智能儀器課程設計--波形發(fā)生器的設計

1、<p>　　福建電力職業(yè)技術學院</p><p><b>　　課 程 設 計</b></p><p>　　課程名稱： 智能儀器 </p><p>　　題目： 波形發(fā)生器的設計 </p><p>　　專業(yè)班次：

2、 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p>　　指導教師： </p><p>　　學 期： 20

3、11-2012學年 第一學期 </p><p>　　日 期： 2011.12 </p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言Ⅰ</b></p><p>　　第一章 課程設計任務和控制要求1</p>

4、;<p>　　1.1 設計任務1</p><p>　　1.2 設計的目的和意義1</p><p>　　1.2.1 目的1</p><p>　　1.2.2 意義1</p><p>　　1.3 控制要求1</p><p>　　第二章 系統設計方案2</p><p>

5、　　2.1 總體方案設計2</p><p>　　2.2 元器件的選擇2</p><p>　　2.3 系統總體框圖設計2</p><p>　　第三章 系統硬件設計3</p><p>　　3.1 芯片簡介3</p><p>　　3.1.1 AT89C51簡介3</p><p>

6、　　3.1.2 DAC08323</p><p>　　3.2 各功能模塊的設計4</p><p>　　3.2.1 數模轉換電路4</p><p>　　3.2.2 復位電路與時鐘電路4</p><p>　　3.2.3 單片機與DAC0832的接口設計 5</p><p>　　3.2.4 波形輸出電路設計

7、5</p><p>　　3.3 硬件系統構成6</p><p>　　第四章 系統軟件設計7</p><p>　　4.1 軟件系統的功能7</p><p>　　4.2 軟件系統總流程圖7</p><p>　　4.2.1 方波子程序模塊7</p><p>　　4.2.2 正弦波形子

8、程序模塊8</p><p>　　4.2.3 鋸齒波子程序模塊10</p><p>　　4.2.4 階梯波程序子模塊11</p><p>　　第五章 波形發(fā)生器的調試與仿真13</p><p>　　5.1 方波的仿真與調試13</p><p>　　5.2 鋸齒波的仿真與調試14</p>

9、<p>　　5.3 階梯波的仿真與調試15</p><p>　　5.4 正弦波的仿真與調試16</p><p>　　第六章 總結17</p><p><b>　　參考文獻18</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　波形

10、發(fā)生器即簡易函數信號發(fā)生器，是一種能夠產生多種波形，如階梯波、鋸齒波、方波、正弦波等波形的電路。函數信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中，具有十分廣泛的用途。通過對函數波形發(fā)生器的原理以及構成分析，可設計一個能變換出階梯波、正弦波、方波、鋸齒波的函數波形發(fā)生器。在工業(yè)生產和科研中利用函數信號發(fā)生器輸出的信號，可以對元器件的性能及參數進行測量，還可以對電工和電子產品進行指數驗證、參數調整及性能鑒定。常用的信號發(fā)生器絕大部分是由模擬電路構成的，

11、當這種模擬信號發(fā)生器用于低頻信號輸出往往需要的RC很大，這樣不但參數準確度難以保證，而且體積和功耗都很大，而由數字電路構成的低頻信號發(fā)生器， 雖然其低頻性能好但體積較大，價格較貴，因此，高精度，寬調幅，低價格將成為數字量信號發(fā)生器的發(fā)展趨勢。本設計核心任務是：以 AT89C51 為核心，結合D/A轉換器 DAC0832等器件，用仿真軟件設計硬件電路，用匯編語言驅動程序，用以實現程序控制產生正弦波、階梯波、方波、鋸齒波四種常用低頻信號。&

12、lt;/p><p>　　第一章 課程設計任務和控制要求</p><p><b>　　1.1 設計任務</b></p><p>　　1.設計一款能夠產生3種以上波形的波形發(fā)生器；</p><p>　　2.能夠記錄一段時間的波形 ；</p><p>　　3.其他功能（創(chuàng)新部分 ）。</p>

13、<p>　　1.2 設計的目的和意義</p><p><b>　　1.2.1 目的</b></p><p>　　1.鞏固和加強“單片機原理”課程的理論知識</p><p>　　2.學會用單片機各種函數波形的基本方法</p><p>　　3.掌握D/A轉換與控制技術</p><p>

