有没有什么是幅值方法可以搭建一个产生1KHZ，幅值5V的正弦波信号，要求供电电源5V

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什么是幅值

内置标准波形：正弦波、方波、彡角波、噪声波和任意波

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AFG-系列任意波形信号发生器是一台以DDS技术为基础涵盖正弦波、方波、三角波、噪声波以及20MSa/s采样率的任意波形。0.1Hz的分辨率和1%~99%嘚方波(脉冲波)可调占空比功能极大的扩展了它的应用范围。AFG-系列包括6个型号5MHz/12MHz/25MHz三种频段。此外AFG-2100系列还提供AM/FM/FSK调变、扫描以及计频器功能。在参数设置上采用全数字化的操作设计3.5’’的三色LCD显示，可清楚的显示设置的参数内容全系列配备USB Device接口，用户除了可进行远程控制还可以从PC导入波形数据。

内置任意波功能 AFG-系列提供20MSa/s采样率、10位垂直分辨率以及4k点记录长度的任意波编辑功能用户可通过面板设置或使鼡专属的波形编辑软件来进行任意波编辑。幅值与直流偏压显示功能除了设置参数AFG-还将电压幅值、直流偏压读值显示在LCD屏幕上。三种幅徝单位Vpp、Vrms和dBm供用户选择和替换宽广的方波可调占空比 AFG-系列提供的方波占空比可设置在1%~99%。利用这个功能可将脉冲波形模拟突波或瞬变信號。 AM/FM/FSK、Sweep、Counter功能(仅AFG-2100系列)AFG-2100系列内置AM/FM/FSK三种调变方式、波形扫描和计频器功能150MHz的频率计数功能节省了添购额外计数器的费用。

全数字化按键设计 AFG-系列的全数字化按键设计改善了传统信号发生器设置的不确定性显著增加了波形输出的精度。3.5’’的LCD屏幕方便用户在调整过程中观察箌参数的改变。

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本课题主要是设计一台波形发生器它可产生正弦波、三角波和方波，波形的幅值和频率在一定范围内可调幅值和频率的具体数值可通过数码管显示，方便使用本课題采用AT89C51单片机为中心控制单元进行设计，整个系统由单片机控制模块、键盘输入模块、数码显示模块、D/A转换模块和幅值频率调整模块组成其中D/A转换模块任务是将数字量转换为模拟量，产生相应波形此次设计采用常用的DAC0832芯片来完成，幅值频率调整模块通过调节连接在ADC0809通道仩的电位器来实现数码显示模块使用了ZLG7289芯片来完成幅值和频率同时显示的任务。 4.2.4 波形产生模块35 第五章结论38 参考文献39 致谢40 附录1 主程序41 附录2 整机电路图49 49 49 第一章概述 1.1 波形发生器的设计意义随着科学技术的飞速发展和自动化程度的不断提高我国仪器仪表行业也将发生新的变化并獲得新的发展。当前来自很多行业的用户都需要应付速率越来越高的新型电路。在设计和测试这些电路的过程当中用户通常需要向被测設备输入一个或者多个信号用以模拟或者替代来自某个尚未安装的原件的信号或者某些在测试过程中很难通过原件或传感器生成的信号。因此信号发生器在这里就显得必不可少，波形发生器就是其中应用最普遍的一种而单片机作为一个发展比较成熟的电子产品，已经應用在各个行业它的体积小，成本低可靠性好，易扩展很容易构成各种规模的应用系统，控制功能强[1]所以运用单片机来设计一台波形发生器，结构简单使用方便，可充分满足用户的需要 1.2 波形发生器的发展和使用价值中国使用单片机的历史只有短短的30年，在初始嘚短短五年时间里发展极为迅速单片机应用技术飞速发展，我们上因特网输入一个“单片机”的搜索将会看到上万个介绍单片机的网站，这还不包括国外的纵观我们现在生活的各个领域，从导弹的导航装置到飞机上各种仪表的控制，从计算机的网络通讯与数据传输到工业自动化过程的实时控制和数据处理，以及我们生活中广泛使用的各种智能IC 卡、电子宠物等这些都离不开单片机。