基于单片机的简易波形发生器设计.docx
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1、黑龙江工商学院本科毕业设计黑龙江工商学院本 科 毕 业 设 计 基于单片机的简易波形发生器设计学生姓名:张尚春学生学号:201562023指导教师:吕娜所在年级:2015级所在专业:电子信息工程所在系别:电子信息工程系 2019 年 4 月 25 日摘 要简易波形发生器的主旨在于以更加精炼简单的电路、可靠的元件构造出能满足特定条件下应用的电子仪器。这种方式最大的优点是利用单片机的特定性能,来达到降低设计造价,提高电路的可靠性的目的。控制核心选取型号为ATC89S52的单片机,在其外部扩展独立式连接按键作为波形输出控制端,再将输出端口外接DAC0832数字/模拟转换电路与运放电路。从而通过按键控
2、制输出方波、三角波、锯齿波、梯形波、正弦波等波形,为使得频率和幅度可以变动,外接四个按键作为控制器。在此基础上,外接液晶屏幕将产生的波形进显示。总体的电路较为精炼,进一步增强了可靠性。在本设计中,使用KEIL51软件编写单片机的控制程序,PROTEUS软件进行仿真。关键词:波形发生器;波形输出;仿真AbstractThe main purpose of the simple waveform generator is to construct the electronic instrument which can meet the specific conditions with the si
3、mple circuit and reliable components. The advantage is that. The single-chip microcomputer is used as the core to reduce the design cost and improve the reliability of the circuit. Thecontrolcoreselectsthesingle-chipmicrocomputerofATC89S52,extendsthefree-typeconnectionkeyoutsideasthewaveformoutputco
4、ntrolend,andthentheoutputportisconnectedtotheDAC0832digital/analogconversioncircuitandtherun-dischargecircuit.Theoutputsquarewave,triangularwave,zigzagwave,trapezoidalwave,sinewaveandotherwaveformarecontrolledbythekey.Inordertomakethefrequencyandamplitudevariable,fourbuttonsareconnectedasthecontroll
5、er.Onthisbasis,theexternalLCDscreenwilldisplaythegeneratedwaveform.Theoverallcircuitisrefined,whichfurtherenhancesthereliability.Inthisdesign,KEIL51softwareisusedtowritethecontrolprogramandPROTEUSsoftwaretosimulate. Key words: waveform generator ; wave out ; simulation目 录摘 要IAbstractII1 前言11.1 波形发生器
6、存在的意义11.2 波形发生器的国内外代表作11.3 研究要达成的目的41.4 设计思路与结构安排42 波形发生器的总体布局42.1 设计的主要性能参数42.2 波形发生器各模块元器件的挑选53 波形发生器的硬件设计93.1 硬件配置93.2 最小系统的构建104 波形发生器的软件系统和软件124.1 系统环境124.2 主程序运行流程175 波形发生器的调试及结果195.1 软件仿真195.2 波形的对比仿真结果205.3 结果分析225.4 调试小结226 结论23参考文献25致 谢26附录27附录27-III-1 前言1.1 波形发生器存在的意义对于我们而言,每时每刻都在和我们所处的环境
