)約了成本,更使得系統(tǒng)穩(wěn)定節(jié)能,方便快捷地輸出多種低頻信號(hào)。這種結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉但是性能優(yōu)良的信號(hào)發(fā)

7、生裝置已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用在現(xiàn)代化控制領(lǐng)域的各個(gè)方面。無論是工業(yè)，民用，航空，軍事還是商業(yè)領(lǐng)域都有信號(hào)發(fā)生裝置的設(shè)計(jì)應(yīng)用產(chǎn)品。目錄1. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1 設(shè)計(jì)要求 1.2方案設(shè)計(jì)與論證 1.2.1 信號(hào)發(fā)生電路方案論證 1.2.2 單片機(jī)的選擇論證 1.2.3 顯示方案論證 1.2.4 鍵盤方案論證 1.3 總體系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1.4 硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) 1.4.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1.4.2 波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì) 1.4.3 顯示模塊的設(shè)計(jì) 1.4.4 鍵盤模塊的設(shè)計(jì)1.5 軟件設(shè)計(jì)流程 1.6 源程序2. 輸出波形的種類與頻率的測試2.1 測試儀器及測試說明2.2 測試結(jié)果3. 設(shè)計(jì)心的及體會(huì)

8、4. 附錄 4.1 參考文獻(xiàn) 4.2 附圖第一章 緒論系統(tǒng)設(shè)計(jì) 經(jīng)過考慮，我確定方案如下：利用AT89C51單片機(jī)采用程序設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生鋸齒波、正弦波、矩形波三種波形，再通過D/A轉(zhuǎn)換器DAC0832將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，濾波放大，最終由示波器顯示出來，通過鍵盤來控制三種波形的類型選擇、頻率變化，最終輸出顯示其各自的類型以及數(shù)值。1.1、設(shè)計(jì)要求 1)、利用單片機(jī)采用軟件設(shè)計(jì)方法產(chǎn)生三種波形 2）、三種波形可通過鍵盤選擇 3）、波形頻率可調(diào) 4）、需顯示波形的種類及其頻率1.2方案設(shè)計(jì)與論證 1.2.1 信號(hào)發(fā)生電路方案論證 方案一：通過單片機(jī)控制D/A，輸出三種波形。此方案輸出的波形不夠穩(wěn)

9、定，抗干擾能力弱，不易調(diào)節(jié)。但此方案電路簡單、成本低。 方案二：使用傳統(tǒng)的鎖相頻率合成方法。通過芯片IC145152，壓控振蕩器搭接的鎖相環(huán)電路輸出穩(wěn)定性極好的正弦波，再利用過零比較器轉(zhuǎn)換成方波，積分電路轉(zhuǎn)換成三角波。此方案，電路復(fù)雜，干擾因素多，不易實(shí)現(xiàn)。 方案三：利用MAX038芯片組成的電路輸出波形。MAX038是精密高頻波形產(chǎn)生電路，能夠產(chǎn)生準(zhǔn)確的三角波、方波和正弦波三種周期性波形。但此方案成本高，程序復(fù)雜度高。以上三種方案綜合考慮，選擇方案一。1.2.2 單片機(jī)的選擇論證 方案一：AT89C51單片機(jī)是一種高性能8位單片微型計(jì)算機(jī)。它把構(gòu)成計(jì)算機(jī)的中央處理器CPU、存儲(chǔ)器、寄存器、I

10、/O接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構(gòu)成較為完整的計(jì)算機(jī)、而且其價(jià)格便宜。方案二：C8051F005單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn)8052的數(shù)字外設(shè)部件，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件，而且執(zhí)行速度快。但其價(jià)格較貴以上兩種方案綜合考慮，選擇方案一 1.2.3 顯示方案論證 方案一：采用LED數(shù)碼管。LED數(shù)碼管由8個(gè)發(fā)光二極管組成，每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當(dāng)每只數(shù)碼管顯示的時(shí)間間隔小于1/16s時(shí)人眼感覺不到閃動(dòng)，看到的是每只數(shù)碼管常亮。

11、使用數(shù)碼管顯示編程較易，但要顯示內(nèi)容多，而且數(shù)碼管不能顯示字母。 方案二：采用LCD液晶顯示器1602。其功率小，效果明顯，顯示編程容易控制，可以顯示字母。以上兩種方案綜合考慮，選擇方案二。1.2.4 鍵盤方案論證方案一：矩陣式鍵盤。矩陣式鍵盤的按鍵觸點(diǎn)接于由行、列母線構(gòu)成的矩陣電路的交叉處。當(dāng)鍵盤上沒有鍵閉合時(shí)，所有的行和列線都斷開，行線都呈高電平。當(dāng)某一個(gè)鍵閉合時(shí)，該鍵所對應(yīng)的行線和列線被短路。方案二：編碼式鍵盤。編碼式鍵盤的按鍵觸點(diǎn)接于74LS148芯片。當(dāng)鍵盤上沒有閉合時(shí)，所有鍵都斷開，當(dāng)某一鍵閉合時(shí)，該鍵對應(yīng)的編碼由74LS148輸出。以上兩種方案綜合考慮，選擇方案一。1.3總體系統(tǒng)