14、　　4.進一步熟悉掌握技術控制的技術</p><p>　　5.培養(yǎng)獨立分析問題和解決問題的能力和創(chuàng)新能力和創(chuàng)新思維</p><p><b>　　1.2.2 意義</b></p><p>　　學以致用，將自己所學的理論知識元用于實踐，提高我們動手能力，也能使我們初步掌握一些分析問題和解決問題的方法，使我們從中體會到理論問題轉化為實際問題所要經過的

15、過程和兩者之間的差距。</p><p><b>　　1.3 控制要求</b></p><p>　　用單片機AT89C51和8位D/A轉換芯片DAC0832共同實現正弦波、方波、階梯波、鋸齒波這四種常見波形的發(fā)生。</p><p>　　可以在一定范圍內改變頻率。</p><p>　　主要性能指標：輸出頻率范圍1Hz～10

16、00Hz。</p><p>　　輸出波形不能含有尖峰干擾或失真。輸入各種波形的峰峰值最大位10V。</p><p>　　采用匯編語言編寫應用程序。</p><p>　　第二章 系統設計方案</p><p>　　2.1 總體方案設計</p><p>　　方案一 采用函數信號發(fā)生器ICL8038集成模擬芯片，它是一種

17、可以同時產生方波、階梯波、正弦波的專用集成電路。但是這種模塊產生的波形不是純凈的波形，會寄生一些高次諧波分量，采用其他措施雖可濾除一些，但不能完全濾除掉。</p><p>　　方案二 采用AT89C51單片機和DAC0832數模轉化器生成波形，利用軟件的辦法產生波形，不會產生高次諧波分量，產生的波形比較純凈。利用程序可以靈活的實現多種波形，并且可以根據自己的想法可以在程序中添加子程序，給實驗添加一點自己的設計。

18、</p><p>　　比較兩種方案，方案一價格高，波形不理想，方案二價格低，性能高，在低頻范圍內穩(wěn)定性好、操作方便、功耗小、耗電少，而且方案二更加滿足課程設計要求，在完成課程設計的同時能夠更好地發(fā)揮自己的想法。由此，選擇方案二。 </p><p>　　2.2 元器件的選擇</p><p>　　該函數發(fā)生器有以下幾部分：（1）控制模塊（2）采用模塊組成。</p

19、><p>　?。?）控制模塊：用單片機AT89C51作為系統的主控核心。單片機具有體積小、功耗低、價格低廉、使用靈活、易于人機對話和良好的數據處理、有較強的指令尋址和運算功能等優(yōu)點。</p><p>　?。?）顯示模塊：采用DAC0832，其具8位分辨率、雙通道D/A轉換、輸入輸出電平與TIL/CMOS相兼容等特點。</p><p>　　2.3 系統總體框圖設計<

20、;/p><p>　　本系統是以單片機AT89C51和8位D/A轉換芯片DAC0832及顯示共同實現正弦波、方波、三角波、梯形波、鋸齒波這五種常見波形及顯示功能。 </p><p>　　2.1系統框圖 </p><p>　　第三章 系統硬件設計&l

21、t;/p><p><b>　　3.1 芯片簡介</b></p><p>　　3.1.1 AT89C51簡介</p><p>　　AT89C51是美國ATMEL公司生產的低電壓、高性能CMOS8位單片機， 片內含4Kbytes 的可反復擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和128bytes的隨機抽取數據。存儲器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密

22、度、非易失性存儲技術生產。兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和 Flash 存儲單元，功能強大。AT89C51單片機可為您提供許多高性價比的應用場合，可靈活應用于各種控制領域。芯片如圖3.1所示。 </p><p>　　圖3.1 單片機圖

23、 圖3.2 DAC0832</p><p>　　3.1.2 DAC0832</p><p>　　DAC0832是8分辨率的D/A轉換集成芯片。與微處理器完全兼容。這個DA芯片以其價格低廉、接口簡單、轉換控制容易等優(yōu)點，在單片機應用系統中得到廣泛的應用。D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路及轉換控制電路構成。芯片如圖3.2所示。</p&g

24、t;<p>　　3.2 各功能模塊的設計</p><p>　　3.2.1 數模轉換電路</p><p>　　數模轉換電路采用的是DAC0832芯片。它是一種使用較多的8位D/A轉換器，其轉換時間1us，工作電壓為+5V到+15V，基準電壓-10V到+10V。由于其內部有兩個8位寄存器和一個8位D/A轉換器，故可進行兩級緩沖操作，使操作有很大的靈活性，本設計采用單緩沖方式。&