7、发生信息交换。而波形发生器的作用即在于根据一定的规则进行特定信息的输出。在很多突然发生的情况下,震动往往不会持续很长的时间。震动消失以后,假如我们要将各种震动通过一种方式重现,从而使得这些信息能被我们所识别,并加以分析。我们如何去复现已经消失的震动呢,波形发生器是一个起到关键作用的器件。使用者将信息输入其中,然后它会结合配套的设备进行一系列的转换来输出使用者想要的波。我们需要它能够一定的精度,并且能够持续稳定的工作。在这个基础上,可以对已有的信号进行一定程度的调节,例如频率,幅度的变换。在有了这些准备以后我们就可以使用波形发生器来输出近似的信号,如果规定了特殊的规则的话,使用者还可以用它来做为
8、信息输出端的发生器。所以,波形发生器被使用在各种生产场景下,研究领域中也就不足为奇了。所以说,波形发生器推动了前沿科技的发展,同时加快了科技服务于社会的过程。所以,研究和发展波形发生器的对于科学的进步具有相当积极的推动作用。1.2 波形发生器的国内外代表作1975年,任意波形发生器第一次被生产出来,在它出现以前,人们只能使用函数信号发生器来生成特殊波形。比如说在医学仪器上的常用的心脏跳动曲线的描述,以及在物理学上关于声音波动的描述。因为这些特殊的震动往往是没有任何规则可以遵循的,这个时候,这种设备的作用就凸显了出来,在这个复原过程中,这种设备器往往起到了至关重要的作用。早期的波形发生器受限于各
9、种构成线路的参数桎梏,频率较低,输出图形的精度很低,失真甚至会影响到最终的试验结果。且对于震动的复现往往是一个极为繁琐的过程。现在的波形发生器,往往采用数字示波器作为输入信号源,且由于性能的大幅度突破,使得波形发生器能够产生的波形的频率大为提高,且几乎能够复现出数字示波器所采集到的任意信号。在这个过程中,这种设备将所需要复现的波形进行转换,这是一个由模拟量变化到数字量的过程,然后把结果输入到波形发生器,然后再把将输入的数字量进行进一步的处理,生成对应的模拟量进行最终的波形表达。高达60GHz的频带宽度使得这种设备器的使用范围大为提高。目前国外有很多生产任意波形发生器的公司,其中的代表有泰科。产
10、品有可以超过60 GS/s的采样频率的任意波形发生器,它的产品编码为新ACG8000。这款产品有着很高的采样频率,可以存入比较大的波形,并且有着多层次信号迭代功能,这个系列的产品往往能够很好的提供电子层次波形表达功能,以及模拟使用光纤进行通信,在这个基础上,它可以用来提供具有高标准的信号来满足较为高级的研究领域。此系列任意波形发生器使用了泰科元件解决方案公司最新推出的当时快速、准确的12位的数/模转换器专用的集成电路,这种转换器的产品编码被命名为TBAC30。这种数/模转换器有着高达30 GS/s的采样频率、12位数分辨频率以及高于90 dB的动态范围特性,这使得它在同时期的产品中展现出的性能
11、十分突出,在拥有很高的集成度的情况下,产品的成本下降了,同时提及也得到了缩减。当需要生成的频率较高时,这种产品通过加大带宽的方法来使得系统简化。在使用这种转换器后,这种发生器的工作能力有了很好的提升, 该波形发生器可以按照需求来分配具体的带宽 ,最终的动态取值范围可以高于 90dB。20 GS的波形存储容量使得它可以模拟出持续时间很长的特殊波形从而达到实验目的,这使得其他的产品难以达到这款产品的工作能力。通过12位的分辨频率,使得可选择的频率的最小刻度得到了很大的改善,使用者可在高精度下来分析不同频率对信号传输的具体影响,从而获得最佳方案。同时,这种设备可以提供多路信号进行试验研究,就这一点而
12、言,使得使用者可以自由的去研究多种信号的叠加之后的影响,这对干扰的研究意义尤为巨大。如果说单纯的多信道输出或许还不足为奇,但是这台设备还提供了两路硬件输出,这就使得不需要一系列的转换与叠加等操作,使用者就可以获得两路不同的信号,为使用者的研究工作提供了很大的便利性。国内生产这种设备的公司也有很多,比如鼎阳,制造的SDG6000系列,输出的波形频率最高有300MHz,在原有的产品基础升级后,性能明显有了改善。本产品采取主流的DBS技术,可以通过两个通道进行输出,采样频率可以达到0.5GHz,分辨频率是本产品的一大亮点,高达16位。并且这款产品最优异的地方就是工作时很稳定,噪声低存储的波长也达到了
