基于52單片機(jī)的波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 塊 ， （ 3） 幅度調(diào)整模塊 ， （ 4）顯示模塊 ， （ 5） D/A 轉(zhuǎn)換模塊 ， （ 6）放大模塊 ，（ 7） RS232 串行通信電路及電源供電電路模塊七部分組成。 控制模塊方案設(shè)計(jì) 方案一： 用單片 STC89C52 作為系統(tǒng)的主控核心。單片機(jī)具有體積小，使用靈活的，易于人機(jī)對話和良好的數(shù)據(jù)處理，有較強(qiáng)的指令尋址和運(yùn)算功能等優(yōu)點(diǎn)。且單片機(jī)功耗低，價格低廉的優(yōu)點(diǎn)。 方案二： 用 FPGA 等可編程器件作為控制模塊。 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，密度高，速度快，穩(wěn)定性好等許多有點(diǎn)。 FPGA 在掉電后會丟失數(shù)據(jù)上電后須進(jìn)行一次配置，因此 FPGA 在應(yīng)用中需要配置電路和一定的程序。并且 FPGA 作為數(shù)字邏輯器件，競爭、冒險是數(shù)字邏輯組合電路中 較為突出的問題，因此在使用時必須注意毛刺的產(chǎn)生、消除及抗干擾性。 在 此 系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為控制 器 比采用 FPGA 實(shí)現(xiàn)更簡便。 方案三： C89C52F005 單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與89C52 兼容的微控制器內(nèi)核，與 MCS51 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。但其價格較貴。 從電路結(jié)構(gòu)和 成本角度及綜合性價比的考慮，確定選擇方案一。 頻率調(diào)整模塊方案設(shè)計(jì) 方案一： 采用 AD0808 將模擬電壓量轉(zhuǎn)換為 8 位數(shù)字量，然后將這個 8 位數(shù)字量送給單片機(jī)，這種方式占用系統(tǒng)資源較多，運(yùn)行的效率太低，編寫工作量大而復(fù)雜。 方案二： 為了提高單片機(jī)的資源利用率和運(yùn)行的效率 ， 按鍵部分通過 8 位撥碼開關(guān)來實(shí)現(xiàn) 8 位數(shù)字量通過 74ls165 的并行輸入串行輸出給單片機(jī)的方案，這樣設(shè)計(jì)的目的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省單片機(jī)的 I/O 口資源，電路結(jié)構(gòu)簡單易行。我們采用 74ls165 實(shí)現(xiàn)頻率的改變，使頻率能夠?qū)崟r隨著撥碼按鍵開關(guān)量 的輸入而改變，電路結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)時性較強(qiáng)。 [4] 綜合以上二種方案，從電路結(jié)構(gòu)、實(shí)時性的角度考慮，選擇方案二。 基于單片機(jī)的 波形發(fā)生器 的設(shè)計(jì) 6 幅度調(diào)整模塊方案設(shè)計(jì) 方案一： 采用將 DAC0832 的 RFB 引腳接一個 100k 的滑動變阻器來改變DAC0832 的基準(zhǔn)電壓 Vref，由 DAC0832 的輸出電壓 Vo=(Vref/2^8)*N(N 為單片機(jī)送給 DAC0832 的 8 位數(shù)字量 )知道， 改變基準(zhǔn)電壓 Vref就可以改變 DAC0832的輸出電壓，從而達(dá)到波形幅度的改變。 方案二： 通過在 LM324 的電壓輸出端加 一個滑動變阻器的 方法來實(shí)現(xiàn)輸出波形 電壓的改變，從而改變實(shí)時地改變波形的幅度。此 方案在實(shí)現(xiàn)的過程中，考慮到波形的紋波電壓，在改變輸出電壓的過程中，實(shí)際的電壓與預(yù)期的電壓會有一個紋波的差別。 綜合以上二種方案，從誤差和操作的的簡單程度考慮，選擇方案一。 鍵盤模塊 方 案設(shè)計(jì) 方案一： 采用獨(dú)立按鍵，按鍵的數(shù)目少，但是它擁有 結(jié)構(gòu)簡單，方便操作，執(zhí)行效率高等優(yōu)勢。 方案二： 采用矩陣鍵盤，它以較少得 I/O 口實(shí)現(xiàn)了按鍵的功能， 但是 其操作比較復(fù)雜。 經(jīng)綜合考慮，由于我們需求的按鍵比較少，但是對執(zhí)行的效率 的要求 比較高，所以采用獨(dú)立按鍵。 顯示模塊方案設(shè)計(jì) 方案一： 用傳統(tǒng)的 LED 七段數(shù)碼管位選的方式進(jìn)行波形頻率和幅度的顯示。這種方式占用單片機(jī) I/O 資源較多，沒有驅(qū)動要加 CD4511 等外加電路，并且效率低，程序編寫量大而復(fù)雜。雖然靜態(tài)驅(qū)動編程簡單，顯示亮度高，但是占用 I/O 端口多，實(shí)際應(yīng)用時必須增加譯碼驅(qū)動器進(jìn)行驅(qū)動，增加了硬件電路的復(fù)雜性。