简易多功能信号发生器本科毕业论文

北 京 大 学毕业设计论文题 目 简易多功能信号发生器的电路设计 学 院 通信与电子工程学院 专业班级 电子信息工程063班 学生姓名 XXX 指导教师 XXX 成 绩 20010 年 月 日摘 要信号发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。目前使用的信号发生器大局部是函数信号发生器，且特殊波形发生器的价格昂贵。所以本设计使用的是AT89c51单片机构成的发生器，可产生三角波、方波、正弦波等多种特殊波形和任意波形，波形的频率可用程序控制改变。在单片机上加外围器件距阵式键盘，通过键盘控制波形频率的增减以及波形的选择，并用了LCD显示频率大小。在单片机的输出端口接DAC0832进行D/A转换，再通过运放进行波形调整，最后输出波形接在示波器上显示。本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。信号发生器；单片机；波形调整关键词：信号发生器；单片机；波形调整AbstractSignal-generator is a kind of signal source in common use, broadly applied at the electronics electric circuit, auto control system and teaching experiment etc. Currently used mostly function signal generator signal generator, waveform generator and a special price of expensive . So the dissertation is usage of the AT89s51 single-chip microcomputer constitute of wave-form generator, which can generate triangle wave, square wave, sine wave etc variety wave-form, the period of wave can be controlled by procedure, at outer circle spare part of the machine, plus independence type keyboard , which can control wave increase or decrease of form-frequency and the choice of wave-form, at the same time LED display frequency size. The output of the machine connect DAC0832 to carry on a DA conversion，again pass operation amplifier to put an end exportation wave-form. This design has advantage of simple circuit, tightly packed structure, cheap price, superior function etc.Keywordssignal generator; MCU; wave-form adjustment目 录摘 要IAbstractII第 1 章 绪 论11.1 课题背景11.2 课题意义11.3 国内外的研究状况31.3.1 31.3.2 4第2章 52.1 52.1.1 52.1.2 62.1.3 72.1.4 82.2 112.2.1 112.2.2 122.3 15第 3 章 163.1 163.2 173.3 173.3.1 173.3.2 193.4 193.4.1 193.4.2 203.4.3 213.5 233.5.1 233.5.2 243.5.3 2526第 4 章 274.1 274.2 274.3 284.4 284.4.1 284.4.2 294.5 304.6 314.7 31结 论32参考文献33附录135附录242致谢48上面为目录格式，具体章节的数量还有各小节的数量可以自己规定，不一定按照上面的数量写，目录是在写好正文后，再自动生成的，不用在这里填写第 1 章 绪 论1.1 课题背景随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速开展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向开展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向开展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。而在我们日常生活中，以及一些科学研究中，锯齿波和正弦波、矩形波信号是常用的根本测试信号。譬如在示波器、电视机等仪器中，为了使电子按照一定规律运动，以利用荧光屏显示图像，常用到锯齿波产生器作为时基电路。信号发生器作为一种通用的电子仪器，在生产、科研、测控、通讯等领域都得到了广泛的应用。 但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。