13、1M,这就代表着其产品十分可靠。很显然,不论是从应用场景还是从产品的最高性能来看,国内的设备表现得都不尽如人意,但国内产品也不是没有任何优点的,在保证产品质量的情况下,国内的发生器的稳定性已经能够达到国外的水平。在这些特定要求的情况下,我们可以确定的说,选取价格更为低廉的国产设备也不失为明智之举。目前这种设备研发的主要突破方向,在于,加快速度,提高性能和适应更多场景的应用。设备有计算机机虚拟示波器、总线型示波器以及专业性很强的台式示波器等多种形式以适应多种应用场景。性能方面则体现在输出路数的增多(最多可达18路)与采样频率的提高(可达60GHz)。就目前来说,这种设备可以采取两种方式生成目标震
14、动波:第一种是用存储器中储存的数字进行转换来实现输出,这也是第二种方式的最终步骤,可由简单的电路构成,但是对存储器送两张要求较高。在容量一定的前提下,分辨频率较大,那么采样的频率就小了。需要指出的是,分辨频率又受到其他因素的桎梏。用来存储波形的器件的容量可由使用者进行扩展。这种设备可用数据值、软件或是公式去设定需要输出的图形,也可以通过熟悉示波器和存储波形去下载输出波形。抽象的震动是无法通过自身的记忆进行复现的,更无法进行分析。这个时候,这种设备就可以发挥作用了。用它的记录功能将偶发的波动进行记录,然后将这个信号进行复现,然后可以进行定性定量的分析。总的来说,波形的还原是受到设备的限制的,因为
15、还原波形既要能够很好的去采集波形数据,又要去很好的还原采集到的数据。但目前我们往往只能对规律性较强的信号进行分析描述。所以这种设备还有很大的发展区域可以进行发掘。1.3 研究要达成的目的本设计是使用单片机和一些外部器件来构成一个简易的波形发生器,这个简单的设备要能够产生一些简单的波形,包括方波、三角波、锯齿波、梯形波、正弦波,要能够选择波形的输出结果,然后增加一个示波器,将结果展示出来。要求该示波器系统构成比较精炼,生产成本比较廉价,性能稳定可操控性较强。1.4 设计思路与结构安排鉴于要实现的产品要求,开始,我翻看了一些别人的作品,由于实验设计的是基于单片机简易的波形发生器,且需要产生五种特定
16、的波。综合对比之后,我选取AT89S52单片机来转换信息和运行核心代码,DAC0832作为本设计的数模转换器,独立式按键进行波形的输出选择。总的思路是以着手于简单二字,力求可靠,稳定,尽量节省硬件的成本造价。然后着重使用软件控制输出波形,来实现输出五种频率幅度可调的波形。论文总体的结构如下:第一章主要用来介绍波形发生器的情况与思路;第二章主要用来描述设计的总体布局,包括参数与模块配置;第三章介绍设计的硬件电路的一些参数情况;第四章是软件部分,包含程序与系统软件;第五章用来仿真设计的结果;第六章是主旨的最后归结。2 波形发生器的总体布局2.1 设计的主要性能参数用单片机来处理输入的信息,并加载相
17、应的程序,从而达到信息处理功能。在其外部扩展独立式连接按键作为波形输出控制端,再将输出端口外接DAC0832数字/模拟转换电路与运放电路。从而通过按键控制输出方波、三角波、锯齿波、梯形波、正弦波等波形,外接四个按键,用前三个按键选择频率,第四个按键改变幅值。在此基础上,外接液晶屏幕将产生的波形进显示。对于输出波形来说,可以在频率较低的情况下进行自由选择对于波形的幅值,设定一般情况输出为5V,每按一次幅值按键,幅值以初值的1/8进行循环衰减输出。如果没有取得按键信号,则依次显示正弦,方波,三角,锯齿和梯形波。2.2 波形发生器各模块元器件的挑选本设计中波形发生器可划分为三个模块:选择模块;控制模
18、块;转换模块。2.2.1 控制模块用AT89S52来将接受到的外部信息通过程序转化为相应的输出,其关键点就在于将抽象的触发信号通过程序转化为外部器件可以识别的信号,从而输出可控的各种简单波形。单片机本身有体积小,接入简单,优秀的处理性能,运算能力等优点。且其功耗较低,价格较为低廉,AT89S52已经有了很长的应用时间,所以总的来说技术也较为成熟。AT89S52的引脚包括了四个数据端口以及一些特殊功能引脚,可以通过四面分布进行封装或者是两边分布进行封装,所有的引脚共计44个。图2-1是常见的一种52单片机封装形式,主要引脚说明如下:GND引脚:芯片用它来接到地极来从而构成完备的电路回路。P0:P
