基于单片机的波形发生器.docx
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基于单片机的波形发生器
基于单片机的波形发生器
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摘要
本系统是基于AT89C51单片机的数字低频信号发生器以AT89C51单片机为控制核心，外围采用数模转换电路（DAC0832）、运算放大器电路（LM324）、按键和8位数码管。
通过按键控制，可以产生方波、三角波、正弦波等，同时通过数码管显示相应的频率它的设计简单，性能优良。
它可以用于许多需要低频信号的地方，具有一定的实用性。
各种信号是通信领域的重要组成部分，其中正弦波、三角波和方波是较为常见的信号科学研究和教学实验中经常需要这些信号发生器。
为了方便实验和研究，开发一种功能齐全、使用方便、灵活适用的信号源是非常必要的。
介绍了一种利用AT89C51单片机和DAC0832产生不同信号的低频信号源。
信号幅度和频率可以根据需要进行控制。
本文简要介绍了DAC0832数模转换器的结构原理和操作方法，AT89C51的基本原理，以及与电路设计相关的各种芯片。
本文着重介绍了用单片机控制数模转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。
信号频率和幅度也可以根据需要进行调整。
产生不同低频信号的信号源设计方案不仅在理论和实践上满足实验要求，而且具有很强的可行性。
该信号源具有体积小、价格低、性能稳定、实现方便、功能齐全的特点。
关键词:
AT89C51DAC0832LM3248位数码管显示
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摘要
波形系统是基于单片机的数字信号发生器。
At89c51作为控制微控制器的核心。
该系统由数模转换器（DAC0832）、隐含电路、按钮和数码管组成。
用数码管可以产生方波、三角波和正弦波。
该系统可用于低频信号源中的信号源。
它非常实用。
各种信号是通信区的重要组成部分。
在这个区域，正弦波、三角波和方波是常见的信号。
在科学研究和教学实验中，我们经常需要这些信号的发生设备。
为了使实验和研究更容易，开发一个合适的、功能齐全的和易于使用的信号源是必不可少的。
介绍了由AT89C51单片机和DAC0832产生的不同信号的低频源。
其信号范围和频率可根据需要控制。
本文简要介绍了DAC0832的结构原理和用途，AT89C51的基本原理以及与电路设计相关的各种芯片。
本文着重介绍了如何用单片机控制由DAC0832产生的上述信号的硬件电路和软件程序。
信号频率范围也可以根据需要进行调整。
本信号源设计方案关注产生不同的低频信号，不仅在理论和实践上满足实验要求，而且具有很强的可行性。
该信号源的特点是:
体积小、价格低、功能稳定、易于实现、功能齐全。
关键词:
AT89C51，DA0832，LM324，8数码管显示器
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摘要....................................................................................................一、摘要..........................................................................................二目录..................................................................................................三、前言.....................................................................................................11波形发生器概述....................................................................................2
1年1月波形发生器的发展状况........................................................21.2国内外波形发生器产品的比较..............................................42方案论证和比较....................................................................................5