1.2 课题意义 便携式和智能化越来越成为仪器的根本要求，对传统仪器的数字化，智能化，集成化也就明显得尤为重要。平时常用信号源产生正弦波，方波，三角波等常见波形作为待测系统的输入，测试系统的性能。单在某些场合，我们需要特殊波形对系统进行测试，这是传统的模拟信号发生器和数字信号发生器很难胜任的。利用单片机的强大功能，设计适宜的人机交互界面，使用户能够通过手动的设定，设置所需波形。该设计课题的研究和制作全面说明对低频信号发生系统要有一个全面的解、对低频信号的发生原理要理解掌握，以及低频信号发生器工作流程：波形的设定，D/A转换，单片机51单片机，显示电路，键盘控制，显示和各模块的连接通信等各个局部要熟练联接调试，能够正确的了解常规芯片的使用方法、掌握简单信号发生器应用系统软硬件的设计方法，进一步锻炼了我们在信号处理方面的实际工作能力。1.3 国内外的研究状况波形发生器的开展状况 波形发生器亦称函数发生器，作为实验用信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。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、正弦、方波、三角等波形。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波、三角波和方波的电路便是可取的路径之一，不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差，控制难，可调范围小，电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，那么电路复杂程度会大大增加。波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动鼓励、通讯和仪器仪表领域。在 70 年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，那么电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为 HP770S的信号模拟装置系统，它由 HP8770A任意波形数字化和 HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8 中波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为 Data-2021的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为9100 的任意波形发生器等。 而近几年来，国际上波形发生器技术开展主要表达在以下几个方面：1过去由于频率很低应用的范围比拟狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比拟简单的公式复合成 v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的开展，各种计算机语言的飞速开展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic ,Visual C 等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。 2与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。 3随着信息技术蓬勃开展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。 2、 国内外波形发生器产品比拟 早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz ，可以形成 256 点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的开展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。 以下给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。公司TektronixTektronix横河电机Wavetek型号AG320AWG710AG5100295最高采用频率16MS/s4GMS/s1GMS/s50MS/s通道数2224垂直分辨率12bit8bit8bit12bit存储容量64K8M8M64K输出电压10V2V15V1.3.2 本课题在国内外的研究现状二十一世纪，随着集成电路技术的高速开展，出现了多种工作频率可过 GHz 的DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的开展，2003 年，Agilent的产品 33220A能够产生 17 种波形，最高频率可到达 20M，2005 年的产品N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达。由上面的产品可以看出，函数波形发生器开展很快。 对目前而言，国外美研究和使用的信号发生器大多要求频率在10HZ-50MHZ，产生正弦、三角、锯齿、方波、调幅、直流等波形，而国内那么对频率在5*10HZ-40MHZ，能产生正选-三角等根本波形已经调幅、调频、TTL等的信号发生器需求大。