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采用單片機(jī)和DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形。通過(guò)編程的方法來(lái)控制輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換電路的數(shù)字量，從而控制輸出信號(hào)的波形和頻率。它的特點(diǎn)是價(jià)格低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少。

該既可滿(mǎn)足畢業(yè)設(shè)計(jì)的基本要求又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，電路簡(jiǎn)單，易控制，性?xún)r(jià)比較高，所以采用該方案。

采用矩陣式鍵盤(pán)，鍵盤(pán)為4*4矩陣式行列掃描，優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)按鍵較多時(shí)可降低占用單片機(jī)的I/O口數(shù)目。

本系統(tǒng)包括主控模塊，顯示模塊，信號(hào)發(fā)生模塊，鍵盤(pán)模塊，運(yùn)放模塊，綜上各方案所述，確定最終設(shè)計(jì)方案為：采用AT89C51作為主控制系統(tǒng)，獨(dú)立式按鍵作為鍵盤(pán)模塊，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832作為信號(hào)發(fā)生模塊，LM324作為電流/電壓轉(zhuǎn)換放大模塊。

根據(jù)上述電路設(shè)計(jì)的最終方案，系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)字信號(hào)可以通過(guò)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，因此可通過(guò)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的方法來(lái)獲得所需要的波形。在本設(shè)計(jì)中，AT89C51是整個(gè)波形發(fā)生器的核心部分，外圍電路包括數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換電路、電流/電壓轉(zhuǎn)換放大電路、按鍵電路和晶振電路。外接12MHz晶振電路為單片機(jī)提供工作脈沖。P0口接數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832的DI0~DI7,為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片提供數(shù)字信號(hào)；P2.0~P2.4外接獨(dú)立鍵盤(pán)，以控制信號(hào)的類(lèi)型、頻率等。

通過(guò)對(duì)單片機(jī)編寫(xiě)程序，控制從P0口輸出的數(shù)字信號(hào)類(lèi)型，P0口的數(shù)字信號(hào)再輸入到數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832中，從而轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出。DAC0832輸出的模擬信號(hào)為電流信號(hào)，所以用電流/電壓運(yùn)算放大器LM324將電流信號(hào)再轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)輸出。用兩片LM324可以得到輸出波形的雙極性輸出，將輸出的波形與示波器相連即可觀察輸出波形的特征。獨(dú)立式鍵盤(pán)可以控制從P0口輸出的數(shù)字信號(hào)，按下不同的鍵可以使此輸出信號(hào)改變，從而使輸出的波形實(shí)現(xiàn)正弦波、矩形波、鋸齒波和三角波之間的轉(zhuǎn)變，并能夠改變波形輸出頻率的大小。

硬件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)之一，選擇合適的元器件尤為重要。在本設(shè)計(jì)中，根據(jù)設(shè)計(jì)的總體方案，選擇AT89C51作為主控制器、DAC0832為數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片、LM324為電流/電壓轉(zhuǎn)換元件、5個(gè)獨(dú)立式按鍵為按鍵模塊元件。本設(shè)計(jì)在Proteus軟件中繪制的硬件電路圖如圖2所示。

AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可反復(fù)擦除的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128B隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可為您提供許多高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合。

XTAL1和XTAL2：外接晶體引線(xiàn)端。當(dāng)使用芯片內(nèi)部時(shí)鐘時(shí)，此二引線(xiàn)端用于外接石英晶體和微調(diào)電容；當(dāng)使用外部時(shí)鐘時(shí)，用于接外部時(shí)鐘脈沖信號(hào)。

RST/VPD：復(fù)位信號(hào)。當(dāng)輸入的復(fù)位信號(hào)延續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上的高電平時(shí)即為有效，用以完成單片機(jī)的復(fù)位初始化操作;當(dāng)單片機(jī)掉電時(shí)，此引腳上可接備用電源，由VPD向片內(nèi)RAM提供備用電源，以保持片內(nèi)RAM中的數(shù)據(jù)不丟失。