2.1方案一.......................................................................................52.2方案二...........................................................................62.3计划三.......................................................................................63硬件原理..........................................................................................8
3.1MCS-51单片机内部结构概述................................................83.1.1..........................................................………83.1.2中央处理器结构..........................................................................93.1.3存储器和特殊功能寄存器........................................103.2P0-P3港口结构.......................................................................113.3时钟电路和复位电路………...........................................113.3.1时钟电路.......................................................................113.3.2单片机引脚复位状态及功能........................................................123.4DAC0832..........................................................134软件原理.......................................................................................15
4.1主要流程图....................................................................................154.2锯齿波模拟图.....................................................................164.3三角波模拟图.....................................................................17
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4.4方波模拟图..........................................................................194.5正弦波模拟图...................................在XXXX时代之前..............................主要有两种类型的信号发生器:
正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两种类型之间，可以提供几种常见的标准波形，如正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等。
当产生其他波形时，需要更复杂的电路和机电组合方法。
这一时期的波形发生器大多采用模拟电子技术，由模拟器件构成的电路具有体积大、价格高、功耗大等缺点。
，并且为了产生更复杂的信号波形，电路结构非常复杂同时，主要存在两个突出的问题:
一是通过电位器调节来调节输出频率，所以很难将频率调节到一定的固定值；第二，脉冲的占空比不能调整。
20世纪70年代以后，微处理器的出现可以利用处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件来扩展波形发生器的功能，产生更复杂的波形。
在此期间，大多数波形发生器都是基于软件的。
实质上，用微处理器控制数模转换器程序可以得到各种简单的波形。
|90年代末，出现了几个真正高性能、高价格的函数发生器，但惠普公司推出了一个信号模拟器件系统，型号为HP770S，由HP8770A
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任意波形数字化和HP1776A波形生成软件组成事实上，HP8770A只能产生8个波形，价格非常高。