第2章 低频信号发生器的方案研究2.1 总体方案论证与设计信号发生器的实现方法通常有以下几种：方案一：用分立元件组成的函数发生器：通常是单函数发生器且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。方案二：可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的那么是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR2207/2209等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。方案三：利用专用直接数字合成芯片的函数发生器：能产生任意波形并到达很高的频率。但本钱较高。方案四：采用AT89C51单片机和DAC0832芯片，直接连接键盘和显示。该种方案主要对AT89C51单片机的各个I/O口充分利用. P1口是连接键盘以及接显示电路,P2口连接DAC0832输出波形.这样总体来说,能对单片机各个接口都利用上,而不在多用其它芯片,从而减小了系统的本钱.也对按照系统便携式低频信号发生器的要求所完成.占用空间小,使用芯片少,低功耗。综合考虑，方案四各项性能和指标都优于其他几种方案，能使输出频率有较好的稳定性，充分表达了模块化设计的要求，而且这些芯片及器件均为通用器件，在市场上较常见，价格也低廉，样品制作成功的可能性比拟大，所以本设计采用方案四。2.2 模块结构划分本次设计所研究的就是对所需要的某种波形输出对应的数字信号，在通过D/A转换器和单片机局部的转换输出一组连续变化的05V的电压脉冲值。在通过显示局部显示其频率，和波形。在设计时分块来做，按照波形设定，D/A转换，51单片机连接，键盘控制和显示五个模块的设计。最后通过联调仿真，做出电路板成品。从而简化人机交互的问题，具体设计模块如图模块介绍：1.波形设定：对任意波形的手动设定2.D/A转换：主要选用DAC0832来把数字信号转换为模拟信号，在送入单片机进行处理。3.单片机局部：最小系统4.键盘：用按键来控制输出波形的种类和数值的输入5.显示局部：采用LCD显示波形的频率系统要求是便携式低功耗的，所以在硬件电路建立前首先粗略计算一下整个系统所需的功耗。考虑单片机局部有最小系统，D/A转换，键盘接口，扩展局部显示等局部的功耗大小，机器体积小，价格廉价，耗电少，频率适中，便于携带。第 3 章 硬件电路的设计3.1 根本原理 按键复位电路AT89C51LCD显示D/A转换芯片电流电压转换电流波形输出低频信号发生器系统主要由CPU、D/A转换电路、电流/电压转换电路、按键和显示电路、电源等电路组成。其工作原理为当按下第一个按键就会分别出现方波、锯齿波、三角波、正弦波，并且LCD显示器波形数据和频率。资源分配主控芯片采用ATMEL公司的89C51；采用12MHz的晶振器为89C51提供时钟信号；提供12V、-12V和5V电压；对于89C51内存分配P1口的P1.0-P1.4分别与五个按键连接，分别控制锯齿波、三角波、正弦波和方波以及他们频率的调节和占空比，P1.5以及P0口与LCD连接，P2口与DAC0832的DI0-DI7数据输入端相连。P2口的数据采用74LS373进行锁存后经过DAC0808进行D/A转换；采用LCD1602显示频率；8位D/A转换器采用DAC0808；运算放大器采用LM324。各模块具体设计 3.3.1 AT89C51单片机介绍AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory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制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图3-1是常用的一种单片机，型号为AT89C51，它将计算机的功能都集成到这个芯片内部去了，就这么一个小小的芯片就能构成一台小型的电脑，因此叫做单片机。图3-1 AT89C51芯片 它有40个管脚，分成两排，每一排各有20个脚，其中左下角标有箭头的为第1脚，然后按逆时针方向依次为第2脚、第3脚第40脚。在40个管脚中，其中有32个脚可用于各种控制，比方控制小灯的亮与灭、控制电机的正转与反转、控制电梯的升与降等，这32个脚叫做单片机的“端口，在单片机技术中，每个端口都有一个特定的名字，比方第一脚的那个端口叫做“。AT89C51单片机的功能：1主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保存时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路 2管脚说明图3-2：图3-2 AT89C51管脚分布VCC：供电电压，GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能存放器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流ILL这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口。P3口管脚备选功能： P3.0 RXD串行输入口P3.1 TXD串行输出口P3.2 /INT0外部中断0P3.3 /INT1外部中断1P3.4 T0记时器0外部输入P3.5 T1记时器1外部输入P3.6 /WR外部数据存储器写选通P3.7 /RD外部数据存储器读选通P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。