ALE/PROG：地址鎖存控制信號(hào)。在系統(tǒng)擴(kuò)展時(shí)，ALE用于控制把P0口輸出的低8位地址鎖存起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)低位地址和數(shù)據(jù)的隔離。此外，由于ALE是以晶振1/6的固定頻率輸出的正脈沖，因此,可作為外部時(shí)鐘或外部定時(shí)脈沖使用。

EA/VPP：訪(fǎng)問(wèn)程序存儲(chǔ)控制信號(hào)。當(dāng)EA信號(hào)為低電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作限定在外部程序存儲(chǔ)器；當(dāng)EA信號(hào)為高電平時(shí)，對(duì)ROM的讀操作是從內(nèi)部程序存儲(chǔ)器開(kāi)始，并可延至外部程序存儲(chǔ)器。

P0.0 ～ P0.7 ：P0口8位雙向口線(xiàn)；P1.0 ～ P1.7 ：P1口8位雙向口線(xiàn)；

P2.0 ～ P2.7 ：P2口8位雙向口線(xiàn)；P3.0 ～ P3.7 ：P3口8位雙向口線(xiàn)。

P3口線(xiàn)的第二功能。P3的8條口線(xiàn)都定義有第二功能，詳見(jiàn)表1。

以上把8051單片機(jī)的全部信號(hào)引腳分別以第一功能和第二功能的形式列出。對(duì)于各種型號(hào)的芯片，其引腳的第一功能信號(hào)是相同的，所不同的只在引腳的第二功能信號(hào)。對(duì)于9、30和31三個(gè)引腳，由于第一功能信號(hào)與第二功能信號(hào)是單片機(jī)在不同工作方式下的信號(hào)，因此不會(huì)發(fā)生使用上的矛盾。但是P3口的情況卻有所不同，它的第二功能信號(hào)都是單片機(jī)的重要控制信號(hào)。因此，在實(shí)際使用時(shí)，都是先按需要選用第二功能信號(hào)，剩下的才以第一功能的身份作數(shù)據(jù)位的輸入/輸出使用。

如圖4所示，本設(shè)計(jì)中單片機(jī)資源的分配情況如下：

（1）單片機(jī)使用外部電路來(lái)提供時(shí)鐘脈沖。引腳XTAL1和XTAL2之間接12MHz的石英晶體,使單片機(jī)的一個(gè)機(jī)器周期為1us。

（2）P0口與DAC0832的DI0-DI7數(shù)據(jù)輸入口相連，因?yàn)镻0口內(nèi)部沒(méi)有上拉電阻，不能輸出高電平，所以要接上拉電阻RESPACK-8； P2口的P2^0-P2^4分別與5個(gè)獨(dú)立按鍵相連。

數(shù)模轉(zhuǎn)換電路是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵電路，它決定著將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，從而得到各種所需要的波形。

數(shù)模轉(zhuǎn)換器可將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成與此數(shù)值成正比的模擬量信號(hào)。需要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量由一個(gè)二進(jìn)制數(shù)字表示，每位二進(jìn)制數(shù)字都有一定的權(quán)，在轉(zhuǎn)換中，應(yīng)將二進(jìn)制數(shù)的每一位按照權(quán)的大小轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬量輸出分量，然后將各個(gè)輸出分量疊加，總和就是與數(shù)字量成正比的模擬量數(shù)值。

上述的D/A轉(zhuǎn)換，常用如圖5所示的倒T形解碼網(wǎng)絡(luò)加以實(shí)現(xiàn)。

電路設(shè)計(jì)如圖5所示，包括由R-2R組成的電阻網(wǎng)絡(luò)、模擬電子開(kāi)關(guān)和集成運(yùn)算放大器。

對(duì)于電阻網(wǎng)絡(luò)，無(wú)論從哪個(gè)R-2R節(jié)點(diǎn)看，等效電阻都是R，因此，從參考電壓端輸入的電流為： IR=VREF/R

其中VREF是進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換的系統(tǒng)提供的參考電壓，Rfb為集成運(yùn)算放大器的反饋電阻，D7 ~ D0取值為0或1，0表示切換開(kāi)關(guān)與地相連，1表示與參考電壓相連。通過(guò)上述電路，即完成了二進(jìn)制數(shù)字信號(hào)到模擬電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