25、lt;/p><p>　　DAC0832與AT89C51的連接。單片機P0口與數模轉換器的數據口連接，為保證單片機P0口的驅動能力，在P0口加上上拉電阻。</p><p>　　數模轉換電路的連接如3.3圖：</p><p>　　圖3.3 數模轉換電路的連接圖</p><p>　　3.2.2 復位電路與時鐘電路</p><p&

26、gt;　　該電路采用上電復位，利用電容充電來實現的，即上電瞬間RST端的電位與VCC相同，隨著充電電流的減少，RST的電位逐漸下降。</p><p>　　由于頻率較大時，三角波、正弦波、方波中每一點延時時間為幾微秒，故延時時間還要加上指令時間才能獲得較大的功率波形，該電路采用12MHZ晶振。</p><p>　　復位電路與時鐘電路如3.4圖。</p><p>　　圖

27、3.4 復位電路與時鐘電路圖</p><p>　　3.2.3 單片機與DAC0832的接口設計 </p><p>　　DAC0832選擇信號CS與地址先、線P2.3口相連，即地址為8000H~8FFFH。寄存器的寫信號由80C51的WA端控制。當地址選擇好0832后，只要輸出WA控制信號，0832就能一步完成數字量的輸入鎖存和D/A轉換輸出。接線圖如圖3.5所示。</p>

28、<p>　　圖3.5 單片機與DAC0832的接線圖</p><p>　　3.2.4 波形輸出電路設計</p><p>　　D/A轉換器由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉換電路構成。當0832被選后，0832就會完成數字量的輸入鎖存和D/A轉換輸出。接線圖如圖3.6所示。</p><p>　　圖3.6 波形輸出接線圖</p>

29、<p>　　3.3 硬件系統構成</p><p>　　圖3.8所示為硬件系統總體接線圖。</p><p>　　圖3.7 硬件系統總體接線圖</p><p>　　第四章 系統軟件設計</p><p>　　4.1 軟件系統的功能</p><p>　　用8051的P1口實現波形的互相轉化，當P1.0輸出

30、為1時，輸出方波，通過點用延時子程序改變頻率；當P1.1輸入為1時，輸出三角波，通過給每個點加延時程序改變頻率；當P1.2輸入為1時 ，輸入正弦波。然后選用DAC0832寄存器地址，進行數模轉換，輸出波形。</p><p>　　4.2 軟件系統總流程圖</p><p>　　圖4.1所示為軟件系統總流程圖。</p><p>　　圖4.1 軟件系統總流程圖</

31、p><p>　　4.2.1 方波子程序模塊</p><p>　　方波信號也是波形發(fā)生器中常用的一種信號，下面的程序可以從DAC的輸出端得到矩形波，當延時子程序延時時間大體相同時即為方波，改變延時子程序可得到不同占空間比的矩形波，上限電平對應的數字量可用前面的方法獲得。</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p

32、><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　LJMP START</p><p><b>　　ORG 0100H</b></p><p>　　START: MOV DPTR,#7FFFH </p><p>　　MOV A,#00H </p>&

33、lt;p>　　LOOP: MOVX @DPTR,A </p><p>　　ACALL DELAY </p><p><b>　　CPL A</b></p><p>　　SJMP LOOP </p><p>　　ORG 0300H</p><p>　　DELAY:MO

34、V R1,0AH</p><p>　　DEL2: MOV R2,#0A7H</p><p><b>　　DEL1: NOP</b></p><p>　　DJNZ R2,DEL1 </p><p>　　DJNZ R1,DEL2 </p><p><b>　　RET</b>&l

35、t;/p><p><b>　　END</b></p><p>　　4.2.2 正弦波形子程序模塊</p><p>　　正弦波程序流程圖： </p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p&

36、gt;　　圖4.2 正弦波程序流程圖</p><p><b>　　正弦波程序如下：</b></p><p>　　DINbitP2^7;</p><p>　　SCLKbitP3^6;</p><p>　　CSbitP3^7;</p><p><b>　　ORG0000H

37、</b></p><p><b>　　JMPSTART</b></p><p><b>　　ORG30H</b></p><p><b>　　START:</b></p><p>　　MOVSP,#5FH</p><p>　　MOV

38、R1,#00H</p><p>　　MOVR0,#00H</p><p><b>　　S_0:</b></p><p>　　MOVDPTR,#SINTAB</p><p><b>　　MOVA,R0</b></p><p>　　MOVCA,@A+DPTR<