EA/VPP：当/EA保持低电平时，那么在此期间外部程序存储器0000H-FFFFH，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源VPP。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的上下电平要求的宽度。4芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。5.复位电路图3-3：MCS-51单片机复位电路是指单片机的初始化操作。单片机启运运行时，都需要先复位，其作用是使CPU和系统中其他部件处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。因而，复位是一个很重要的操作方式。但单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的外部电路才能实现。图3-3 复位电路1复位功能：复位电路的根本功能是：系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。单片机的复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位如图3-4(a)和按钮复位(如图3-4(b)两种方式。图3-4 RC复位电路2单片机复位后的状态：单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，其中包括使程序计数器PC0000H，这说明程序从0000H地址单元开始执行。单片机冷启动后，片内RAM为随机值，运行中的复位操作不改变片内RAM区中的内容，21个特殊功能存放器复位后的状态为确定值，见表1。 值得指出的是，记住一些特殊功能存放器复位后的主要状态，对于了解单片机的初态，减少应用程序中的初始化局部是十分必要的。 说明：表中符号*为随机状态；表1 存放器复位后状态表特殊功能存放器初始状态特殊功能存放器初始状态ABPSWSPDPLDPHP0P3IPIE00H00H00H07H00H00HFFH*00000B0*00000BTMODTCONTH0TL0TH1TL1SBUFSCONPCON00H00H00H00H00H00H不定00H0*BPSW00H，说明选存放器0组为工作存放器组； SP07H，说明堆栈指针指向片内RAM 07H字节单元，根据堆栈操作的先加后压法那么，第一个被压入的内容写入到08H单元中；Po-P3FFH，说明已向各端口线写入1，此时，各端口既可用于输入又可用于输出 。IP00000B，说明各个中断源处于低优先级； IE000000B，说明各个中断均被关断； 系统复位是任何微机系统执行的第一步，使整个控制芯片回到默认的硬件状态下。51单片机的复位是由RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超过24个振荡周期后，51单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下等待，直到RESET引脚转为低电平后，才检查EA引脚是高电平或低电平，假设为高电平那么执行芯片内部的程序代码，假设为低电平便会执行外部程序。51单片机在系统复位时，将其内部的一些重要存放器设置为特定的值，至于内部RAM内部的数据那么不变。6.晶振电路： 晶振是晶体振荡器的简称，在电气上它可以等效成一个电容和一个电阻并联再串联一个电容的二端网络，电工学上这个网络有两个谐振点，以频率的上下分其中较低的频率是串联谐振，较高的频率是并联谐振。AT89C51单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反响元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反响回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的上下、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为30F。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作.晶振有一个重要的参数，那就是负载电容值，选择与负载电容值相等的并联电容，就可以得到晶振标称的谐振频率。晶体振荡电路如图3-5： 图3-5晶振电路3.3.2 最小应用系统图3-6。在智能化仪器仪表中，控制核心均为微处理器，而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用，是设计智能化仪器仪表的首选微控制器。单片机结合简单的晶体振荡电路和复位电路即可构成单片机最小系统，它是智能化仪器仪表的根底，也是测控、监控的重要组成局部。图3-6 最小系统电路图下面是用单片机和八个数码管来实现流水灯的仿真(图3-7)图3-7 流水灯仿真图以下图3-8为流水灯程序在KEIL中进行编译.