分辨率指輸入給D/A轉(zhuǎn)換器的單位數(shù)字量引起的模擬量輸出的變化，通常定義為輸出滿(mǎn)刻度值與2n之比（n為D/A轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制位數(shù)）。顯然，二進(jìn)制位數(shù)越多，分辨率越高，即D/A轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入量變化的敏感程度越高。例如，8位的D/A轉(zhuǎn)換器，若滿(mǎn)量程輸出為10V，根據(jù)分辨率定義，則分辨率為10V/2n,分辨率為10V/256=39.1mV,即輸入的二進(jìn)制最低位的變化可引起輸出的模擬電壓變化39.1mV,該值占滿(mǎn)量程的0.391%，常用1LSB表示。使用時(shí)，應(yīng)根據(jù)對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器分辨率的需要來(lái)選定D/A轉(zhuǎn)換器的位數(shù)。

相對(duì)精度是指在滿(mǎn)刻度已經(jīng)校準(zhǔn)的前提下，在整個(gè)刻度范圍內(nèi)，對(duì)應(yīng)于任一數(shù)碼的模擬量輸出與它的理論值之差。通常用偏差幾個(gè)LSB來(lái)表示。

建立時(shí)間是描述D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換快慢的一個(gè)參數(shù)，用于表明轉(zhuǎn)換時(shí)間或轉(zhuǎn)換速度。其值為從輸入數(shù)字量到輸出達(dá)到總值誤差±(1/2)LSB（最低有效位）時(shí)所需的時(shí)間。電流輸出的轉(zhuǎn)換時(shí)間較短，而電壓輸出的轉(zhuǎn)換器，由于要加上完成I-V轉(zhuǎn)換的運(yùn)算放大器的延遲時(shí)間，因此轉(zhuǎn)換時(shí)間要長(zhǎng)一些。快速D/A轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可控制在1us以下。

通常用非線(xiàn)性誤差的大小表示D/A轉(zhuǎn)換器的線(xiàn)性度，輸入輸出特性的偏差與滿(mǎn)刻度輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示非線(xiàn)性誤差。一定溫度下的最大非線(xiàn)性誤差一般為0.01%～0.03%。

DAC0832系列為美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的具有2個(gè)數(shù)據(jù)寄存器的8位分辨率的D/A轉(zhuǎn)換芯片。此芯片與微處理器完全兼容，并且價(jià)格低廉，接口簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)換控制容易，在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。

DAC0832的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。它由8位輸入鎖存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器及轉(zhuǎn)換控制電路構(gòu)成，通過(guò)兩個(gè)輸入寄存器構(gòu)成兩級(jí)數(shù)據(jù)輸入鎖存。

使用時(shí)，數(shù)據(jù)輸入可以采用兩級(jí)鎖存（雙鎖存）、單級(jí)鎖存（一級(jí)鎖存，一級(jí)直通方式）或直接輸入（兩級(jí)直通）形式。上圖中，2個(gè)與門(mén)電路組成寄存器輸出控制邏輯電路，該邏輯電路的功能是進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存控制。

：數(shù)據(jù)傳送控制信號(hào)，低電平有效。上述兩個(gè)信號(hào)控制DAC寄存器是否為數(shù)據(jù)直通方式。當(dāng)2=0和=0時(shí)，為DAC寄存器直通方式；當(dāng)2=1或=1時(shí)，為DAC寄存器鎖存方式。

Rfb：反饋電阻輸入端。內(nèi)部接反饋電阻，外部通過(guò)該引腳接運(yùn)放輸出端。為了取得電壓輸出，需要在輸出端接運(yùn)算放大器，Rfb即為運(yùn)算放大器的反饋電阻端。

DGND：數(shù)字信號(hào)地，為工作電源地和數(shù)字邏輯地，可在基準(zhǔn)電源處進(jìn)行單點(diǎn)共地。

DAC0832根據(jù)控制信號(hào)的接法可分為三種工作方式：直通方式、單緩沖方式、雙緩沖方式。

此時(shí)輸入鎖存器和DAC寄存器相應(yīng)的控制信號(hào)引腳分別連在一起，使數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入DAC寄存器，立即進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換（這種情況下，輸入鎖存器不起鎖存作用）。此方式適用于只有一路模擬量輸出，或有幾路模擬量輸出但是并不要求同步的系統(tǒng)。