不久之后，类比公司推出了数据XXXX模型，安捷伦的332XXXX产品N6030A可以产生高达500兆赫的频率，采样频率高达1.25千兆赫从以上产品可以看出，函数波形发生器的发展非常快。
近年来，世界波形发生器技术的发展主要体现在以下几个方面:
（1）过去，由于应用范围很窄，频率很低，输出波形频率增加，波形发生器可以应用于越来越多的领域。
波形发生器软件的开发使得波形数据的输入更加方便和容易。
波形发生器通常允许使用一系列点、直线和固定功能段将波形数据存储在存储器中同时，可以利用强大的数学方程输入方法，并且通过将几个相对简单的公式复合成v=f（t）形式的波形方程的数学表达式，可以产生复杂的波形因此，函数波形发生器向任意波形发生器的发展得到了推动。
各种计算机语言的迅速发展也促进了任意波形发生器的软件技术。
目前，任意波形发生器的软面板都可以用可视化编程语言（如VisualBasic、VisualC等）编写。
），允许从计算机显示屏输入任意波形，实现波形输入。
（2）结合VXI资源目前，波形发生器由一个独立的台式仪器、一个适用于个人电脑的卡和一个新开发的VXI模块组成。
由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，要求VXI系统测量在许多领域产生复杂的波形。
VXI系统资源提供了明显的优势。
然而，由于VXI模块的长期发展和对特殊VXI底盘的需要，VXI波形发生器模块仅限于航空、军事和国防等大型领域。
在民用方面，VXI模块远不如台式仪器方便。
（3）随着信息技术的蓬勃发展，台式仪器在经历了一段时间的衰落后又重新繁荣起来。
然而，新的台式仪器的形式与
年前的
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这些新一代台式仪器有许多特点，可以执行许多功能。
此外，与过去的同类产品相比，整体尺寸和价格降低了一半。
1.2国内外波形发生器产品比较
早在1978年，美国的Wavetek公司和日本的东亚电波工业公司就宣布最高采样频率为5兆赫，可形成垂直分辨率为8比特的256点（存储长度）波形数据。
第一代高性能信号源主要用于振动、医疗、材料等领域，已经发展了近30年。
随着电子元件、电路和生产设备的高速和高度集成，波形发生器的性能得到了迅速提高。
随着操作越来越简单，输出波形的能力也越来越强。
波形发生器控制软件保证了波形操作方法的质量。
增加的编辑功能越多，波形形成的可操作性越好。
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2方案演示和比较
波形发生器的具体规格要求将根据应用情况和要实现的波形类型而有所不同。
根据不同的设计要求，选择不同的设计方案。
通常，波形发生器需要实现正弦波、方波、三角波和锯齿波。
某些情况下可能还需要生成任意波形。
各种波形的共同指标包括:
波形的频率和幅度要求、频率稳定性、精度等。
对于不同的波形，具体的指标要求也会不同，例如，占空比是脉冲波形的具体指标波形发生器有多种设计方案，大致可分为三类:
纯硬件设计方法、纯软件设计方法和软硬件结合设计方法。
2.1方案——在设计
波形发生器的纯硬件方法的早期，波形发生器的设计主要是通过使用运算放大器加垂直分量来实现的。
实现的波形比较单一，主要是正弦波、方波和三角波。
工作原理相对简单:
首先产生正弦波，然后通过波形变换实现方波和三角波（正弦波通过比较器产生方波，方波通过积分器变成三角波）通过在各种波形后增加一级放大电路，输出波形的幅度可以满足要求。
不同输出波形的切换可以通过切换电路实现。
频率、幅度和占空比可以通过改变电路的特定参数来改变。
通过优化电路结构和严格选择所用元件，可以提高电路的频率稳定性和精度。
在纯硬件方法中，正弦波的设计是基础，实现它的方法很多。
一般来说，有三种类型的电路:
液晶，钢筋混凝土和石英晶体振荡器。
液晶振荡器适用于产生几赫兹到几百兆赫的高频信号；石英晶体振荡器可以产生几百千赫到几十兆赫的高稳定的高频信号。
对于低于几兆赫的频率，特别是在几百赫兹，经常使用钢筋混凝土振荡电路。
RC振荡电路分为文丘里桥式振荡电路、双T网络振荡电路和移相振荡电路其中，文氏桥式振荡电路是最常用的目前，实现波形发生器最简单的方法是使用单片集成函数信号发生器。
它是通过将产生各种波形的功能电路集成和优化到集成电路芯片中并添加少量电阻和电容元件来实现的。
该方法的突出优点是电路简单、实现方便、精度高、性能优越。
缺点是采用
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的成本高于全
的成本实际上，有许多单芯片函数信号发生器，如MAX038（最高频率可达40兆赫）和ICL8038（最高频率为300千赫）
2.2方案二
波形发生器的设计也可以用纯软件方法实现。