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 LCD1602 液晶顯示， 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶 ， 它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的 點(diǎn)陣 型液晶模塊它有若干個 57 或者511 等點(diǎn)陣字符位組成， 1602 采用并口傳輸，速度比 12864 快。每個點(diǎn)陣字符 基于單片機(jī)的 波形發(fā)生器 的設(shè)計(jì) 7 位都可以顯示一個字符。 1602 內(nèi)部集成有顯示芯片，可以識別英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字和日語。此液晶顯示具有微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧等優(yōu)點(diǎn)，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。 [5] 方案三： LCD1286 是圖形點(diǎn)陣 ,是顯示圖形和漢字 ， 當(dāng)然也是可以顯示字母和阿拉伯?dāng)?shù)字了程序的編寫上 1602 復(fù)雜的多，由于本次設(shè)計(jì)只需顯示波形的頻率和幅度，不需要顯示波形圖，從電路的簡單程度和成本的角度，綜合考慮不選擇。 綜合以上三種方案，從電路的簡單程度和成本的角度我們選擇方案二。 D/A 轉(zhuǎn)換模塊方案設(shè)計(jì) 單片 機(jī) 輸出的是數(shù)字信號，必須通過 D/A 轉(zhuǎn)換后才能模擬信號。 方案一： 采用 D/A 轉(zhuǎn)換器 AD7543。 AD7543 是一種串行的 D/A 轉(zhuǎn)換器，與單片機(jī)之間的連線少，布線方便，而且又是 12 位的 D/A 轉(zhuǎn)換器，精度高。但串行數(shù)據(jù)傳輸速度慢 ,當(dāng)頻率較高時 ,必須減少每周期輸出的點(diǎn)數(shù) ,這將會導(dǎo)致階梯現(xiàn)象更加明 顯 ,因此 ,此方案不宜使用。 方案二： 采用 DAC0832。這是 8 位的并行 D/A 轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度快。 綜合以上二種方案，本系統(tǒng)選擇了方案二。 DAC0832 芯片介紹 美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 DAC0832 是 一種 具有 8 位分辨率、雙通道 輸出的 D/A 轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價比高而深受單片機(jī)愛好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。 （ 1） DAC0832 具有以下特點(diǎn) 1) 8 位分辨率； 2) 雙通道 A/D 轉(zhuǎn)換； 3) 輸入輸出電平與 TTL/CMOS 相兼容； 4) 5V電源供電時輸入電壓在 0~5V之間； 5) 工作頻率為 250KHZ，轉(zhuǎn)換時間為 32μS； 6) 一般功耗僅為 15mW； 7) 8P、 14P—DIP（雙列直插）、 P LCC 多種封裝； 8) 商用級芯片溫寬為 0176。C to +70176。C，工業(yè)級芯片溫寬為 40176。C to +85176。C。 基于單片機(jī)的 波形發(fā)生器 的設(shè)計(jì) 8 （ 2） 芯片接口說明 在電路原理圖設(shè)計(jì)時， DAC0832 的 D0D7 8 條數(shù)據(jù)線與單片機(jī)的 P0 口相連接， DAC0832 的 CS 、 XFER 腳與 相連接、 WR1 、 WR2 與單片機(jī)的 WR相連接， IOUT1 與 LM324 的 2 腳相連接， 3 腳數(shù)字地、 10 腳模擬地分別與電源地相連接。 ILE 腳與 5V電源相連接， （ 3） 單片機(jī)對 DAC0832 的控制原理 當(dāng) DAC0832 未工作時其 CS 輸入端應(yīng)為高電平，此時芯片禁用 。 當(dāng)要進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換時，須先將 CS 使能端置于低 電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。 當(dāng) DAC0832 工作時其 CS 輸入端應(yīng)為低電平， 直接將 單片機(jī) P0 口的 8 位數(shù)字量 轉(zhuǎn)換 為模擬電壓量的經(jīng) IOUT1 引腳輸出，將示波器的正極探針與 IOUT1引腳端相連接，就可以看到波形的產(chǎn)生 。 放大模塊 方案一： 采用傳統(tǒng)的單電源應(yīng)用場合的標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)算放大器，有些時候必須采用外部偏置元件才能達(dá)到放大的目的和要求。 