對(duì)于多路D/A轉(zhuǎn)換輸出，如果要求同步進(jìn)行，可以采用雙緩沖同步方式。DAC0832工作于雙緩沖工作方式時(shí)，數(shù)字量的輸入鎖存和D/A轉(zhuǎn)換是分兩步完成的。首先CPU的數(shù)據(jù)總線(xiàn)分時(shí)向各路D/A轉(zhuǎn)換器輸入要轉(zhuǎn)換的數(shù)字量，并將其鎖存在各自的輸入鎖存器中，然后CPU對(duì)所有的DAC發(fā)出控制信號(hào)，使各個(gè)DAC輸入鎖存器中的數(shù)據(jù)打入DAC寄存器，實(shí)現(xiàn)同步轉(zhuǎn)換輸出。

當(dāng)DAC0832芯片的片選信號(hào)、寫(xiě)信號(hào)1、2及傳送控制信號(hào)的引腳全部接地，允許輸入鎖存信號(hào)ILE引腳+5V時(shí)，DAC0832芯片就處于直通工作方式，數(shù)字量一旦輸入，就直接進(jìn)入DAC寄存器，進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，從輸出端得到轉(zhuǎn)換的模擬量。

本設(shè)計(jì)中，為了降低數(shù)模轉(zhuǎn)換建立的時(shí)間，數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片DAC0832采用直通的工作方式。

由于從DAC0832轉(zhuǎn)換出來(lái)的模擬信號(hào)為電流信號(hào)，為了方便觀測(cè)輸出信號(hào)的特征，特將DAC0832輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)換放大電路轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。本設(shè)計(jì)中使用的運(yùn)放為L(zhǎng)M324。LM324運(yùn)算放大器是價(jià)格便宜的帶差動(dòng)輸入功能的四運(yùn)算放大器。其引腳圖如圖8所示。