虚拟仪器弓革新了传统仪器，是21世纪测试仪器发展的重要方向。
它以计算机为基础，以软件为核心，不具备传统仪器特有的物理结构。
仪器的虚拟面板在计算机上实现，仪器的功能通过软件设计实现和改变。
例如，利用图形化编程工具LabVIEW实现任意波形发生器的功能:
在LabVIEW软件的前面板上拖放控件来设计仪器的功能面板（如波形显示窗口、波形选择键、波形存储和回放等）。
），直接在软件的后面板上拖放相应的波形函数，设置参数或直接调用编程函数来设计任意波形，实现波形生成功能；完成的软件打包后，它可以独立于编程环境运行。
实现任意波形发生器的功能纯软件虚拟仪器的设计思想可以使设计变得简单高效，只需改变软件程序就可以很容易地改变或升级波形功能。
从长远来看，纯软件方法成本较低。
软件方法的缺点是波形的响应速度和精度不如硬件方法。
2.3方案三
1。
基于软硬件结合的波形发生器设计方法兼具软硬件设计的优点:
纯硬件设计的快速性和高性能，软件控制的灵活性和智能性。
例如，以单片机和单片集成函数发生器为核心（如图2.2所示）借助键盘控制、液晶显示等电路，设计了一种智能函数波形发生器。
软硬件结合可以实现功能更全、性能更好的波形发生器。
同时，通过软件编程控制，可以扩展波形发生器的功能，如波形存储、操作、打印等功能，并采用了USB接口设计。
使波形发生器具有远程通讯功能等。
目前，在实验、科研和工业生产中使用的大多数信号源都是通过这种方法实现的。
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复位键DAC0832AT89C51单片机键盘数码管显示
图2.2波形发生器
2。
纯硬件设计方法功能单一，波形变化困难，控制灵活性不足，缺乏智能性。
其中，运算放大器加垂直分量构成的波形发生器不仅用于学生的实验训练。
基本上没有被采用纯软件设计方法实现简单，可灵活改变程序和升级功能，但其波形精度和响应速度不如硬件方法。
纯软件方法主要适用于对波形精度和响应速度要求不高的场合。
相比之下，软硬件结合的方法可以设计出性能最优、功能扩展灵活、智能控制的新一代波形发生器，能够满足教学、科研、工业生产等领域对波形发生器性能要求较高的应用场合。
基于以上设计方案，本设计采用方案三的方法——软硬件设计法。
该方案能产生良好的波形，易于实现。
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3硬件原理
波形是通过AT89S52单片机执行波形发生程序，按照一定的规则产生数据到数模转换器的输入端，从而在数模转换器电路的输出端得到相应的电压波形
AT89S52单片机最小系统有三种连接方式一种是两级缓冲器类型，即输入数据通过两级缓冲器类型，即输入数据通过两级缓冲器，然后被发送到数模转换电路第二种是单级缓冲器类型，其中输入数据通过输入寄存器直接发送到数模转换器寄存器，然后发送到数模转换电路。
第三，两个缓冲器通过，输入数据直接送到数模转换电路进行转换。
本电路模拟的总图如下:
图3.1系统电路图
3.1MCS-51微控制器的内部结构3.1.1内部结构概述
典型的MCS-51微控制器芯片集成了以下基本组件
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18位中央处理器
2128B或256B单元内数据存储器（RAM）
34KB或8KB片内程序存储器（只读存储器或可编程只读存储器）44个8位并行输入/输出接口P0-P35两个计时/计数器具有5个中断源的
6中断管理控制系统
7全双工串行输入/输出通用异步收发器8片内振荡器和时钟产生电路
图3.2单片机引脚
3.1.2CPU结构
CPU是单片机的核心部件它由运算单元和控制器等组成1.ALU
ALU是ALU的核心，完成二进制算术/逻辑运算它可以对半字节（4）、单字节和其他数据进行操作例如，算术运算如加、减、乘、除、加1、减1、BCD码十进制调整、比较等。
可完成的逻辑运算，如与、或、异或、求逆、循环等。
并且操作结果的状态信息被发送到状态寄存器。
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算术单元还包括一个用于处理位操作的布尔处理器它使用进位标志位C作为累加器，可以进行置位、复位、反相、位判断转移、进位标志位与其它位可寻址位之间的位数据转移，以及进位标志位与其它位可寻址位之间的逻辑与或运算
2。
程序计数器PC
PC是一个16位计数器，用于存储要执行的指令的地址。
地址范围是64kB。
个人计算机具有自动递增1的功能，即在指令执行完成后，指令的内容自动递增1。
3。
指令寄存器
指令寄存器用于存储指令代码当中央处理器执行指令时，从程序存储器中读取的指令代码被发送到指令寄存器，经指令解码器解码后，时序控制电路发出相应的控制信号，完成指令功能。
存储器和特殊功能寄存器存储器是计算机系统中用于存储程序和数据的存储设备计算机中的所有信息，包括输入的原始数据、计算机程序、中间运行结果和最终运行结果，都存储在存储器中。
