摘要
本文以STC89C51單片機(jī)為核心設(shè)計(jì)了一個(gè)低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)發(fā)生器采用數(shù)字波形合成技術(shù),通過硬件電路和軟件程序相結(jié)合,可輸出自定義波形,如正弦波、方波、三角波、三角波、梯形波及其他任意波形,波形的頻率和幅度在一定范圍內(nèi)可任意改變。波形和頻率的改變通過軟件控制,幅度的改變通過硬件實(shí)現(xiàn)。介紹了波形的生成原理、硬件電路和軟件部分的設(shè)計(jì)原理。本系統(tǒng)可以產(chǎn)生最高頻率798.6HZ的波形。該信號(hào)發(fā)生器具有體積小、價(jià)格低、性能穩(wěn)定、功能齊全的優(yōu)點(diǎn)。
1設(shè)計(jì)選題及任務(wù)
設(shè)計(jì)題目:基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
任務(wù)與要求:
設(shè)計(jì)一個(gè)由單片機(jī)控制的信號(hào)發(fā)生器。運(yùn)用單片機(jī)系統(tǒng)控制產(chǎn)生多種波形,這些波形包括方波、三角波、鋸齒波、正弦波等。信號(hào)發(fā)生器所產(chǎn)生的波形的頻率、幅度均可調(diào)節(jié)。并可通過軟件任意改變信號(hào)的波形。
基本要求:
1. 產(chǎn)生三種以上波形。如正弦波、三角波、矩形波等。
2.最大頻率不低于 500Hz。并且頻率可按一定規(guī)律調(diào)節(jié),如周期按1T,2T,3T,4T或1T,2T,4T,8T變化。
3.幅度可調(diào),峰峰值在0——5V之間變化。
擴(kuò)展要求:產(chǎn)生更多的頻率和波形。
2系統(tǒng)概述
2.1方案論證和比較
2.1.1總體方案:
方案一:采用模擬電路搭建函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,它可以同時(shí)產(chǎn)生方波、三角波、正弦波。但是這種模塊產(chǎn)生的不能產(chǎn)生任意的波形(例如梯形波),并且頻率調(diào)節(jié)很不方便。
方案二:采用鎖相式頻率合成器,利用鎖相環(huán),將壓控振蕩器(VCO)的輸出頻率鎖定在所需頻率上,該方案性能良好,但難以達(dá)到輸出頻率覆蓋系數(shù)的要求,且電路復(fù)雜。
方案三:使用集成信號(hào)發(fā)生器發(fā)生芯片,例如AD9854,它可以生成最高幾十MHZ的波形。但是該方案也不能產(chǎn)生任意波形(例如梯形波),并且價(jià)格昂貴。
方案四:采用AT89C51單片機(jī)和DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器生成波形,加上一個(gè)低通濾波器,生成的波形比較純凈。它的特點(diǎn)是可產(chǎn)生任意波形,頻率容易調(diào)節(jié),頻率能達(dá)到設(shè)計(jì)的500HZ以上。性能高,在低頻范圍內(nèi)穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少。
經(jīng)比較,方案四既可滿足課程設(shè)計(jì)的基本要求又能充分發(fā)揮其優(yōu)勢,電路簡單,易控制,性價(jià)比高,所以采用該方案.