方案二： LM324 系列器件帶有真差動輸入的四 運(yùn)算放大器 。 LM324 系列由四個獨(dú)立的，高增益，內(nèi)部頻率補(bǔ)償運(yùn)算放大器。應(yīng)用領(lǐng)域包括傳感器放大器，直流增益模塊和所有傳統(tǒng)的運(yùn)算放大器現(xiàn)在可以更容易地在單電源系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)的電路。例如，可直接操作的 LM324 系列，這是用來在數(shù)字系統(tǒng)中，輕松地將提供所需的接口電路，而無需額外的 177。15V電源標(biāo)準(zhǔn)的 5V電源電壓。 綜合以上兩種方案，我們選擇方案二，即放大模塊采用 LM324 來實(shí)現(xiàn)。 LM324 芯片介紹： LM324 系列器件帶有真差動輸入的四 運(yùn)算放大器 。該四放大器可以工作在低到 32V的電源下，靜態(tài)電流為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一 ， LM324 的引腳排列見圖 。 基于單片機(jī)的 波形發(fā)生器 的設(shè)計(jì) 9 圖 LM324 的引腳排列圖 LM324 芯片接口說明： 1， 2， 3 腳是一組 ； 5， 6， 7 腳是一組 ； 8， 9， 10 腳是一組 ； 12， 13,14 腳是一組； 剩下的兩個腳是電源 ； 1， 7， 8， 14 是各組放大器的輸出腳； 其它的就是輸入腳。 系統(tǒng)總體框圖 本系統(tǒng)是以單片機(jī) STC89C5頻率調(diào)整模塊、幅度調(diào)整模塊、 8 位 D/A轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832 以及 LCD1602 顯示模塊、 LM324 放大、 RS232 串行通信及USB 供電等模塊共同實(shí)現(xiàn)正弦波，方波，三角波，鋸齒波，脈沖波這五種頻率、幅度可調(diào)的常 見波形的功能。系統(tǒng)原理框圖如圖 。 圖 系統(tǒng)原理框圖 S T C 8 9 C 5 2 LCD1602 頻率幅度顯示模塊 D/A轉(zhuǎn)換芯片 DAC0832 LM324 波形放大及波形輸出模塊 幅 度 調(diào) 整 模 塊 電 源 供 電 模 塊 頻 率 調(diào) 整 模 塊 基于單片機(jī)的 波形發(fā)生器 的設(shè)計(jì) 10 由圖 DAC0832 轉(zhuǎn)換部分電路圖 可知， 通過代入以下數(shù)據(jù)對波形輸出與頻率、幅值調(diào)節(jié)部分進(jìn)行具體的理論分析計(jì)算。 0406030201000507WRWRCSCSR F BR F BV R E FV R E FV R E F8G N D3V C C20CS1W R 12D I 34D I 25D I 16D I 07R F B9G N D10I O U T 111I O U T 212D I 713D I 614D I 515D I 416X F E R17W R 218I LE ( B Y 1/ B Y 2)19U1D A C 08 3 2321411U3LM 32 4100% 123R V 110 0 ko u tABCDU 3( V + )U 3( V ) 圖 DAC0832 轉(zhuǎn)換部分電路圖 利用 STC89C52 單片機(jī)、 DAC083 8 位撥碼開關(guān)設(shè)計(jì)一個能產(chǎn)生 正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波的頻率、幅值、 波形可調(diào)的 波形發(fā)生器。其中8 位撥碼開關(guān)是用來產(chǎn)生 8 位二進(jìn)制數(shù)作為延時常數(shù)， DAC0832 是用來將 8 位數(shù)字量轉(zhuǎn)化成模擬量輸出。數(shù)字量輸入的范圍為 0255 之間，對應(yīng)的模擬量輸出的范圍在 Vref到 Vref+之間。根據(jù)這樣我們可以利用單片機(jī)的并行口輸出的數(shù)字量，產(chǎn)生常用的波形。 1）利用單片機(jī)產(chǎn)生方波、正弦波、三角波和鋸齒波等信號波形，信號的頻率和幅度可變。 2）將一個周期的信號分離成 256 個點(diǎn)（按 X 軸等分），每兩點(diǎn)之間的時 間間隔為 T，用單片機(jī)的定時器產(chǎn)生，其表示式為： T=T/256。如果單片機(jī)的晶振為 12MHz，采用定時器方式 0，則定時器的初值為： X=213—T/Tmec () 定時時間常數(shù)為： TL =（ 8192—T） /MOD256 () TH=（ 8192T） /256 () MOD256 表示除 256 取余數(shù) 3）正弦波的模擬信號是 D/A 轉(zhuǎn)換器的模擬量輸出，其計(jì)算公式為： Y=（ A/2sint） +A/2 (其中 A=VREF) () 基于單片機(jī)的 波形發(fā)生器 的設(shè)計(jì) 11 t=NT (N=1~256) () 那么對應(yīng)著存放在計(jì)算機(jī)里的這一點(diǎn)的數(shù)據(jù)為： () 4）一個