它根据控制器指定的位置存储和取出信息
2。
特殊功能寄存器
特殊功能寄存器（SFR）的地址范围为80H~FFH在MCS-51中，除了程序计数器PC和四个工作寄存器区，其余21个特殊功能寄存器都在这个SFR块中其中五个是双字节寄存器，总共占用26个字节。
特殊功能寄存器的符号和地址如表2所示。
其中用*符号可寻址的位特殊功能寄存器反映8051的状态，它实际上是8051的状态字和控制字寄存器。
一个典型的例子这些特殊功能寄存器通常分为两类，一类与芯片引脚相关，另一类用于片内功能控制。
与芯片引脚相关的特殊功能寄存器是P0~P3，它实际上是四个八位锁存器（每个输入/输出端口一个），每个锁存器与相应的输出驱动器和输入缓冲器相连，形成一个并行端口。
MCS-51有4个并行端口P0至P3，可提供32条输入/输出线路，每条线路都是双向的，并且大多具有第二功能在用于芯片控制的其余寄存器中，累加器A、标志寄存器PSW、数据指针DPTR等的功能。
之前有人提到过。
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3.2P0-P3端口结构
P0端口功能:
P0端口有两个功能:
第一，P0端口可作为通用输入/输出接口，P0.7—P0.0用于传输中央处理器输入/输出数据输出数据可以在没有外部专用锁存器的情况下锁存，输入数据可以缓冲。
第二，P0.7—P0.0用于在中央处理器访问片外存储器时传输片外存储器的低8位地址，然后将中央处理器的
P1端口功能传输到片外存储器:
P1端口功能与P0端口第一功能相同，仅用于传输输入/输出数据
P2端口功能:
2个端口的第一个功能与上述两组引脚相同，即可以作为通用输入输出它的第二个功能与P0端口引脚的第二个功能匹配，并用作地址总线，输出片外存储器的高8位地址。
P3端口功能:
P3端口有两个功能:
第一个功能与其他三个端口的第一个功能相同；第二个功能用于控制，每个引脚都不同。
p3.0-rxd串行数据接收端口
p3.1-txd串行数据发送端口P3.2-INT0外部中断0输入P3.3-INT1外部中断1输入p3.4-t0计数器0计数输入p3.5-t1计数器1计数输入
p3.6-wr外部随机存取存储器写选通信号p3.7-rd外部随机存取存储器读选通信号
3.3时钟电路和复位电路
|196复位操作初始化单片机的片上电路，并使单片机从某一状态开始运行。
3.3.1时钟电路
微控制器的时钟信号通常通过两种电路形式获得:
内部振荡和外部振荡
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图3.3时钟部分电路图
引脚XTAL1和XTAL2处的外部晶体振荡器或陶瓷谐振子，形成内部振荡模式由于单片机内部有一个高增益反相放大器，当连接外部晶体振荡器时，会形成自积振荡，产生振荡时钟脉冲晶体振荡器通常为6兆赫、12兆赫或24兆赫
单片机
振荡周期的计时单位:
晶体振荡器的振荡周期，也称为时钟周期，是最小的计时单位状态周期:
振荡频率被单片机中的分频器分频后提供给片上处理器的时钟周期。
因此，一个状态周期包括两个振荡周期
机器周期:
1个机器周期由6个状态周期和12个振荡周期组成，这是计算机执行基本操作的时间单位
指令周期:
执行一条指令所需的时间一个指令周期由1-4个机器周期组成，并根据指令而变化。
3.3.2单片机的复位状态
当MCS-5l系列单片机的复位引脚RST（全名复位）具有超过2个机周期的高电平时，复位操作通常根据应用要求有两种基本形式:
上电复位和上电或开关复位通电复位要求在通电后自动实现复位操作。
上电或开关复位要求单片机在电源接通后自动复位，在单片机工作时，也可以通过开关操作复位。
上电后，由于电容器C3的充电和反相栅极的影响，RST以高电平持续一段时间。
当单片机已经工作时，按下复位键K并释放它也可以使RST在一段时间内处于高电平，从而实现通电或开关复位操作。
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图3.4复位电路
单片机的复位操作使单片机进入初始化状态，包括设置程序计数器PC=0000H，表示程序从0000H的地址单元开始单片机冷启动后，片上随机存储器是一个随机值。
操作中的复位操作不会改变片内随机存取存储器区域的内容。
21个特殊功能寄存器的复位状态是任何微型计算机系统执行复位的第一步。
整个控制芯片返回到默认硬件状态。
51单片机的复位由复位引脚控制。
该引脚与高电平连接超过24个振荡周期后，51单片机进入芯片内部复位状态，并在该状态下等待，直到复位引脚变为低电平。
检查电针针是高电平还是低电平。
如果是高电平，则执行芯片的内部程序代码，如果是低电平，则执行外部程序51当系统复位时，微控制器中的一些重要寄存器被设置为特定值，而内部随机存取存储器中的数据保持不变。
3.4DAC0832
1DAC0832芯片的引脚和
升级会员 