波形发生器的课程设计设计

目录第1章概述......................................................1第2章系统设计..................................................22.1方案论证和比较...........................................22.2总体设计.................................................2第3章硬件电路设计..............................................33.1主控制器.................................................33.2数模转换电路.............................................33.3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...............................................111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。2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，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3第3章硬件电路设计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FLASHROM程序存储器空间和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MCS－51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。CS1WR12AGND3D34D25D16D07Vref8Rfb9DGND10Iout211Iout112D713D614D515D416XFER17WR218ILE19VDD20IC2DAC0832R215KR315KR17.5K32184IC3ALM358567IC3BLM358+5V-5V12J2OUTD0D1D2D3D4D5D6D7WRWRCSCS+5VU1U0图3.1DAC0832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4一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00000000～01111111表示负数，对应输出电压为负值；10000000～11111111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（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制数通过LED数码管显示出来，显示接口电路如图3.2所示。5TitleNumberRevisionSizeBDate:8-Mar-2007SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\新建文件夹\2006课程设计\电子时钟设计\电子时钟设计.DdbDrawnBy:OSC11LCP22SCP21SI23G8F7E6D5C4B3S719S618S517S416S315S214S113OEN10VCC24SO1GND12A2S820DP9IC1TEC6122EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10IC4AT89C51R45.6KC410uFC520PC620PCR112M+5VabfcgdeGNDabcdefgdpdpDSIB1+5V12345678161514131211109RP1560abfcgdeGNDabcdefgdpdpDSIA1aabbccddeeffggdpdp+5VabfcgdeGNDabcdefgdpdpDSIC1abfcgdeGNDabcdefgdpdpDSIF1abfcgdeGNDabcdefgdpdpDSID1abfcgdeGNDabcdefgdpdpDSIE1aaaabbbbccccddddeeeeffffggggdpdpdpdpC3470pFabcdefgdpD0D1D2D3D4D5D6D7WRCS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。TitleNumberRevisionSizeBDate:8-Mar-2007SheetofFile:C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\新建文件夹\2006课程设计\电子时钟设计\电子时钟设计.DdbDrawnBy:EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10IC4AT89C51R45.6KC410uFC520PC620PCR112M+5VK2K1+5VK4K3D0D1D2D3D4D5D6D7WRCSK5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。6NNN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7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。8第5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。9参考文献[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