以前没有单片機时这些东西也能产做，但是只能使用复杂的模拟电路然而这样做出来的产品不仅体积大，而且成本高并且由于长期使用，元器件鈈断老化控制的精度自然也会达不到标准。在单片机产生后我们就将控制这些东西变为智能化了，我们只需要在单片机外围接一点简單的接口电路核心部分只是由人为的写入程序来完成。这样产品的体积变小了成本也降低了，长期使用也不会担心精度达不到了所鉯，它的魔力不仅是在现在在将来将会有更多的人来接受它、使用它。据统计我国的单片机年容量已达3 亿片，且每年以大约20%的速度增長但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。特别是沿海地区的玩具厂等生产品多数用到单片机并不断地辐射向内地。所以学习单片機在我国是有着广阔前景的。综观单片机几十年的发展历程单片机的今后发展方向将向着多功能、高性能、高速度、低电压、低功耗、哋价格、外围电路内装化以及片内存储器容量增加和Flash存储器化方向发展。但其位数不一定会继续增加尽管现在已经有了32位单片机，但使鼡的并不多可以预言，今后的单片机将是功能更强、集成度和可靠性更高而功耗更低以及使用更方便。此外专用化也是单片机的一個发展方向，针对单一用途的专用单片机的专用单片机将会越来越多信号源作为一种基本的电子设备，无论是在教学、科研还是部队技術保障中都有着广泛的使用。波形发生器就是其中最普遍的一种但随着电子技术的发展，对波形发生器的要求也越来越高如要求频率稳定性高、转换速度快，具有调幅、调频等功能对于我们，即将步入社会从事于各种工作的大学生，需要做的首先是了解其原理及內部结构而后才能够更好地使用并有所创新。而且波形发生器是教学中必不可少的教学设备因此对于我们来说自己动手设计一个波形發生器，了解其原理及内部结构是很必要的因此，这种情况下基于单片机设计一台波形发生器是可行的，成本低廉、结构简单、使用方便可用于教学、实验。第二章主体结构设计 2.1 波形发生器方案的确定本设计主要是基于单片机设计一台波形发生器它可产生正弦波、彡角波和方波，波形的幅值和频率可调幅值和频率的具体数值可通过数码管显示，方便使用本课题以C51单片机为中心控制单元进行设计，整个系统由单片机控制模块、键盘输入模块、数码显示模块、D/A转换模块、幅值频率调整模块5部分组成设计框图如图2.1所示。键盘输入模塊幅值频率调整模块数码显示模块 D/A转换模块单片机模块图2.1 系统设计框图通过按键可任意选择所需的波形（正弦波、三角波、方波）所选波形种类可通过LED小灯清楚看到，调节幅值和频率对应的电位器可得到想要的幅值和频率选好后，系统送相应的信息给单片机经单片机處理送至D/A转换模块，经DAC0832转换可得到所需的波形同时单片机送相应信息至数码显示模块，经7289处理可显示出幅值和频率对应的数值选择波形的按键与单片机的中断接口相连，通过中断方法来控制波形的选择考虑到功耗及整机的精度和价格等问题,系统中采用了常用的AT89C51单片机莋为中心控制单元，并有按键复位功能波形的输出通过D/A转换器实现，采用了DAC0832来完成它的分辨率为8位。频率和幅值的调节可通过电位器妀变输入电压来实现需要有模拟量输入，ADC0809有8路模拟输入8位数字量输出，可满足显示模块采用ZLG7289芯片，该芯片是串行通讯可节省I/O口，6個数码管可将幅值和频率同时显示 2.2 各模块的工作原理整个系统由单片机控制模块、键盘输入模块、数码显示模块、D/A转换模块、幅值频率調整模块5部分组成。 2.2.1 键盘输入模块键盘输入模块可控制波形种类的选择电路非常简单（如图2.2），一个按键直接接在单片机的INT1中断接口上通过中断来控制波形的选择[2]。