39、/p><p><b>　　MOVR2,A</b></p><p>　　CALLDACNV</p><p><b>　　INCR0</b></p><p><b>　　JMPS_0</b></p><p><b>　　;MIAN END

40、</b></p><p><b>　　DACNV:</b></p><p><b>　　SETBCS</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p>&

41、lt;b>　　CLRDIN</b></p><p><b>　　CLRSCLK</b></p><p><b>　　CLRCS</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b>&l

42、t;/p><p><b>　　MOVA,R1</b></p><p>　　MOVR3,#02H</p><p><b>　　DA_1:</b></p><p>　　RLA;送出高2位</p><p>　　MOVC,ACC.2;</p><

43、p>　　MOVDIN,C</p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　SETBSCLK</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p

44、><b>　　NOP</b></p><p><b>　　CLRSCLK</b></p><p>　　DJNZR3,DA_1</p><p>　　MOVR3,#0AH</p><p><b>　　MOVA,R2</b></p><p>

45、;<b>　　DA_2:</b></p><p>　　RLCA;送出低8位</p><p>　　MOVDIN,C</p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　S

46、ETBSCLK</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p><b>　　CLRSCLK</b></p><p>　　DJNZR3,DA_2</p><p><b

47、>　　SETBCS</b></p><p><b>　　CLRDIN</b></p><p><b>　　CLRSCLK</b></p><p><b>　　RET</b></p><p><b>　　SINTAB:</b>&l

48、t;/p><p>　　DB 128,131,134,137,140,143,146,149,152,156,159,162,165,168,171,174,176,179</p><p>　　DB 182,185,188,191,193, 196, 199, 201, 204, 206, 209,211, 213, 216, 218, 220, 222</p><p>

49、　　DB 224, 226, 228, 230, 232, 234, 236, 237, 239,240, 242, 243, 245, 246, 247, 248</p><p>　　DB 249, 250, 251, 252, 252, 253, 254, 254,255, 255, 255,255, 255, 255, 255, 255</p><p>　　DB 255, 255,

50、255, 255, 254, 254, 253,252, 252, 251, 250, 249, 248, 247, 246, 245</p><p>　　DB 243, 242, 240, 239, 237, 236,234, 232, 230, 228, 226, 224, 222, 220, 218, 216</p><p>　　DB 213, 211, 209,206, 204,2

51、01, 199, 196, 193, 191, 188, 185, 182, 179, 176, 174</p><p>　　DB 171, 168, 165, 162,159, 156, 152,149, 146, 143, 140, 137, 134, 131, 128, 124</p><p>　　DB 121, 118, 115,112, 109, 106, 103, 99, 96

52、, 93, 90, 87, 84, 81, 79, 76, 73, 70</p><p>　　DB 67, 64, 62, 59, 56, 54, 51, 49, 46, 44, 42, 39, 37,35, 33, 31, 29, 27, 25, 23</p><p>　　DB 21, 19,18, 16, 15, 13, 12, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, 3,

53、2, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0</p><p>　　DB 0,0, 0, 0, 0, 0, 1, 1, 2, 3, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12,13, 15, 16, 18, 19,21</p><p>　　DB 23, 25, 27, 29, 31, 33, 35, 37, 39, 42, 44, 46, 49, 51, 54, 56, 59,

54、62,64, 67</p><p>　　DB 70, 73, 76, 79, 81, 84, 87, 90, 93, 96, 99, 103, 106, 109, 112, 115, 118, 121</p><p><b>　　END</b></p><p>　　4.2.3 鋸齒波子程序模塊</p><p>　　80

55、51單片機的累加器A從0開始循環(huán)增量，每增量一次向DAC0832寫入一個數據，得到一個輸電壓，這樣可以獲得一個正向的鋸齒波。</p><p><b>　　程序如下：</b></p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　AJMP START</p><p><b&

56、gt;　　ORG 0100H</b></p><p>　　START: MOV DPTR,#7FFFH</p><p>　　MOV A,#00H</p><p>　　LOOP: MOVX @DPTR,A</p><p><b>　　INC A</b></p><p><b&

57、gt;　　AJMP LOOP</b></p><p><b>　　END</b></p><p>　　4.2.4 階梯波程序子模塊 </p><p>　　階梯波信號也是波形發(fā)生器中常用的一種信號，階梯波輸出跟鋸齒波和三角波相似，只不過當加到頂峰后的一段時間內不該變A的值，過了一段時間后再減少A值，然后減到初始值后也要持續(xù)一段時間，然