2.1.2改變幅度方案:
方案一:可以將送給DA的數(shù)字量乘以一個(gè)系數(shù),這樣就可以改變DA輸出電流的幅度,從而改變輸出電壓;但是這樣做有很嚴(yán)重的問題,單片機(jī)在做乘法運(yùn)算時(shí)需要很長的時(shí)間,這樣的話輸出波形的頻率就會(huì)很低,達(dá)不到至少500HZ的要求;
并且該方案的輸出電壓做不到連續(xù)可調(diào),當(dāng)DA的輸入數(shù)字量比較小時(shí),輸出的波形失真就會(huì)比較嚴(yán)重。
方案二:將輸出電壓通過一個(gè)運(yùn)算放大器的放大。這樣還有個(gè)優(yōu)點(diǎn)是幅度連續(xù)可調(diào)。
經(jīng)比較,方案二既可滿足課程設(shè)計(jì)的基本要求,并且電路也挺簡單。
2.2工作原理
數(shù)字信號(hào)可以通過數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),因此可通過產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)再轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)的方法來獲得所需要的波形。89C51單片機(jī)本身就是一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī),具有組成微型計(jì)算機(jī)的各部分部件:中央處理器CPU、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器以及串行通訊接口等,只要將89C51再配置鍵盤及、數(shù)模轉(zhuǎn)換及波形輸出、放大電路等部分,即可構(gòu)成所需的波形發(fā)生器,其信號(hào)發(fā)生器構(gòu)成系統(tǒng)框圖如下圖所示。
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系統(tǒng)框圖
89C51是整個(gè)波形發(fā)生器的核心部分,通過程序的編寫和執(zhí)行,產(chǎn)生各種各樣的信號(hào),并從鍵盤接收數(shù)據(jù),進(jìn)行各種功能的轉(zhuǎn)換和信號(hào)幅度的調(diào)節(jié)。當(dāng)數(shù)字信號(hào)電路到達(dá)轉(zhuǎn)換電路,將其轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)也就是所需要的輸出波形。
波形ROM表是將信號(hào)一個(gè)周期等間距地分離成64個(gè)點(diǎn),儲(chǔ)存在單片機(jī)得RON內(nèi)。具體ROM表是通過MATLAB生成的,例如正弦表,MATLAB生成的程序如下:
x=0:2*pi/64:2*pi; y=round(sin(x)*127)+128
3單元電路設(shè)計(jì)與分析
3.1.1主控電路
設(shè)計(jì)中主要采用STC89C51型單片機(jī),它具有如下優(yōu)點(diǎn):(1)擁有完善的外部擴(kuò)展總線,通過這些總線可方便地?cái)U(kuò)展外圍單元、外圍接口等。(2)該單片機(jī)內(nèi)部擁有4K字節(jié)的FLASH ROM程序存儲(chǔ)器空間和256字節(jié)的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間,完全可以滿足程序的要求。由于該芯片可電擦寫,故可重復(fù)使用。如果更改程序內(nèi)容,可將芯片拿下重新燒寫。(3)該單片機(jī)與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS-51型機(jī)的指令集和輸出引腳兼容。
中斷系統(tǒng)是使處理器具有對(duì)外界異步事件的處理能力而設(shè)置的。當(dāng)中央處理器CPU正在
處理某件事的時(shí)候外界發(fā)生了緊急事件,要求CPU暫停當(dāng)前的工作,轉(zhuǎn)而去處理這個(gè)緊
急事件。
在波形發(fā)生器中,用兩個(gè)開光直接與外部中斷0和外部中斷1的管腳相連,其中S1開光用來改變波形,S2開光用來改變頻率。在程序主函數(shù)中,我們寫了個(gè)死循環(huán)一直輸出一個(gè)默認(rèn)的波形,當(dāng)S1或S2按下又抬起時(shí),程序會(huì)暫時(shí)跳出死循環(huán),進(jìn)入中斷處理程序,從而對(duì)波形和頻率進(jìn)行改變。
時(shí)鐘電路。由于頻率較大時(shí),三角波、正弦波、方波等波中每一點(diǎn)延時(shí)時(shí)間為幾微秒,故延時(shí)時(shí)間還要加上指令時(shí)間即可得到指定頻率的波形,該電路用11.0592MHz晶振。
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主控電路圖
3.1.2 數(shù)/模轉(zhuǎn)換電路
由于單片機(jī)產(chǎn)生的是數(shù)字信號(hào),要想得到所需要的波形,就要把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),所以該文選用價(jià)格低廉、接口簡單、轉(zhuǎn)換控制容易并具有8位分辨率的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832。DAC0832主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。但實(shí)際上,DAC0832輸出的電量也不是真正能連續(xù)可調(diào),而是以其絕對(duì)分辨率為單位增減,是準(zhǔn)模擬量的輸出。DAC0832是電流型輸出,在應(yīng)用時(shí)外接運(yùn)放使之成為電壓型輸出。
根據(jù)對(duì)DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器的不同的控制方式,DAC0832有三種工作方式:直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。本設(shè)計(jì)選用直通方式。
DAC0832的數(shù)據(jù)口和單片機(jī)的P0口相連。
CSDA:片選信號(hào)輸入線(選通數(shù)據(jù)鎖存器),低電平有效;
WR:數(shù)據(jù)鎖存器寫選通輸入線,負(fù)脈沖(脈寬應(yīng)大于500ns)有效。由ILE、CS、WR1的邏輯組合產(chǎn)生LE1,當(dāng)LE1為高電平時(shí),數(shù)據(jù)鎖存器狀態(tài)隨輸入數(shù)據(jù)線變換,LE1的負(fù)跳變時(shí)將輸入數(shù)據(jù)鎖存;
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數(shù)模轉(zhuǎn)換電路
3.1.3運(yùn)算放大電路和低通濾波電路
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LM324的5管腳與DAC0832的(IOUT2)12管腳相連,LM324的6管腳與DAC0832的(IOUT1)11管腳相連,LM324的7管腳與DAC0832的REF(9)管腳相連.