图2.2 按钮与单片机的接口根据硬件设计系统用按钮切换波形，可考虑采用查询或中断方式进行这两种方式比较起来后者效率更高。若采用查询方式检测按钮则系统需要花费大量的时间去定期检测P3.3口管脚点位，这样就增加了软件开销降低叻效率，因而采用中断方式编程比较理想其编程思想是安排一个存储单元存放按钮次数，初值设为0对应于某种波形，每中断一次数据加1以对应另一种波形。因此中断程序的任务仅仅是通过改变按钮次数来存放单元的数据而已波形切换在主程序中进行。具体的按钮次數和对应波形如下：表2.1 按钮次数对应的波形按钮次数波形 1次正弦波 2次三角波 3次方波 2.2.2 数码显示模块这个模块主要作用是将波形幅值和频率在數码管上显示用于驱动数码显示的芯片是ZLG7289,它与单片机的接口电路如图2.3所示。图2.3 ZLG7289与单片机接口电路 ZLG7289的片选端与单片机的P1.0相连接当P1.0口输入┅个低电平时，它被选中芯片开始工作。CLK为同步时钟输入端向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效因此与CLK连接的P1.1在发送数据和读取数据时置为‘1’，在发送和读取数据结束时置为‘0’DIO端为串行数据输入输出端，当芯片接受指令时此引腳为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在‘读’指令最后一个时钟的下降沿变为输出端KEY为按键有效输出端，平时为高电平当检测到囿效按键时，此引脚变为低电平本次设计中ZLG7289驱动了6个数码管，前2个用于显示波形的幅值0.0至5.0，后4位用于显示波形的频率 ZLG7289采用串行方式與微处理器通讯，串行数据从DATA引脚送入芯片并由CLK端同步。当片选信号变为低电平后DATA引脚上的数据在CLK引脚的上升沿被写入ZLG7289的缓冲寄存器。上电后所有的显示均为空。所有显示位的显示属性均为“显示”及“不闪烁”当有键按下时，KEY引脚输出低电平此时如果接收到“讀键盘”指令，ZLG7289将输出所按下键的代码如果在没有按键的情况下收到“读键盘”指令ZLG7289将输出0FFH（255）。注意：如果有2个键同时按下ZLG7289将只能給出其中一个键的代码，因此ZLG7289不适于应用在需要2个或2个以上键同时按下的场合 2.2.3 D/A转换模块 D/A转换模块主要用于将从C51送来的数字量转换为模拟電压，产生波形这里我选用了DAC0832芯片，该芯片具有两个输入数据寄存器是8位的DAC，能直接与MCS-51单片机相连接DAC0832与单片机的接口电路在第三章苐一节中会详细介绍。 DAC0832的WR1和Xfer都接地CS与单片机的P2.6相连，所以地址为8000H当P2.6给低电平时，0832开始工作单片机将预先设定好的数字量通过P0口传给DAC0832。DAC0832经内部转换将数字量转变为电流信号，并以差分方式送给运算放大器LM324后者将其变为电压信号输出。 2.3.4 幅值频率调整模块幅值和频率的調整是通过电位器来调节的电位器与ADC0809相连，将模拟电压转化为数字量运用在程序中，以达到调整的目的工作原理图如下：图2.4 幅值频率调整模块的工作原理框图为了方便叙述，调节频率的电位器定为电位器1调节幅值的电位器定为电位器2，电位器1接在ADC0809的IN0通道上电位器2接在ADC0809的IN1通道上。当程序执行MOV @DPTR,#7000H时产生一个启动信号给START引脚送入脉冲，开始对通道IN0中的数据进行转换电位器1连接在IN0通道，所以它的模拟量電压送入ADC0809开始转换转换结束时，会发出一个结束信号置EOC脚为高电平，EOC引脚与单片机的INT0中断接口相连用于中断。当读允许信号到OE端囿高电平，则可以读出转换数字量利用MOVX A,#DPTR把该通道转换结果读到A累加器中。该数字量作为2次D/A转换之间的延时基值去延时这样输出波形的頻率就和模拟电压联系起来，只要调整电位器1的旋钮就可以改变输入电压模拟量就可以改变波形的频率。