#include <reg51.h>
#include<string.h>
#define uchar unsigned char
#define uint unsigned int
uchar code tosin[256]=
{0x80,0x83,0x86,0x89,0x8d,0x90,0x93,0x96,0x99,0x9c,0x9f,0xa2,0xa5,0xa8,0xab,
0xae,0xb1,0xb4,0xb7,0xba,0xbc,0xbf,0xc2,0xc5,0xc7,0xca,0xcc,0xcf,0xd1,0xd4,0xd6,0xd8,
0xda,0xdd,0xdf,0xe1,0xe3,0xe5,0xe7,0xe9,0xea,0xec,0xee,0xef,0xf1,0xf2,0xf4,
0xf5,0xf6,0xf7,0xf8,0xf9,0xfa,0xfb,0xfc,0xfd,0xfd,0xfe,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,
0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xfe,0xfd,0xfd,0xfc,0xfb,0xfa,0xf9,0xf8,0xf7,0xf6,0xf5,
0xf4,0xf2,0xf1,0xef,0xee,0xec,0xea,0xe9,0xe7,0xe5,0xe3,0xe1,0xde,0xdd,0xda,0xd8,
0xd6,0xd4,0xd1,0xcf,0xcc,0xca,0xc7,0xc5,0xc2,0xbf,0xbc,0xba,0xb7,0xb4,0xb1,0xae,0xab,
0xa8,0xa5,0xa2,0x9f,0x9c,0x99,0x96,0x93,0x90,0x8d,0x89,0x86,0x83,0x80,
0x80,0x7c,0x79,0x76,0x72,0x6f,0x6c,0x69,0x66,0x63,0x60,0x5d,0x5a,0x57,0x55,
0x51,0x4e,0x4c,0x48,0x45,0x43,0x40,0x3d,0x3a,0x38,0x35,0x33,0x30,0x2e,0x2b,
0x29,0x27,0x25,0x22,0x20,0x1e,0x1c,0x1a,0x18,0x16,0x15,0x13,0x11,0x10,0x0e,
0x0d,0x0b,0x0a,0x09,0x08,0x07,0x06,0x05,0x04,0x03,0x02,0x02,0x01,0x00,0x00,
0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01,0x02 ,0x02,0x03,0x04,
0x05,0x06,0x07,0x08,0x09,0x0a,0x0b,0x0d,0x0e,0x10,0x11,0x13,0x15,0x16,0x18,
0x1a,0x1c,0x1e,0x20,0x22,0x25,0x27,0x29,0x2b,0x2e,0x30,0x33,0x35,0x38,0x3a,
0x3d,0x40,0x43,0x45,0x48,0x4c,0x4e ,0x51,0x55,0x57,0x5a,0x5d,0x60,0x63,0x66 ,
0x69,0x6c,0x6f,0x72,0x76,0x79,0x7c,0x80 }; //正弦波碼
//--按鍵
sbit K1=P2^0;
sbit K2=P2^1;
sbit K3=P2^2;
sbit K4=P2^3;
sbit K5=P2^4;
uchar WaveChoice=0;
uchar ys=30;
uchar i,a=0;
uchar sqar_num=128;
//--延時(shí)MS 輸入一個(gè)確切的值用于鍵盤(pán)輸入時(shí)消除按鍵抖動(dòng)
void DelayMS(uchar ms)
{
uchar i;
while(ms--) for(i=0;i<120;i++);
}
//--延時(shí)y*9us 改變ys的值進(jìn)而利用該函數(shù)達(dá)到調(diào)頻率的目的
void Delay1(uint y)
{
uint i;
for(i=y;i>0;i--);
}
//---輸出波形
void Out_Wave(uchar i)
{ uchar j;
switch(i)
{
case 0: P0=0x00;break;
case 1:
//---正弦波
for (j=0;j<255;j++)
{
P0=tosin[j];
Delay1(ys);
}
break;
case 2:
//----矩形波
{
if(a<sqar_num)
{
P0=0xff;
Delay1(ys);
}
else
{
P0=0x00;
Delay1(ys);
}
a++;
} break;
case 3:
//----三角波
{
if(a<128)
{
P0=a;
Delay1(ys);
}
else
{
P0=255-a;
Delay1(ys);
}
a++;
} break;
case 4:
//----鋸齒波
{
if(a<255)
{
P0=a;
Delay1(ys);
}
a++;
if(a==255)
{
a=0;
} break;
}
}
}
//----按鍵掃描
void keyscanf()
{
if(K2==0)
{
DelayMS(5);
if(K2==0)
{
while(!K2);
ys--;
if(ys==0)
ys=30;
}
}
if(K3==0)
{
DelayMS(5);
if(K3==0)
{
while(!K3);
ys++;
if(ys>60)
ys=30;
}
}
if(K4==0)
{
DelayMS(5);
if(K4==0)
{
while(!K4);
if(WaveChoice==2)
sqar_num=sqar_num+2;
if(sqar_num==238)
sqar_num=128;
}
}
if(K5==0)
{
DelayMS(5);
if(K5==0)
{
while(!K5);
if(WaveChoice==2)
sqar_num=sqar_num-2;
if(sqar_num==18)
sqar_num=128;
}
}
}
//----主程序---
void main()
{
……………………
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復(fù)制代碼

引腳	第二功能	信號(hào)名稱(chēng)
P3.0	RXD	串行數(shù)據(jù)接收
P3.1	TXD	串行數(shù)據(jù)發(fā)送
P3.2	INT0	外部中斷0申請(qǐng)
P3.3	INT1	外部中斷1申請(qǐng)
P3.4	T0	定時(shí)/計(jì)數(shù)器0的外部輸入
P3.5	T1	定時(shí)/計(jì)數(shù)器1的外部輸入
P3.6	WR	外部RAM寫(xiě)選通
P3.7	RD	外部RAM讀選通

按鍵	功能	屬性
K1	波形選擇	自動(dòng)復(fù)位
K2	頻率升高	自動(dòng)復(fù)位
K3	頻率降低	自動(dòng)復(fù)位
K4	占空比升高	自動(dòng)復(fù)位
K5	占空比降低	自動(dòng)復(fù)位