低频多波形函数信号发生器.docx

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低频多波形函数信号发生器

茂名学院

单片机课程设计

课程名称：

低频多波形函数信号发生器

班级：

姓名：

学号:

指导老师:

陈政石

低频多波形函数信号发生器

1设计任务和要求

1．1设计任务

能实现矩形波、锯齿波、正弦波、三角波、梯形波模拟量输出，幅值/频率连续可调；画出完整硬件电路图（包括键盘显示（功能键、数字键，显示数字、状态等）扩展电路）；编写出完整的控制程序。

1．2要求说明

（1）单片机可采用8031、8051、AT89C51、AT89C52、fosc=6MHz。

扩展电路根据每个题目的任务功能具体需要选择相关IC电路芯片，完整系统电路还应包括时钟电路，复位电路，系统RAM、ROM，键盘显示等。

（2）编写程序要以模块化结构，如分初始化主程序、键扫子程序、显示子程序及其他功能子程序等。

2硬件系统原理

2．1波形发生器原理框图

DAC0832

图1原理框图

2．2单片机系统

该系统板上的单片机系统把全部的I/O端口资源提供出来，因此，在实际应用的时候，可以灵活地组合成不同的单片机应用系统，该单片机采用12MHZ晶振，232电平转换采用MAX232芯片把TTL电平转换成RS－232电平格式，可以用于单片机与微机通信，以及单片机与单片机之间的通信，在该系统板上提供了DB9的接口，用ISP下载器模块的程序下载接口完成源程序代码下载到AT89S51芯片中，它需要和微机上的ISP下载器软件配合使用来完成这样的功能。

具体的电路原理图如图2所示

图2单片机系统板

2．34×4行列式键盘模块

行列式键盘也即矩阵式键盘，它由行和列组成，在每个行列的交叉点上放置一个按键，这样4×4行列式键盘共需要16个键盘组成。

该模块实现人机对话输入，按不同键时可以实现不同的功能。

具体的电路原理图如图3所示：

图3.4键盘模块

图34×4行列式键盘模块

矩形式键盘的工作过程

1、单片机先使行线R4线为低，其余行线为“0”状态，其余行均为“1”状态。

2、单片机读入输入缓冲器的状态，以确定哪条列线为“0”状态。

如此时，若R1为“0”状态，则为“0”键压下；等等。

3、若输入缓冲器的状态全部为“1”状态，则单片机继续使行线R3为低，其余行线为高，再读入输入缓冲器的状态，以确定哪条列线为“0”状态，从而判断是哪个键压下。

4、当判断出哪个键压下之后，程序转入相应的键处理程序。

我们将这样的工作过程，称为键扫描，键扫描的方式有：

程序扫描方式：

单片机的控制一旦进入监控程序，将反复不断地扫描键盘，等待输入命令或数据。

定时扫描方式：

在初始化程序中对定时器/计数器进行编程，使之产生10ms的定时中断，单片机响应定时中断，执行中断服务程序，对键盘扫描一遍，检查键盘的状态，实现对键盘的定时扫描。

当两遍扫描到键位上都有键压下（延迟正好为8ms）时，单片机才作键处理

2．4DAC0832引脚及其功能

图4DAC0832引脚

DAC0832是双列直插式8位D/A转换器。

能完成数字量输入到模拟量（电流）输出的转换。

图1-1为DAC0832的引脚图。

其主要参数如下：

分辨率为8位，转换时间为1μs，满量程误差为±1LSB，参考电压为（+10～-10）V，供电电源为（+5～+15）V，逻辑电平输入与TTL兼容。

从图4中可见，在DAC0832中有两级锁存器，第一级锁存器称为输入寄存器，它的允许锁存信号为ILE，第二级锁存器称为DAC寄存器，它的锁存信号也称为通道控制信号/XFER。