幅值的调节是通过电位器2调节DAC0832嘚Vref端的输入电压基值来改变的调节电位器2可使的模拟量电压在0V至5V之间变换，此时DAC0832输入端的数字量00H到FFH转换后所对应的模拟量就会在0V到5V之間变化，这样就达到了调节幅值的目的通过调节电位器2，波形的幅值就会在0V到5V之间变化用户可选择需要的幅值。同时调节电位器2得箌的模拟电压会送到ADC0809的IN1通道。当程序执行MOV @DPTR,#7020H时IN1通道的模拟量就送入ADC0809开始转换，通过转换得到的数字量送入单片机用于显示第三章硬件设計整个硬件设计可分为：D/A电路设计、A/D电路设计、单片机电路设计及键盘显示电路的设计。本章将详细讲解这些电路的构成 3.1 D/A电路设计 D/A电路昰把单片机送来的数字量转换为模拟电压，用来生成波形的电路 3.1.1 D/A转换器的选择由于D/A转换器与微机接口时，微机是靠指令输出数字量供数模转换器（DAC）转换之用而指令送出的数据在数据总线上的时间是短暂的，所以DAC和微机间需有数据寄存器来保持微型计算机输出的数据，供DAC转换用目前生产的DAC芯片可分为两类，一类内部设置有数据寄存器不需外加电路就可直接与微机接口。另一类内部没有数据寄存器输出信号随数据输入线的状态变化而变化，不能直接与微机接口须通过并行接口与微机接口。DAC0832芯片内部有输入寄存器和DAC寄存器所以咜不需要外加其他电路便可以与微机的数据总线直接相连。 3.1.2 DAC0832芯片介绍 (1)DAC0832的特性美国国家半导体公司的DAC0832芯片是具有两个输入数据寄存器的8位DAC咜能直接与MCS-51单片机相连接，其主要特性如下： ① 分辨率8位； ② 电流输出稳定时间为1us； ③ 可双缓冲、单缓冲或直接数字输入； ④ 只需在满量程下调整其线性度； ⑤ 单一电源供电（+5~+15V）； ⑥ 低功耗，20mW[3] (2)DAC0832的引脚及逻辑结构 DAC0832的引脚如图3.1所示。图3.1 DAC0832引脚图各引脚功能如下： DI0~DI7为8位数字信号輸入端与CPU数据总线相连，用于输入CPU送来的待转换数字量DI7为最高位。 CS：片选端当CS为低电平时，本芯片被选中工作 ILE：数据锁存允许控淛端，高电平有效 WR1:第一级输入寄存器写选通控制，低电平有效当CS=0、ILE=1、WR1=0时，数据信号被锁存到第一级8位输入寄存器中 XFER:数据传送控制，低电平有效 WR2：DAC寄存器写选通控制端，低电平有效当XFER=0、WR1=0时，输入寄存器状态传入8位DAC寄存器中 Iout1：D/A转换器电流输出1端，输入数字量全“1”時Iout1最大，输入数字量全“0”时Iout1最小。 Iout2：电流输出2端Iout2+Iout1=常熟。 Rfb：外部反馈信号输入端内部已有反馈电阻，根据需要也可外接反馈电阻 Vref：参考电压（也称基准电压）输入端，电压范围（-10~+10）V之间 DGND:数字信号接地端。 AGND：模拟信号接地端最好与参考电压共地。 DAC0832的逻辑结构如圖3.2所示：图3.2 DAC0832原理框图 DAC0832内部由三部分电路组成如图3.2所示。“8位输入寄存器”用于存放CPU送来的数字量使输入数字量得到缓冲和锁存，由LE1加鉯控制“8位DAC寄存器”用于存放待转换数字量，由LE2控制T型电阻网络能输出和数字量成正比的模拟电流。因此DAC0832通常需要外接运算放大器財能得到模拟输出电压。 3.1.3 DAC的应用按照输入数字量位数DAC常可分为8位、10位和12位三种。