图3-8流水灯程序编译流水灯程序:ORG 0000H START:MOV P1,#01111111B LCALL DELAY MOV P1,#10111111B LCALL DELAY MOV P1,#11011111B LCALL DELAY MOV P1,#11101111B LCALL DELAY MOV P1,#11110111B LCALL DELAY MOV P1,#11111011B LCALL DELAY MOV P1,#11111101B LCALL DELAY MOV P1,#11111110B LCALL DELAY MOV P1,#11111111B AJMP START DELAY:MOV R4,#2L3: MOV R2 ,#250L1: MOV R3 ,#250L2: DJNZ R3 ,L2 DJNZ R2 ,L1DJNZ R4 ,L3 RET END3.3.3 按键电路一、人机交互接口的设计 所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交互信息的输入/输出设备的接口8。这些输入/输出设备主要有键盘、显示器和打印机等。他们是计算机应用系统中必不可少的输入、输出设备，是控制系统与操作人员之间的交互窗口。一个平安可靠的控制系统必须具有方便的交互功能。操作人员可以通过系统显示的内容，及时掌握生产情况，并可通过键盘输入数据，传递命令，对计算机应用系统进行人工干扰，使其随时能按照操作人员的意图工作。二、键盘设计需要解决的几个问题 键盘是假设干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设备。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。编码键盘能自动识别按下的键并产生相应代码，以并行或串行方式发给CPU。它使用方便，接口简单，响应速度快，但需要专用的硬件电路。非编码键盘那么是通过软件来确定按键并计算键值。这种方法虽然没有编码键盘速度快，但它不需要专用的硬件支持，因此得到了广泛的应用9。键盘是计算机应用系统中的一个重要组成局部，设计时必须解决下述一些问题。 键盘实际上是一组按键开关的集合，其中每一个按键就是一个开关量输入装置。键的闭合与否，取决于机械弹性开关的通、断状态。反响在电压上就是呈现出高电平或低电平，假设高电平表示断开，那么低电平键闭合。所以，通过电平状态高或低的检测，便可确定相应按键是否已被按下。 实际按键操作中，假设无意中同时或先后按下两个以上的键，系统确定哪个键操作是有效的，完全取决设计者的意图。如视按下时间最长者为有效键，或认为最先按下的键为当前的按键，也可以将最后释放的键看成是输入键。不过单片机控制系统的资源有限，交互能力不强，通常总是采用单键按下有效，多键同时按下无效的原那么。 有时，由于操作人员按键动作不够熟练，会使一次按键产生屡次击键的效果，及重键的情形。为消除重键的影响，编制程序时可以将键的释放作为按键的结束。等键释放电平后再转去执行相应的功能程序，以防止一次击键屡次执行的错误发生。 键盘作为向系统提供操作人员的干预命令的接口，以其特定的按键代表着各种确定操作命令。所以准确无误地识别每个键的动作及其所处的状态，是系统能否正常工作的关键。 多数键盘的按键均采用机械弹性开关。一个电信号通过机械触点的断开、闭合过程，完成高、低电平的切换。由于机械触点的弹性作用，一个按键开关闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动。消除按键盘抖动通常有两种方法：硬件消抖和软件消抖。通过硬件电路消除按键过程中抖动的影响是一种广为采用的措施。这种做法，工作可靠，且节省机时。 硬件消抖是通过在按键输出电路上加一定的硬件线路来消除抖动，一般采用RS触发器或单稳态电路。如图3-17所示。软件消抖那么是利用延时来跳过抖动过程。 图3-17 单稳态硬件消抖电路键盘的结构形式一般有两种：独立式键盘与矩阵式键盘。独立式键盘就是各按键相互独立，每个按键各接一根I/O口线，每根I/O口线上的按键都不会影响其它的I/O口线，例如如图3-18所示2。矩阵式键盘又叫行列式键盘。用I/O口线组成行、列结构，键位设置在行列的交点上。例如44的行、列结构可组成16个键的键盘，比一个键位用一根I/O口线的独立式键盘少了一半的I/O口线。对矩阵键盘的工作过程可分两步：第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下；第二步是再识别是哪一个键按下。图3-18 独立式键盘三、矩阵键盘的工作方式1查询工作方式这种方式是直接在主程序中插入键盘检测子程序，主程序每执行一次，那么键盘检测子程序就对键盘进行检测一次。如果没有键按下，那么跳过键识别，直接执行其他程序；如果有键按下，那么通过键盘扫描子程序识别按键，得到按键的编码值。然后根据编码值进行相应的处理，处理完后再回到主程序执行。键盘扫描子程序流程如图3-19所示 。图3-19 键盘扫描流程图 如图3-20所示，就是中断工作方式，当有中断的时候，就去执行扫描程序，没有中断的时候，CPU可以去做其他的事情。这样可以提高CPU的效率。图3-20 键盘中断工作方式3.3.4 显示模块的设计通过液晶1602显示输出的波形、频率，其电路图如下：P1.7。通过软件控制液晶屏可以显示波形的种类以及波形的频率。3.3.5 D/A转换电路的设计DAC0832是CMOS工艺制造的8位D/A转换器，属于8位电流输出型D/A转换器，转换时间为1us，片内带输入数字锁存器。DAC0832与单片机接成数据直接写入方式，当单片机把一个数据写入DAC存放器时，DAC0832的输出模拟电压信号随之对应变化。利用D/A转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规那么波形。