12、設(shè)計(jì)該系統(tǒng)采用單片機(jī)作為數(shù)據(jù)處理及控制核心，由單片機(jī)完成人機(jī)界面、系統(tǒng)控制、信號(hào)的采集分析以及信號(hào)的處理和變換，采用按鍵輸入，利用液晶顯示電路輸出數(shù)字顯示的方案。將設(shè)計(jì)任務(wù)分解為按鍵電路、液晶顯示電路等模塊。圖（1）為系統(tǒng)的總體框圖 主控芯片AT89C51P0 P1P2 P3 頻率調(diào)節(jié)波形選擇D/A轉(zhuǎn)換電壓放大濾波輸出出顯示 圖（1） 總體方框圖1.4硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) 1.4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)AT89C51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)簡單可靠。用AT89C51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，如圖（2） 89C51

13、單片機(jī)最小系統(tǒng)所示。由于集成度的限制，最小應(yīng)用系統(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） 89C51單片機(jī)最小系統(tǒng)1.4.2 波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì) 由單片機(jī)采用編程方法產(chǎn)生三種波形、通過DA轉(zhuǎn)換模塊DAC0832在進(jìn)過濾波放大之后輸出。其電路圖如下： 圖（3）波形產(chǎn)生電路如上圖所示，單片機(jī)的P0口連接DAC0832的八位數(shù)據(jù)輸入端，DAC0832的輸出端接放大器，經(jīng)過放大后輸出所要的波形。DAC0832的為八位數(shù)據(jù)并行輸入的，其結(jié)構(gòu)圖如下： 圖（4）DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.4.3 顯示

14、模塊的設(shè)計(jì)通過液晶1602顯示輸出的波形、頻率，其電路圖如下： 圖（5）液晶顯示如上圖所示，1602的八位數(shù)據(jù)端接單片機(jī)的P1口，其三個(gè)使能端RS、RW、E分別接單片機(jī)的P3.2P3.4。通過軟件控制液晶屏可以顯示波形的種類以及波形的頻率。1.5 軟件設(shè)計(jì)流程本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)，用編程的方法來產(chǎn)生三種波形，并通過編程來切換三種波形以及波形頻率的改變。具體功能有：（1）各個(gè)波形的切換；（2）各種參數(shù)的設(shè)定；（3）頻率增減等。軟件調(diào)通后，通過編程器下載到AT89C51芯片中，然后插到系統(tǒng)中即可獨(dú)立完成所有的控制。軟件的流程圖如下： 圖（7）程序流程圖2、輸出波形的種類與頻率的測試2.1

15、、測量儀器及測試說明測量儀器：穩(wěn)壓電源、示波器、數(shù)字萬用表。測量說明：正弦波、矩形波、三角波信號(hào)的輸出，通過對獨(dú)立鍵盤來實(shí)現(xiàn)其的不同波形的輸出以及其頻率的改變。2.2測試過程 當(dāng)程序下進(jìn)去時(shí)經(jīng)過初始化，液晶屏的上只顯示“wave：”和“f：“，當(dāng)開關(guān)三按一下是此時(shí)輸出波形為正弦波，按兩下時(shí)輸出為方波，按三下時(shí)輸出為三角波。另外兩個(gè)開關(guān)可以調(diào)節(jié)頻率，三種波形的頻率可調(diào)范圍不同，分別如下： 正弦波：1180HZ 方 波：13.3KHZ 三角波：1180HZ根據(jù)示波器的波形頻率的顯示計(jì)算出三種波形的頻率計(jì)算公式如下：正弦波：f=(1000/(9+3*ys)方 波：f=(100000/(3*ys)三角波：f=(1000/(15+3*ys)其中ys為延時(shí)的變量。三種波形的仿真波形圖如下： 圖（8）正弦波圖形 圖（9）方波圖形 圖（10）三角波圖行2.3、測試結(jié)果各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到要求。測試數(shù)據(jù)如下： 1）、產(chǎn)生正弦波、方波、三角波基本實(shí)現(xiàn)2）、三種波形的頻率都可調(diào)，但不能步進(jìn)的調(diào)節(jié)，其中方波的可調(diào)范圍最