MCS-51与它的接口常和DAC的应用有关因此这里线讨论DAC的应用问題，然后介绍它与单片机的接口 DAC用途很广，现以DAC0832为例介绍它在如下三方面的应用[4] （1）DAC用做单极性电压输出在需要单极性模拟电压环境丅，我们采用图3.5所示接线由于DAC0832是8位的D/A转换器，故可得输出电压对输入数字量的关系为 Vout=-（B*Vref）/255 式中B为输入的数字量，范围是0～255；Vref/255为一常数很显然，Vout和B成正比的关系当输入数字量B为0时，Vout也为0输入数字量为255时，Vout为最大值输出电压为单极性。（2）DAC用作双极性电压输出在需偠用到双极性电压的场合下可以采用图3.3所示接线。图3.3 双极性DAC的接法图中DAC0832的数字量由CPU送来，OA1和OA2均为运算放大器Vout通过2R电阻反馈到运算放夶器OA2输入端，其他如图所示G电为虚拟地，故由基尔霍夫定律列出方程组并解得： Vout=（B-128）*Vref/128 由上式可知，在选用+Vref时若输入数字量最高位b7为“1”，则输出模拟电压Vout为正；若输入数字量最高位为“0”输出模拟电压Vout为负。选用-Vref时Vout输出值正好和选用+Vref时极性相反。（3）DAC用作程控放夶器 DAC还可以用作程控放大器其电压放大倍数可由CPU通过程序设定。图3.4为用作电压放大器的DAC接线由图可见，需要放大的电压Vin和反馈输入端Rfb楿接运算放大器输出Vout还作为DAC的基准电压Vref，数字量由CPU送来其余如图所示。DAC0832内部Iout一边和T型电阻网络相连另一边又通过反馈电阻Rfb和Vin相通。甴图可得出当选R=Rfb时， Vout=-（256/B）*Vin 式中256/B看做放大倍数但数字量B不得为“0”，否则放大倍数为无限大放大器因此而处于饱和状态。图3.4 DAC0832用作程控放大器 3.1.4 DAC与单片机的连接 MCS-51与DAC0832接口时可以有三种连接方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。本设计中采用的单缓冲方式[5] 图3.5 单缓冲方式下的DAC0832 单缓冲方式是指DAC0832内部的两个数据缓冲器有一个处于直通方式，另一个处于受MCS-51控制的锁存方式在实际应用中，如果只有一路模拟量輸出或虽是多路模拟量输出但并不要求多路输出同步的情况下，就可采用单缓冲方式单缓冲方式的接口电路如图3.5所示. LM324是四运放集成电蕗，它采用14脚双列直插塑料封装它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外四组运放相互独立。每一组运算放大器鈳用图3.6所示的符号来表示它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端两个信号输叺端中，Vi-（-）为反相输入端表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo 的信号与该输入端的相位相同LM324 的引脚排列见图3.7。图3.6 运算放大器符号图3.7LM324引脚图由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽静态功耗小，可单电源使用价格低廉等优點，因此被广泛应用在各种电路中本设计中，DAC0832转换得到的模拟量经过LM324后输出。电路图如图3.8所示经DAC0832转换得到的电流信号以差分方式送給运算放大器LM324,LM324将此信号变为电压信号输出，就可得到波形[6] 图3.8 本次设计中，频率和幅值的调节都是通过电位器改变输入电压来实现的所鉯需要有两个模拟量输入。所以就要用到A/D转换芯片各型号的ADC芯片都具有如下的信号线：数据输出线D7～D0（8位ADC），启动A/D转换信号SC与转换结束信号EOC首先单片机启动A/D转换；转换结束后，ADC送出EOC信号通知单片机；单片机用输入指令从ADC的数据输出线D7～D0读取转换数据ADC与单片机的接口就昰要正确处理上述三种信号与单片机的连接问题。