1.DAC0832主要性能：输入的数字量为8位；采用CMOS工艺，所有引脚的逻辑电平与TTL兼容；数据输入可以采用双缓冲、单缓冲和直通方式；转换时间：1us；精度：1LSB；分辨率：8位；单一电源：515V，功耗20mw；参考电压：-10+10V；DAC0832内部结构资料:芯片内有两级输入存放器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。D/A转换结果采用电流形式输出。要是需要相应的模拟信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现这个供功能。运放的反响电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，还可以外接。 该片逻辑输入满足TTL电压电平范围，可直接与TTL电路或微机电路相接，下面是芯片电路原理图3-20图3-20 DAC0832电路原理图如图3-20所示，待转换的8位数字量由芯片的8位数据输入线D0D7输入，经DAC0832转换后，通过2个电流输出端IOUT1和IOUT2输出，IOUT1是逻辑电平为1的各位输出电流之和，IOUT2是逻辑电平为0的各位输出电流之和。另外，ILE、和是控制转换的控制信号。DAC0832由8位输入存放器、8位DAC存放器和8位D/A转换电路组成。输入存放器和DAC存放器作为双缓冲，因为在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间内，输入存放器可用于保存此瞬间出现的数据。有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片DAC0832，每片DAC0832的转换时间相同，就可采用DAC存放器对CPU分时输入到输入存放器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时产生各模拟信号。控制信号ILE、用来控制输入存放器。当ILE为高电平，为低电平，为负脉冲时，在LE产生正脉冲；其中LE为高电平时，输入存放器的状态随数据输入线状态变化，LE的负跳变将输入数据线上的信息存入输入存放器。控制信号和用来控制8位A/D转换器。当为低电平，输入负脉冲时，那么在LE产生正脉冲；其中LE为高电平时，DAC存放器的输入与输出的状态一致，LE负跳变，输入存放器内容存入DAC存放器。 DAC0832的数据输出方式在微机应用系统中,通常使用的是电压信号,而DAC0832输出的是电流信号，这就需要由运算放大器组成的电路实现转换。其中有输出电压各自极性固定的单位性输出和在随动系统中输出电压有正负极性的双极性输出两种输出方式。3. DAC 0832同CPU的连接微处理器与DAC0832之间可以不加锁存器，而是利用DAC0832内部锁存器，将CPU通过数据总线直接向DAC0832输出的停留时间很短的数据保存，直至转换结束。DAC0832同CPU的接口如图3-21所示.DAC0832作为微处理器的一个端口，用地址92H的选通作为和的控制信号，微处理器的写信号直接来控制和。图3-21 DAC0832和CPU连接电路本系统D/A转换电路图3-22图3-22 D/A转换电路图DAC0832芯片原理管脚功能介绍如图5所示图5 DAC0832管脚图(1) DI7DI0：8位的数据输入端，DI7为最高位。(2) IOUT1：模拟电流输出端1，当DAC存放器中数据全为1时，输出电流最大，当 DAC存放器中数据全为0时，输出电流为0。(3) IOUT2：模拟电流输出端2， IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1IOUT2常数。(4) RFB：反响电阻引出端，DAC0832内部已经有反响电阻，所以 RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反响电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。(5) VREF：参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为(+10-10)V。VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。(6) Vcc：芯片供电电压，范围为(+5 15)V。(7) AGND：模拟量地，即模拟电路接地端。(8) DGND：数字量地。 当WR2和XFER同时有效时，8位DAC存放器端为高电平“1，此时DAC存放器的输出端Q跟随输入端D也就是输入存放器Q端的电平变化；反之，当端为低电平“0时，第一级8位输入存放器Q端的状态那么锁存到第二级8位DAC存放器中，以便第三级8位DAC转换器进行D/A转换。一般情况下为了简化接口电路，可以把和直接接地，使第二级8位DAC存放器的输入端到输出端直通，只有第一级8位输入存放器置成可选通、可锁存的单缓冲输入方式。 特殊情况下可采用双缓冲输入方式，即把两个存放器都分别接成受控方式制作低频信号发生器有许多方案：主要有单缓冲方式，双缓冲方式和直通方式。单缓冲方式具有适用于只有一路模拟信号输出或几路模拟信号非同步输出的情形的优点，但是电路线路连接比拟简单。而双缓冲方式适用于在需要同时输出几路模拟信号的场合，每一路模拟量输出需一片DAC0832芯片，构成多个DAC0832同步输出电路，程序简单化，但是电路线路连接比拟复杂。