19、0中包括有8个数据位,可以用来输出数据也可以用来输入数据。同时也可以用作地址复用端口(低八位地址)。其内的部分电阻在这几个端口作为输入端的时候,将电压拉到可以达到要求的电压。P1:用法和P0口相似,但是这些位不能被当成地址的连接口。P2:和P0口的功能接近,但是用作地址复用端口的时候,作为地址的第八位来使用。P3:可以用来接收外来的数据信息或者是向外部的连接发送信息,此时和其他三个端口没有太大的区别,但是P3口还具有其他的复用功能,低两位可用作串行通信中;三四五六位可以作为中断INT0、INT1、T0和T1的触发位,高两位则是低电平读写。RST引脚:专门用来进行复位的引脚,当这个引脚有脉冲时,
20、单片机将会执行特定的复位程序,来避免程序的执行陷入死循环或者是使得程序回归初始状态。PSEN引脚:从单片机内部的存储器的某个位置开始运行代码的时候,这个引脚是可以被读取数据的,它的值会影响这个过程,当执行外部空间的代码或者读取外部存储器某一位置的数值的时候,这个地方的信号将会被忽略。EA/VPP引脚:这个引脚的作用有两个,一个是作为EA时,需要开启它才能去访问单片机外接的空间的内容,从而执行对应的程序或者读取需要的数据。而当作为VPP引脚时,则是作为电压源进行使用的。 XTAL1、XTAL2引脚:如果单片机的固有的时间度量不满足设计需求时,我们可以通过这两个引脚来外接一个特定频率的晶振,所以说
21、这两个引脚起到扩充单片机的频率范围的作用。2.2.2 选择模块方案:三个按键来选择频率的值,第三个键是用来更改每次加减频率的定值,第四个键则是以默认规则去改变输出的幅值。这种方式优点是控制操作简单,缺点是可调节幅度较小,功能较为单一,但是由于只需要设计一个简易的波形发生器,所以这种选择模式已经能够达成目的。2.2.3 转换模块使用DAC0832来处理单片机传输过来的信息,然后转换到模拟量,接着输出使用者需要的信号。DAC0832:这种芯片的外在形式大多是双排形式,是一种8位分辨频率的,被用作数字信息到模拟信息的转换器。图2-3是这种芯片的引脚分布。通过两重锁存器,这种芯片将输入数字信号转化为模
22、拟信号然后进行输出。这种芯片因为结构简单,所以可靠性很高,同时转换时间很短,误差同时也很低。且制造的成本很低,所以被用来当做这里的转换器。图2-2 DAC0832芯片的引脚图主要引脚功能:1 ILE引脚:这个引脚主要和CS以及WR1引脚一起来控制输入端的锁存器的数据改变情况。当他们三者都为高电平的时候,锁存器的值就不会发生改变了。2 DI7到DI0引脚:输入需要转换的数字量,分别和单片机的数据端口的8位相连。3 IOUT1引脚:输出模拟量,其大小受DAC和输出端的共同影响。4 IOUT2引脚:IOUT1和IOUT2这两个引脚的加起来应该是一个固定的数值,此时的模拟输出端的输出值应该是在2V左右
23、。 5 RFB引脚:在电路中起到接入反馈的作用,这一引脚可以很好的去处干扰,让系统稳定的运行,最后能达到以一个很低的误差值的情况下去完成使用者目标的达成。6 VREF引脚:它和分辨率将会最终决定由数字量转化出的模拟量的幅值的具体值,从而决定模拟量的最终精度,影响输出波形的精确性。 7 VCC引脚:这个引脚可以为处理器进行供电,范围一般为5V到15V之间。7 AGND引脚:模拟的量从这个引脚接到地极来构成完备的电路回路。9 DGND引脚:数字量从这个引脚接到地极来构成完备的电路回路。DAC0832通过三条控制数据线来连接其他的输入设备,其中DI用来决定CH1和CH2的输出情况,以及提供一个系统的
24、启动指令。DO/DI每个下降边沿读一位数,由高到低再由低到高。当把八位数反复读取次后,通过CS来禁用芯片的转换功能,然后开始通过二级锁存器来将数字量转变成模拟的数据进行表达。这就是转化一个字节的数字量的完整过程,整个过程用时钟脉冲信号的下降沿作为不同阶段的区分点,明确每个读取数据需要花费20个脉冲,这对于系统总体运行时间的把控提供了非常重要的先决条件。电压为一个固定的值的状态时,特定的分辨率会划分出电压的最小刻度,在这种情况之下,这种设备的输出模拟数据的电压幅值的精度大致为20mV,已经可以满足本设计的所有要求,加上这种芯片的其它一些优点,所以选择这种芯片作为转换电路的控制核心是非常好的决定。
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