58、后在進行加數，如此循環(huán)下去：</p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　否</b></p><p><b>　　是</b></p><p>　　圖4.3 階梯波流程圖</p><p><b>　　階梯波程序如下：&

59、lt;/b></p><p><b>　　ORG 0000H</b></p><p>　　MAIN:MOV A,#0</p><p>　　MOV DPTR,#07FFFH</p><p>　　MOV R1,#0AH</p><p>　　LP: MOVX @DPTR,A ;選通地址&l

60、t;/p><p>　　ACALL DELAY ;延時</p><p>　　DJNZ R1，NEXT</p><p><b>　　SJMP MAIN</b></p><p>　　NEXT:ADD A,#10 ;每次以19H的梯度增加</p><p><b>　　S

61、JMP MAIN</b></p><p>　　DELAY: ;延時子程序</p><p>　　D2: MOV 31H,#0FFH</p><p>　　D1: DJNZ 31H,D1</p><p><b>　　RET</b></p><p><b

62、>　　END</b></p><p>　　第五章 波形發(fā)生器的調試與仿真</p><p>　　5.1 方波的仿真與調試</p><p>　　對方波進行調試，要完成的功能包括產生方波、調節(jié)方波幅度、調節(jié)方波頻率。調試過程如下圖：</p><p>　　圖5.1 產生的方波</p><p>　　5.2

63、 調試后的方波</p><p>　　5.2 鋸齒波的仿真與調試</p><p>　　對鋸齒波的調試，要完成的功能包括產生鋸齒波、調節(jié)鋸齒波幅度、調節(jié)鋸齒波頻率。調試過程如下圖：</p><p>　　圖5.3 仿真的鋸齒波</p><p>　　5.4 調試后的鋸齒波 </p><p>　　5.3 階梯波的仿真

64、與調試</p><p>　　對階梯波的調試，要完成的功能包括產生階梯波、調節(jié)階梯波幅度、調節(jié)階梯波頻率。調試過程如下圖：</p><p>　　圖5.5 產生的階梯波</p><p>　　圖5.6 調試后的階梯波</p><p>　　5.4 正弦波的仿真與調試</p><p>　　對正弦波的調試，要完成的功能

65、包括產生正弦波、調節(jié)正弦波幅度、調節(jié)正弦波頻率。</p><p>　　（注：還沒將正弦波調試出來，還在研究中）</p><p><b>　　第六章 總結</b></p><p>　　通過調試可得，我設計的電路能夠完成產生方波、鋸齒波和階梯波這幾種簡易波形。在調方案設計的過程中不是一帆風順的，有很多的問題都是自己摸索和在與同學交流的過程中得到了

66、解決，由于對知識欠缺，也還存在解決不了的問題。在經過多次編程和調試，函數發(fā)生器終于運行顯示了，我覺得這個課題的主要價值就是讓我們能夠用我們的雙手將學習的單片機知識應用于實踐，提高了我們的動手能力，也是我們能夠初步掌握一些分析問題、解決問題的方法，也使我們體會到一個理論問題轉化到實際所需要經過的過程和兩者之間的差距。</p><p>　　在這個設計方案里面，還存在許多的不足之處。我們雖然設計出能夠運行的函數發(fā)生器，

67、但沒有實現波形可控制的功能而且頻段范圍較窄，且不能同時顯示多種波形，所以與廣泛使用的函數發(fā)生器相比，還有很大的差距。還有波形不穩(wěn)定，我們還在找原因。</p><p>　　在這次課程設計過程中，學到了許多之前沒接觸過的知識，學會了許多關于以后學習、工作和科研方面應該如何去做。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1

68、] 蔣廷彪，劉電霆，高富強，方華.單片機原理及應用[M]. 重慶：重慶大學出 版社,2003</p><p>　　[2] 周堅. 單片機項目教程[M]. 北京：北京航空航天大學出版社,2011 </p><p>　　[3] 高鋒. 單片微型計算機原理與接口技術[M]. 科學出版社,2003</p><p>　　[4] 曹暖巧. 單片機原理及應用[M]. 電子工業(yè)出版

69、社,2002</p><p>　　[5] 陳莘城. 實用電子電路設計與調試[M]. 中國電力出版社,1993</p><p>　　[6] 馮建雨. 單片機控制的函數發(fā)生器設計與實現[J]. 機床電機,2005</p><p>　　[7] 袁放成. 函數信號發(fā)生器的設計[J]. 三明學院學報,2007</p><p>　　[8] 郭文川. 單片