根据以上分析，我们的课题选择了单缓冲方式使用方便，程序简单，易操作。DAC0832主要是用于波形的数据的传送，是此题目电路中的主要芯片D/A转换器的性能指标16：1.分辨率：输出模拟电压应能区分02n-1共2n个输入数字量。表示方法：1用输入二进制数的位数表示；如8位。2) 用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。指最小输出电压和最大输出电压之比。DAC0808的分辨率为1/256。2精度：DAC实际输出电压与理想的输出电压的偏差。 DAC0808的最大满刻度偏差为+1LSB 。3线性度：DAC实际传输特性曲线与理想的传输特性曲线的偏差。 DAC0808的最大误差为+0.19% 。4温度灵敏度：在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1，输出电压变化的百分数作为温度系数。5转换速度：用完成一次转换所需的时间建立时间Tset来衡量。建立时间：输入信号从开始变化到输出电压进入与稳态值相差1/2LSB范围以内的时间。输入信号由全0变为全1所需时间最长。当外接运放时，转换时间还应加上运放的上升下降时间。 32式中为转换时间 ，为建立时间，输出最大电压值，为运放输出转换速率。二、D/A转换器的分类D/A转换器的品种繁多、性能各异。按输入数字量的位数分：8位、10位、12位和16位等；按输入的数码分：二进制方式和BCD码方式；按传送数字量的方式分：并行方式和串行方式；按输出形式分：电流输出型和电压输出型，电压输出型又有单极性和双极性；按与单片机的接口分：带输入锁存的和不带输入锁存的。3.3.6 I/V转换波形输出电路DAC0832为电流输出型转换器,一般要求输出是电压，所以还必须经过一个外接的运算放大器转换成电压。如图3-23所示为一种用两级运算放大器组成的模拟电压输出电路。从第一个运放输出为单极性模拟电压，从第二个运放输出为双极性模拟电压。如果参考电压为+5V，那么点a输出电压为0-5V，点b输出电压为5V。 图3-23 I/V转换波形发生电路一、LM324简介LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如下图。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+、“-为两个信号输入端，“V+、“V-为正、负电源端，“Vo为输出端。两个信号输入端中，Vi-为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图2。由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。LM324 图3-3 各对应管脚由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。如以下图3-3各对应管脚。)LM324工作原理管脚功能如图9所示 图9 LM324管脚图在此工程中用了LM324的三组运放，分别置于第一级输出，第一、二级之间，第二级输出。原理图 电压变换原理图如图3-27所示图3-27 系统信号变换双极性输出实现假设D/A转换器输出为双极性，如图4所示。图7 D/A转换器双极性输出电路图7中，运算放大器A2的作用是把运算放大器A1的单向输出电压转换成双向输出电压。其原理是将A2的输入端通过电阻R1与参考电压VREF相连，VREF经R1向A2提供一个偏流I1，其电流方向与I2相反，因此运算放大器A2的输入电流为I1、I2之代数和。那么D/A转换器的总输出电压为： 11 12为DAC0832提供的参考电压，输入的波形数据。由上两式可得： 13取，当时，；时，；时，。由上述分析可看出，取不同数据时0255，可得对称的双极性波形输出。再取，那么式11可表示为： 由上式可知，输出信号的幅度受的改变而改变。第 4 章 软件设计4.1 软件总体设计应用系统中的应用软件是根据系统功能要求而设计的，能可靠地实现系统的各种功能。一个优秀的应用系统的应具有以下特点：(1)根据软件功能要求，将系统软件分成假设干个独立的局部。设计出软件的总体结构，使其结构清晰、流程合理。(2)要树立结构化程序设计风格，各功能程序模块化、子程序化。既便于调试、链接，又便于移植、修改。(3)建立正确的数学模型。即根据功能要求，描述各个输入和输出变量之间的数学关系，它是关系到系统好坏的重要因素。(4)为提高软件设计的总体效率，以简明、直观法对任务进行描述，在编写应用软件之前，应绘制出程序流程图。(5)要合理分配系统资源，包括ROM、RAM、定时数器、中断资源等。(6)注意在程序的有关位置处写上功能注释，提高程序的可读性。(7)加强软件抗干扰设计，它是提高系统应用可靠性的有利措施。本系统的软件包括以下几个程序模块：(1)初始化程序；(2)显示程序；(3)键盘扫描程序与处理程序；(4)定时器0效劳程序；(5)正弦波发生程序及其效劳程序；(6)三角波发生程序；(7)方波发生程序；(8)锯齿波发生程序。4.2 软件功能设计复位程序完成如下工作：1.显示2秒的PPP.HELLO初始界面；2.初始频率设置为983HZ；3.将频率值转换成定时器的初值；4.置定时器0工作于方式1，即16位定时器方式，送入定时器0定时初值，启动定时器0工作；5.显示初始频率和产生波形的类型；6.转键盘扫描程序。系统的初始化流程如图4-1所示。