课程设计--单片机波形发生器

课程设计2011年4月6日课程单片机课程设计题目波形发生器设计院系电气信息工程学院测控系专业班级学生姓名学生学号指导教师波形发生器设计1任务书课程单片机课程设计题目波形发生器设计专业测控技术与仪器姓名学号一、任务设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和锯齿波信号可以在以上基础上任意发挥。二、设计要求[1]设计制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波等。[2]通过对AT89S51单片机的编程，了解不同波形的产生原理和设计方案，画出硬件电路图，编程完成软件部分，最后调试观察产生不同类型的波形信号。[3]写出详细的设计报告。[4]附有电路原理图及程序流程图，以及程序清单。三、参考资料[1]杜华.任意波形发生器及应用[J].国外电子测量技术，2005.1：38～40.[2]程全.基于AT89C52实现的多种波形发生器的设计[J].2005.22(5)：57～58.[3]胡鸿豪,李世红.基于单片机和DDS的信号发生器设[J].设计参考,2006(12)[4]徐建军.MCS-51系列单片机应用及接口技术[M].人民邮电出版社,2003.[5]高峰.单片机应用系统设计及实用设计[J].北京:机械工业出版社,2004年：96-100完成期限2011.3.28至2011.4.8指导教师专业负责人2011年3月28日波形发生器设计2目录第1章绪论...............................................................................................31.1波形发生器的概述...........................................31.2本设计任务.................................................3第2章总体方案论证与设计..................................................................42.1总体方案选择与论证.........................................42.2系统设计基本原理图与分析...................................5第3章系统硬件电路的设计..................................................................63.1单片机最小系统的设计........................................63.2资源分配....................................................63.3各模块电路的设计............................................73.4按键和波形指示灯电路........................................83.5电流电压转换电路............................................9第4章系统的软件设计........................................................................104.1主程序模块.................................................104.2锯齿波程序模块.............................................114.3三角波程序模块.............................................11第5章系统调试与测试结果分析........................................................135.1软件仿真...................................................135.2仿真结论分析...............................................145.3硬件测试结果分析...........................................14结论.......................................................................................................15参考文献...................................................................................................16附录1程序..............................................................................................17附录2整体电路原理图.........................................................................24附录3仿真效果图.................................................................................25波形发生器设计3第1章绪论波形发生器也称函数发生器，作为实验信号源，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，多为锯齿波，正弦波，方波，三角波等波形。作为一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。函数信号发生器是一种能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路。通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。1.1波形发生器的概述波形发生器作为一种常用的信号源,是现代测试领域内应用最为广泛的通用仪器之一。在研制、生产、测试和维修各种电子元件、部件以及整机设备时，都学要有信号源，由它产生不同频率不同波形的电压、电流信号并加到被测器件或设备上，用其他仪器观察、测量被测仪器的输出响应，以分析确定它们的性能参数。信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。它可以产生多种波形信号,如正弦波,三角波,方波等,因而广泛用于通信、雷达、导航、宇航等领域。随着集成电路的迅速发展，用集成电路可很方便地构成各种信号波形发生器。用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波形发生器相比，其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标，都有了很大的提高。1.2本设计任务本设计通过分析比较后采用传统的方法来实现多功能波形发生器。借助高性能单片机运算速度高,系统集成度强的优势,设计的这种信号发生器,比以前的数字式信号发生器具有硬件简单,理解及实现起来较容易,该方案的设计思路较为清晰,且容易对频率和幅值进行控制等优点。波形发生器设计4第2章总体方案论证与设计依据应用场合．需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不同。依据不同的设计要求选取不同的设计方案。通常，波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。有些场合可能还需要任意波形的产生。各种波形共有的指标有：波形的频率、幅度要求，频率稳定度，准确度等。2.1总体方案选择与论证对于不同波形，具体的指标要求也会有所差异，例如，占空比是脉冲波形特有的指标。波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为几大类：纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。2.1.1方案一：波形发生器设计的纯硬件法早期，波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、方波和三角波。工作原理也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换(正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波)实现方波和三角波。在各种波形后加上一级放大电路，可以使输出波形的幅度达到要求，通过开关电路实现不同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变。通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。通过调整外部元件的参数实现频率，幅值，占空比的调整，但是由于元件太过分散，即使使用单片压控函数发生器，参数与外部条件有关。因而产生的波形稳定性差，精度低，抗干扰能力差，价格高，且灵活性差。2.1.2方案二：软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、智能性。如以单片机和单片集成函数发生器为核心。辅以键盘控制、液晶显示等电路，设计出智能型函数波形发生器，采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器，同时还可以扩展波形发生器的功能，采用单片机（AT89S51）和数模转换芯片（DAC0832）实现波形的产生，波形的产生由程序控制，向D/A波形发生器设计5的输入端按一定的规律发送数据，经过D/A和MC1458产生100Hz频率波形，通过查询键盘或中断控制不同波形的产生。此方案通过编程简化了外部电路，原理简单，容易实现。方案选择：经比较，方案二明显更适合实现课程设计题目的要求。通过编程实现不同波型的产生，并且可以通过按键实现波形的切换。该方案线路简单，结构紧凑，系统稳定，易控制，容易调试等优点，综上分析，选择方案二实现课题要求。2.2系统设计基本原理图与分析2.2.1系统原理框图如图2-1图2-1波形发生器系统框图2.2.2原理框图分析：该波形发生器主要由单片机（AT89S51），数模转换电路（DAC0832）,电流/电压转换电路（MC1458），按键和波形指示灯电路，ISP接口等组成。其工作原理为当按下四个按键当中的任何一个按键，就会产生相对应的波形，并且四个LED灯作为不同波形的指示。键盘AT89S51波形指示电源A/D转换基准电压电流/电压转换输出波形发生器设计6第3章系统硬件电路的设计3.1单片机最小系统的设计AT89S51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用AT89S51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3-1AT89S51单片机最小系统所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：有可供用户使用的大量I/O口线；内部存储器容量有限；应用系统开发具有特殊性。图3-1AT89S51单片机最小系统3.2资源分配软硬件设计是设计中为了满足功能和指标要求，现分配资源如下：波形发生器设计7晶振采用12MHz，内存分配：P0口与DAC0832的DI0-DI7数据输入；P1口的P1.0~P1.3分别与四个按键相连，分别控制相应波形的输出，每输出一个波形，点亮对应的LED灯端相连；P2口与DAC0832的输入寄存器选择信号CS,输入寄存器写选通信号WR1及DAC寄存器写选通WR2和数据传送信号XFER使CPU开始工作的方法就是给CPU一个复位信号，复位信号结束后，CPU从程序存储器“0000H”开始执行程序。AT89S51高电平复位，采取手动复位。设置一个复位按钮，当操作者按下按钮时产生一个复位信号。3.3各模块电路的设计3.3.1D/A转换电路DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。能完成数字量输入到模拟量(电流)输出的转换。其主要参数如下：分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，参考电压为(+10～-10)V，供电电源为(+5～+15)V，逻辑电平输入与TTL兼容。图3-2DAC0832引脚图3.3.2DAC0832工作原理DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC