多功能波形发生器设计.

1 引言

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。

在电子工程、通信工程、自动控制、遥测控制、测量仪器、仪表和计算机等技术领域，经常需要用到各种各样的信号波形发生器。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。利用单片机采用程序设计方法来产生低频信号，其频率底线很低。具有线路相对简单，结构紧凑，价格低廉，频率稳定度高，抗干扰能力强，用途广泛等优点，并且能够对波形进行细微调整，改良波形，使其满足系统的要求。只要对电路稍加修改，调整程序，即可完成功能升级。

2 方案设计与分析

2.1 设计目的

本设计包括确定控制任务、系统总体方案设计、硬件系统设计、软件程序的设计等，使学生进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序，巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能；

2.2 设计内容及要求

设计由微机（单片机）控制的多功能波形发生器，该发生器在操作人员控制下输出正弦波，方波，三角波，或锯齿波波形。波形的极性，周期和占空比（对矩形波而言）等可由操作人员设置和修改。具体要求：

（1）可预先在内存数据内中建立各种波形的一个周期的输出数据表。然后每一次定时中断信号或每延时一定时间，循环的依次从表中取一个数据输出，便可以

得到相应的波形。

（2）对于方波，锯齿波和三角波等脉冲波形的产生，可直接根据波形的特点，依次将每点输出数据加/减一数或在上、下限值上交替变换来实现。

（3）采用预置和修改上下限来实现波形幅度变化。改变上、下限值输出延时时间，可改变矩形波的占空比。

2.3 设计方案及原理

系统的核心采用AT89S51，该单片机具有加密性强、超强抗干扰能力，超低功耗，运行速度快等特点，以及在系统可编程等特点，该芯片内部集成看门狗电路，不用外接看门狗电路，因此满足了本系统开发的需要。单片机负责控制信号发生单元的工作状况，根据外部键盘的输入改变程序的运行状态，使信号发生单元能产生所需的波形。波形数据为一系列的二进制数，通过D/A转换和放大输出。当前的波形名称、频率、幅值及占空比通过显示单元显示。

图2.1 总体设计流程图

3 硬件的设计

3.1 硬件接线的设计

键盘输入部分主要用于选择波形。键盘共设4个键，用于选择三角波、矩形波、锯齿波、正弦波4种不同的波形，89C51单片机用来执行某一波形发生程序，向D ／A转换器的输入端发送数据，将其转化成模拟量，并通过运算放大器调节波形的幅值，经过滤波器的滤波，从而在输出端得到所需的波形。

图3.1总体电路图3.2总体程序流程图

图3.2 总体程序流程图

3.3各主要模块的功能

3.31 AT89C511单片机

图3.3 AT89C51引脚图

如果按功能划分，它由8个部件组成，即微处理器（CPU）、数据存储器（RAM）、程序存储器（ROM/EPROM）、I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器（SFR）的集中控制方式。

各功能部件的介绍：

1）数据存储器（RAM）：片内为128个字节单元，片外最多可扩展至64K字节。2）程序存储器（ROM/EPROM）：ROM为4K，片外最多可扩展至64K。3）中断系统：具有5个中断源，2级中断优先权。4）定时器/计数器：2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。5）串行口：1个全双工的串行口，具有四种工作方式。6）特殊功能寄存器（SFR）共有21个，用于对片内各功能模块进行管理、监控、监视。7）微处理器：为8位CPU，且内含一个1位CPU（位处理器），不仅可处理字节数据，还可以进行位变量的处理。8）四个8位双向并行的I/O端口，每个端口都包括一个锁存器、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。这四个端口的功能不完全相同。

A、P0口既可作一般I/O端口使用，又可作地址/数据总线使用；

B、P1口是一个准双向并行口，作通用并行I/O口使用；

C、P2口除了可作为通用I/O使用外，还可在CPU访问外部存储器时作高八

位地址线使用；

D 、P3口是一个多功能口除具有准双向I/O 功能外，还具有第二功能。

控制引脚介绍：

1）电源：单片机使用的是5V 电源，其中正极接40引脚，负极（地）接20

引脚。 2）时钟引脚XTAL1、XTAL2时钟引脚外接晶体与片内反相放大器构

成了振荡器，它提供单片机的时钟控制信号。时钟引脚也可外接晶体振荡器。

3）RST ：当振荡器运行时，在此引脚外加上两个机器周期的高电平将使单片机复位（RST ）。 4）ALE ：当访问单片机外部存储器时ALE （地址锁存允许）输出脉冲的负跳沿用于16位地址的底8位的锁存信号。即使不访问外部锁存器，ALE 端仍有正脉冲信号输出，此频率约为时钟振荡器的1/6。但是每当访问外部数据存储器时，在两个机器周期中ALE 只出现一次，即丢失一个ALE 脉冲。因此，严格来说，用户不能用ALE 做时钟源或定时。ALE 端可以驱动8个TTL 负载 5）/PSEN （29脚）：此脚的输出是单片机访问外部程序存储器的读选通信号。在由外部程序存储器取指令（或常数）期间，每个机器周期PSEN 两次有效。 6）/EA/VPP （31脚）：当EA 端保持高电平时，单片机访问内部存储器，但在PC 值超过0FFFH 时，讲自动转向执行外部存储器内的程序。当/EA 保持低电平时，则只访问外部程序存储器，不管是否有内部存储器。

3.32 DAC0832芯片

图3.4 DAC0832芯片图

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