图4中，当ILE为高电平，片选信号/CS和写信号/WR1为低电平时，输入寄存器控制信号为1，这种情况下，输入寄存器的输出随输入而变化。

此后，当/WR1由低电平变高时，控制信号成为低电平，此时，数据被锁存到输入寄存器中，这样输入寄存器的输出端不再随外部数据DB的变化而变化。

对第二级锁存来说，传送控制信号/XFER和写信号/WR2同时为低电平时，二级锁存控制信号为高电平，8位的DAC寄存器的输出随输入而变化，此后，当/WR2由低电平变高时，控制信号变为低电平，于是将输入寄存器的信息锁存到DAC寄存器中。

图4中其余各引脚的功能定义如下：

（1）、DI7～DI0：

8位的数据输入端，DI7为最高位。

（2）、IOUT1：

模拟电流输出端1，当DAC寄存器中数据全为1时，输出电流最大，当DAC寄存器中数据全为0时，输出电流为0。

（3）、IOUT2：

模拟电流输出端2，IOUT2与IOUT1的和为一个常数，即IOUT1＋IOUT2＝常数。

（4）、RFB：

反馈电阻引出端，DAC0832内部已经有反馈电阻，所以RFB端可以直接接到外部运算放大器的输出端，这样相当于将一个反馈电阻接在运算放大器的输出端和输入端之间。

（5）、VREF：

参考电压输入端，此端可接一个正电压，也可接一个负电压，它决定0至255的数字量转化出来的模拟量电压值的幅度，VREF范围为（+10～-10）V。

VREF端与D/A内部T形电阻网络相连。

（6）、Vcc：

芯片供电电压，范围为（+5~15）V。

（7）、AGND：

模拟量地，即模拟电路接地端。

（8）、DGND：

数字量地。

2．5液晶显示模块和AT89S51连接

LCD1602的数据端与AT89S51单片机的P0口连接，EN、R/W和RS分别与P2.0、P2.1、P2.2连接。

图5液晶显示模块

1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令，如表1所示，

指令说明

R/W

清除显示幕

光标回到原点

进入模式设定

I/D

显示幕ON/OFF

移位

S/C

R/L

功能设定

字发生器地址设定

ACG

设置显示地址

ADD

忙碌标志位BF

显示数据

写入数据

读取数据

读出数据

它的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。

（说明：

1为高电平、0为低电平）

指令1：

清显示，指令码01H,光标复位到地址00H位置

指令2：

光标复位，光标返回到地址00H

指令3：

光标和显示模式设置I/D：

光标移动方向，高电平右移，低电平左移S:

屏幕上所有文字是否左移或者右移。

高电平表示有效，低电平则无效

指令4：

显示开关控制。

D：

控制整体显示的开与关，高电平表示开显示，低电平表示关显示C：

控制光标的开与关，高电平表示有光标，低电平表示无光标B：

控制光标是否闪烁，高电平闪烁，低电平不闪烁

指令5：

光标或显示移位S/C：

高电平时移动显示的文字，低电平时移动光标

指令6：

功能设置命令DL：

高电平时为4位总线，低电平时为8位总线N：

低电平时为单行显示，高电平时双行显示F:

低电平时显示5x7的点阵字符，高电平时显示5x10的点阵字符

指令7：

字符发生器RAM地址设置

指令8：

DDRAM地址设置

指令9：

读忙信号和光标地址BF：

为忙标志位，高电平表示忙，此时模块不能接收命令或者数据，如果为低电平表示不忙。

指令10：

写数据

指令11：

读数据

液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效。

要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，表1602的内部显示地址。

16×216字2行

2.6整体设计电路

图6整体设计电路

用AT89S51作主控制器，有16×16的键盘输入，用以设计频率、幅值和波形输入选择，液晶显示输出波形的类型、频率和幅值，DA0832输出模拟量。

3软件系统原理

3．1设计思想

1、将一个周期T的信号分离成32个点（按X轴等分），每两点之间间隔为△T，用单片机的定时器产生，如下式所示：

△T=T/32

如果单片机的晶振为12MHz,采用定时器方式0，则定时器的初值为：

X=213-△T/Tm（其中Tm为机器周期）

定时时间常数为：

TL=（8192-△T）MOD32（其中△T的单位为US）

TH=（8192-△T）/32

△T

MOD32表示除32取余数

例如:

一个100HZ的信号,其定时时间常数为:

图7正弦波的模拟信号分离

△T

TL=（8192-T/32）MOD32=08H

TH=（8192-T/32）/32=0F6H

2、正弦波的模拟信号分离如图7所示（其他波形的信号分离图略）,图中Y是D/A转换器的模拟量输出,其计算公式为:

Y=（A/2sin△t）+A/2（其中A=VREF）

△t=N△T（N=1～32）

那么对应着存放在单片机的这一点的数据为：

幅值的设置：

从各个波形表中查出每点对应的数值，查出点的最大值是5V。

根据幅值要求算出真实输出是值。

设该点是X，真实输出是值X/（6-5），其指今是MOVB,VARM

DIVABMOVP3,A

3、一个周期被分离成32个点，对应的波形的32个数据如下正弦波的设计（其他波形分离原理与正弦波相似）

SIN1:

MOVDPTR,#SIN_TAB

MOVA,R6

MOVCA,@A+DPTR

MOVB,VARM

DIVAB

MOVP3,A;DA转换

MOVA,R6

INCA

MOVR6,A

CJNEA,#32H,SIN

MOVR6,#00H

SIN:

RETI

SIN_TAB:

DB98H,0B0H,0C6H,0D9H,0E9H,0F5H,0FCH,0FFH

DB0FCH,0F5H,0E9H,0D9H,0C6H,0B0H,98H,7FH

DB66H,4EH,38H,25H,15H,0AH,02H,00H

DB02H,0AH,15H,25H,38H,4EH,66H,7FH

3.2DAC0832原理

图8为单片机和DAC0832直通方式输出连接图，运放输出电路输出电压为UOUT＝－（D/256）*VREF,例如上图中向DAC0832传送的8位数据量40H（01000000B）,则输出电压UOUT=－（64/256）*5V=－1.25V，其输出过程可用MOVP3,#40H一条指令完成。

图8单片机和DAC0832直通方式输出连接图

3.3键盘扫描

P1.7P1.6P1.5P1.44个步骤:

P1.31.P1.3=0行扫描初值

P1.22.P1左移检测列

P1.13.P1右移扫描行

P1.04.计数指针至TABLE取码

L1:

MOVR3,#0F7H

MOVR1,#00H

L2:

MOVA,R3

MOVP1,A

MOVA,P1

MOVR4,A

SETBC

MOVR5,#04H

L3:

RLCA

JNCKEYIN

INCR1

DJNZR5,L3

MOVA,R3

SETBC

RRCA

MOVR3,A

JCL2

AJMPL1

3.4程序流程图

程序主流程图如图9所示。

主程序主要完成系统初始化，开中断,循环等待；T0中断服务子程序主要完成键盘操作、显示、输出控制等功能。

限于篇幅，本程序其他波形段省略。

开始

初始化

键盘扫描

按键码值

按功能键

按数字键

设频率参数

设电压参数

判断波形

中断设置

显示幅值

显示频率值

设波形值

图9主流程图

程序中断服务流程图如图10所示。

中断时间对应频率的设置。

限于篇幅。

D/A转换

幅值计算

图10中断服务流程图

使用说明书

1、键盘

2、键盘功能说明

0——9：

为数字键频率和电压值的设定；

A键：

功能键切换频率与电压值设定；

B键：

正弦波输出；

C键：

三角波输出；

D键：

方波输出；

E键：

齿锯波输出；

F键：

梯形波输出；

收获和体会

首先，衷心感谢我的指导教师陈政石老师。

扎实的专业知识、活跃的学术思想、严谨的治学态度、求实的工作作风、清晰的指导思路，通过面授和通信等多种方式，给予我多次耐心的指导。

设计的难点：

频率和幅值的设置是设计的难点，开始的时候没有想通定时器定时的原理，不知道应该怎么着手，教材和网上也没有找到相关的资料，所以想了很久。

后来跟同学共同研究才找到了方法。

体会：

在设计整个低频多波形函数信号发生器的设计过程中，我从中学到了不少东西，更深一步掌握了AT89S51单片机、DAC0832、键盘和液晶显示的应用。

电路虽然简单，但焊接起来还是有一定的难度经常有管脚接错的地方，说明对芯片使用不够熟练，在今后我能多加练习。

通过使用51学习板对自己所设计的程序进行调试，在调试过程中能够分析出现的出错原因并及时对其进行修改，总结出最佳的方案。

自己从中也学到了不少知识，特别是跟据液晶显示的功能表来编程序，这在课本中根本没有提及，进一步了解单片机定时器的应用。

该程序比较难实现的是频率输出的切换，经过多次的思考结合的方案，调节方便。

幅值调节是容易实现，只是把最大值除以对应值。

掌握低频多波形函数信号发生器的设计方法，加强了理论知识与实践统一的能力，加强了自己的动手操作能力，为以后的电路设计打好基础。

实验源程序

;多功能波形发生器程序:

可调幅度,可调频率,液晶显示

;日期:

2006.12.25

RSBITP2.0

RWBITP2.1

EBITP2.2

VARMEQU40H;幅值变量

VARFEQU41H;频率变量

VART1EQU42H

VART2EQU43H

ORG00H

AJMPMAIN

ORG0BH

AJMPTIM0

ORG100H

MAIN:

MOVSP,#70H

MOVP0,#01H

LCALLENABLE

MOVP0,#38H

LCALLENABLE

MOVP0,#0FH

LCALLENABLE

MOVP0,#06H

LCALLENABLE

MOVP0,#80H

LCALLENABLE

MOVDPTR,#TABLE0

LCALLWRITE1

MOVP0,#0C0H

LCALLENABLE

MOVDPTR,#TABLE1

LCALLWRITE1

MOVR5,#50;显示xwellchen

DELAYD:

LCALLDELAY1;延时5s

DJNZR5,DELAYD

MOVP0,#80H

LCALLENABLE

MOVDPTR,#DISP1

LCALLWRITE1

MOVP0,#0C0H

LCALLENABLE

MOVDPTR,#TABLE2

LCALLWRITE1

MOV33H,#35H

MOVVARM,#01H;设置5V

MOV39H,#20H;显示10Hz

MOV3AH,#20H

MOV3BH,#31H

MOV3CH,#30H

MOVTMOD,#00H;定时器初始化

MOVVART1,#15H;设置10HZ定时时间

MOVVART2,#9EH

SETBET0

SETBEA

;================================

;功能键扫描

;================================

KEY:

MOVP0,#01H;显示初值

LCALLENABLE

MOVP0,#80H

LCALLENABLE

MOVDPTR,#DISP1

LCALLWRITE1

LCALLDISPLAY

KEY1:

LCALLL1;调用键盘

MOVR0,A

MOVA,R0

CJNEA,#41H,K1

LJMPSETVAR;设置幅度

K1:

MOVA,R0

CJNEA,#42H,K2

LJMPSINE;正弦波

K2:

MOVA,R0

CJNEA,#43H,K3

LJMPSQUARE;方波

K3:

MOVA,R0

CJNEA,#44H,K4

LJMPTRIANGLE;三角波

K4:

MOVA,R0

CJNEA,#45H,K5

LJMPECHELON;梯形波

K5:

MOVA,R0

CJNEA,#46H,K6

LJMPSAWTOOTH;锯齿

K6:

JMPKEY

;---------------------

;设置幅值

;---------------------

SETVAR:

MOVP0,#01H;显示幅值设置

LCALLENABLE

MOVP0,#80H

LCALLENABLE

MOVDPTR,#TABLE4

LCALLWRITE1

LCALLDISPLAY

KEY2:

LCALLL1;调用键盘扫描

MOVR0,A

MOVA,R0

CJNEA,#41H,KR1

LJMPSETVARF;设置频率

KR1:

MOVA,R0

CJNEA,#42H,KR2

LJMPSINE;正弦波

KR2:

MOVA,R0

CJNEA,#43H,KR3

LJMPSQUARE;方波

KR3:

MOVA,R0

CJNEA,#44H,KR4

LJMPTRIANGLE;三角波

KR4:

MOVA,R0

CJNEA,#45H,KR5

LJMPECHELON;梯形波

KR5:

MOVA,R0

CJNEA,#46H,KR6

LJMPSAWTOOTH;锯齿

KR6:

MOVA,R0

MOV33H,A;幅值设置

LCALLDISPLAY

MOVA,#36H

CLRC

SUBBA,33H

MOVVARM,A

AJMPSETVAR

;----------------------

;设置频率

;---------------------

SETVARF:

MOVP0,#01H;显示频率设置

LCALLENABLE

MOVP0,#80H

LCALLENABLE

MOVDPTR,#TABLE5

LCALLWRITE1

LCALLDISPLAY

KEY3:

LCALLL1

MOVR0,A

MOVA,R0

CJNEA,#41H,KF1

LJMPKEY;返回

KF1:

MOVA,R0

CJNEA,#42H,KF2

LJMPSINE;正弦波

KF2:

MOVA,R0

CJNEA,#43H,KF3

LJMPSQUARE;方波

KF3:

MOVA,R0

CJNEA,#44H,KF4

LJMPTRIANGLE;三角波

KF4:

MOVA,R0

CJNEA,#45H,KF5

LJMPECHELON;梯形波

KF5:

MOVA,R0

CJNEA,#46H,KF6

LJMPSAWTOOTH;锯齿

KF6:

MOVA,R0

CJNEA,#31H,KF7

LJMPK10H;输出10Hz

KF7:

MOVA,R0

CJNEA,#32H,KF8

LJMPK100H;输出100Hz

KF8:

MOVA,R0

CJNEA,#33H,KF9

LJMPK200H;输出200Hz

KF9:

MOVA,R0

CJNEA,#34H,KFA

LJMPK500H;输出500Hz

KFA:

MOVA,R0

CJNEA,#35H,KFB

LJMPK1K;输出1KHz

KFB:

AJMPSETVARF;键盘扫描子程序

L1:

MOVR3,#0F7H

MOVR1,#00H

L2:

MOVA,R3

MOVP1,A

MOVA,P1

MOVR4,A

SETBC

MOVR5,#04H

L3:

RLCA

JNCKEYIN

INCR1

DJNZR5,L3

MOVA,R3

SETBC

RRCA

MOVR3,A

JCL2

AJMPL1

KEYIN:

MOVR7,#60

D2:

MOVR6,#248

DJNZR6,$

DJNZR7,D2

D3:

MOVA,P1

XRLA,R4

JZD3

MOVA,R1

MOVDPTR,#TABLE3

MOVCA,@A+DPTR

RET

K10H:

MOV39H,#20H;显示10HZ

MOV3AH,#20H

MOV3BH,#31H

MOV3CH,#30H

LCALLDISPLAY

MOVVART1,#15H;设10HZ定时

MOVVART2,#9EH

AJMPSETVARF

K100H:

MOV39H,#20H;显示100HZ

MOV3AH,#31H

MOV3BH,#30H

MOV3CH,#30H

LCALLDISPLAY

MOVVART1,#08H;设100HZ定时

MOVVART2,#0F6H

AJMPSETVARF

K200H:

MOV39H,#20H

MOV3AH,#32H

MOV3BH,#30H

MOV3CH,#30H

LCALLDISPLAY

MOVVART1,#03H；设200HZ定时

MOVVART2,#0FBH

AJMPSETVARF

K500H:

MOV39H,#20H

MOV3AH,#35H

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