第一級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V1,第二級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將V1通過反向放大電路-(R2/R1)倍。
題目要求輸出的電壓在0-5V可調(diào),而V1的電壓大約是5V,所以R1選擇5K的電阻,R2選擇10K的電位器,這樣最大的輸出電壓為5*(10/2)=10,最小電壓為0,可以實(shí)現(xiàn)題目要求的0-5V。
在第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端連了一個(gè)低通濾波器。如果不加低通濾波器,也能夠生成波形,但是產(chǎn)生的信號(hào)中毛刺很多,加一個(gè)低通濾波器不僅起到的濾波的作用,還起到了平滑的作用。低通濾波器的截止頻率F=1/(2*pi*R3*C6),這里我們選擇R3 為100歐姆電阻,C6為104電容,截止頻率F=16KHZ。實(shí)驗(yàn)表明,此時(shí)的輸出波形效果不錯(cuò)。
3.1.4串口通信電路
通用異步收發(fā)器(UART)是一種串行接口,一般微處理器中都包含這種外設(shè)接口。異步串行接口提供了一種簡單的途徑,使兩個(gè)器件無需共享同一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)就能進(jìn)行通信。如果再加入一個(gè)合適的電平轉(zhuǎn)換器MAX232,串口就能能用在RS232和RS485等網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)通信,或者與計(jì)算機(jī)的COM端口連接。串口只需兩根信號(hào)線(RX和TX)即可實(shí)現(xiàn),而且只要兩端器件都采用同樣的位格式和波特率,那么它們無需其它任何對(duì)方的信息就可以成功傳輸數(shù)據(jù)。
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串口通信電路圖
3.2系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
軟件設(shè)計(jì)上,根據(jù)功能分了幾個(gè)模塊編程。模塊主要有:主程序模塊、外部中斷0模塊,外部中斷1模塊。
主程序:
主程序先是進(jìn)行一些初始化的工作,然后根據(jù)波形標(biāo)志a,b,c,d,e的值進(jìn)入相應(yīng)的while 循環(huán)。這樣寫的好處是輸出的波形頻率可以790多HZ。在while循環(huán)中,單片機(jī)根據(jù)地址標(biāo)志位不停低查表,然后把查得的值賦給DAC0832的數(shù)據(jù)口,然后地址標(biāo)志位加一,并判斷地址標(biāo)志位是否等于64,如果是就置0再往下執(zhí)行,如果不是直接往下執(zhí)行。然后根據(jù)頻率標(biāo)志位進(jìn)行相應(yīng)的延時(shí)。
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主程序流程圖
中斷服務(wù)程序:
本程序中兩個(gè)外部中斷分別起到了控制波形和頻率的作用。在程序中還加入了消抖部分。
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4安裝調(diào)試及測量數(shù)據(jù)分析
4.1調(diào)試過程;
1. 不通電,用萬用表根據(jù)電路圖仔細(xì)檢查各線路連接是否正常。
2. 首先是調(diào)試單片機(jī)部分,DA和運(yùn)算放大器芯片不接。用STC_ISP_V483軟件通過串口下程序?词欠窨梢哉O鲁绦。
3.當(dāng)可以正常下程序時(shí),給51單片機(jī)下一個(gè)讓所有I/0口一會(huì)兒輸入0,延時(shí),再輸出1,以此類推。用萬用表測量各I/O口得電壓是不是一會(huì)兒高,一會(huì)兒低。
4.安上DA和運(yùn)算放大器芯片,給單片機(jī)下一個(gè)輸出正弦波的測試程序,通過示波器看輸出是否正常。
5. 給單片機(jī)下一個(gè)完整的程序,分別按下S1,看波形是否改變。按下S2,看頻率是否改變。
4.2頻率的測量數(shù)據(jù):
單位:HZ
4.3出現(xiàn)的問題與解決的方法:
1.
調(diào)試單片機(jī)的串口時(shí),發(fā)現(xiàn)不能正常的下程序。我想可能是單片機(jī)壞了借了一塊學(xué)習(xí)板測試了一下單片機(jī)芯片,發(fā)現(xiàn)可以正常下載。這說明很可能是MAX232的電路出了問題。我仔細(xì)查看了電路圖,又上網(wǎng)查了下其他的MAX232的電路圖,發(fā)現(xiàn)我的電路圖和別人的不一樣。我是按照郭天翔的那本《新概念51單片機(jī)C語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全》第130頁的串口電路畫的圖,電路圖中MAX232的TIOU1接串口的第3腳。而其他書上有些電路圖卻是MAX232的TIOU1接到了串口的第2腳。于是我將MAX232的TIOU1接串口的第2腳,再下程序,終于可以正常下載了。
2.剛開始寫的測試程序輸出的波形失真很大。我想可能是波形的ROM表里的數(shù)據(jù)值過小,導(dǎo)致DA輸出的誤差很大。因而臥將波形的ROM表里的數(shù)據(jù)值調(diào)大,在測試時(shí)發(fā)現(xiàn)波形變得好多了。
3.
調(diào)試波形的時(shí)候我發(fā)現(xiàn)矩形波的失真比較大。我想到可能是低通濾波器的截止頻率太低了,因而我將RC低通濾波器的電阻由1K換成了100歐姆,效果好了很多。
4.4系統(tǒng)仿真波形:
矩形波
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鋸齒波
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正弦波
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4.5效果分析:
由4.2的頻率理論值與實(shí)際值,可知頻率在T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,8T上頻率誤差很小。
最終的波形輸出效果也很不錯(cuò)。
4.6測量儀器
示波器
直流穩(wěn)壓電源
萬用表
5結(jié)束語
基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì),這個(gè)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)中涉及到一個(gè)典型的控制過程。通過單片機(jī)控制一個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換器DAC0832產(chǎn)生所需要的電流,然后使用運(yùn)算放大器LM324可以將其電流輸出線性地轉(zhuǎn)換成電壓輸出,再將電壓經(jīng)過運(yùn)算放大器的放大,可以得到足夠幅度的信號(hào)。通過程序的控制,可以產(chǎn)生一系列有規(guī)律的波形。這樣一個(gè)信號(hào)發(fā)生裝置在控制領(lǐng)域有相當(dāng)廣泛的應(yīng)用范圍。
最終做出來的信號(hào)發(fā)生器滿足了題目中的所有要求:
1.產(chǎn)生五種波形。正弦波、三角波、矩形波、梯形波,鋸齒波。
2.最大頻率為798.6HZ。并且頻率可按按1T,2T,3T,4T,5T,6T,7T,8T變化。
3.幅度可調(diào),峰峰值在0——5V之間變化。
當(dāng)然還是存在不足的地方,比如不能實(shí)現(xiàn)頻率的按一個(gè)小的步進(jìn)調(diào)整。并且當(dāng)頻率太小時(shí)矩形波會(huì)有些失真。
信號(hào)發(fā)生器可以生成更多的波形,只需要再加些波形表即可。
在這里得感謝學(xué)校為我們提供個(gè)這樣一個(gè)實(shí)踐的機(jī)會(huì),當(dāng)然還得感謝實(shí)驗(yàn)室指導(dǎo)老師們的細(xì)心指導(dǎo)。
參考文獻(xiàn):
[1] 郭天翔.新概念51單片機(jī)C語言教程 入門、提高、開發(fā)、拓展全.北京.電子工業(yè)出版社 2009.1
[2] 童詩白.模擬電路技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,2000.171~202.
附錄
1:總電路圖