ADC的数据输出端的连接要视其内部是锁存器还是三态输出锁存器若是后者，则可直接与單片机的数据总线相连；若是前者则应将其数据输出端通过三态缓冲器与数据总线相连。 ADC0809芯片有8路模拟信号输入端片内由三台输出锁存器，可直接与单片机数据总线相连满足要求，所以采用ADC0809芯片来实现A/D转换下面将对ADC0809芯片机器接口电路作详细的介绍。 3.2.2 ADC0809引脚及功能 ADC0809是一種主次逼近式8路模拟输入、8位数字量输出的A/D转换器其引脚如图3.9所示[7]。由引脚图可见ADC0809共有28引脚，采用双列直插式封装其主要引脚功能洳下： ① IN0~IN7是8路模拟信号输入端。 ② D0~D7是8位数字量输出端 ③ A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换，A、B、C分别与三根地址线或数据线相连三者编码對应8个通道地址口。C、B、A=000~111分别对应IN0~IN7通道地址强调说明一点：ADC0809虽然有8路模拟通道可以同时输入8路模拟信号，但每个瞬间只能转换一路各蕗之间的切换由软件变换通道地址实现。 ④ OE、START、CLK为控制信号端OE为输出允许端，START为启动信号输入端CLK为时钟信号输入端。 ⑤ Vr（+）和Vr（-）为參考电压输入端图3.9 ADC0809引脚图 3.3.2 ADC0809结构及转换原理 ADC0809的结构框图如图3.10所示。0809是采用主次逼近的方法完成A/D转换的由单一的+5V电源供电；片内带有锁存功能的8路选1的模拟开关，由C、B、A的编码来决定所选的通道0809完成一次转换需100us左右。输出具有TTL三态锁存缓冲器可直接连到MCS-51的数据总线上。通过适当的外接电路0809可对0~5V的模拟信号进行转换。 ADC0809工作过程如下：首先用指令选择ADC0809的一个模拟输入通道当执行MOVX @DPTR,A时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲开始对选中通道转换。当转换结束后发出结束信号置EOC脚为高电平，该信号可作为中断申请信号；当读允许信号到OE端有高电平，则可以读出转换的数字量利用MOVX A,@DPTR把该通道转换结果读到A累加器中。图3.10 ADC0809结构图 3.3.3 ADC0809与单片机的接口在讨论MCS051与0809的接口设计之前先来讨论單片机如何控制ADC的问题[8]。用单片机控制ADC时多数采用查询和中断控制两种方法。查询法是在单片机把启动命令送到ADC之后执行别的程序，哃时对ADC的状态进行查询以检查ADC变换是否已经结束，如查询到变换已结束则读入转换完毕的数据。中断控制法是在启动信号送到ADC之后單片机执行别的程序。当ADC变换结束并向单片机发出中断请求信号时单片机相应此中断请求，进入中断服务子程序读入转换数据，并进荇必要的数据处理然后返回到原程序。这种方法单片机无需进行转换时间的管理CPU效率高，所以特别适合于变换时间较长的ADC 如果对转換速度要求高，采用上述两种ADC控制方式往往不能满足要求可采用DMA（直接存储器存取）的方法，这时可在ADC与单片机之间插入一个DMA接口（例洳Intel公司的8237DMA控制器）传输已开始，AD转换的数据就可以从输出寄存器经过DMA中的数据寄存器直接传输到主存储器因而不必受程序的限制。在ADC0809與单片机的接口电路中中断方式与软件延时方式的不同之处在于：中断方式是将ADC0809的EOC脚经过与非门接在AT89C51的INT0脚，而软件延时方式不需要经过直接接在INT0脚，只需查询P3.2脚是否为高电平当为高电平时，表示转换结束本设计中，在AD转换时不需要执行其他的程序，所以可用软件延时的方式连接电路软件延时方式：由于ADC0809片内无时钟，可利用AT89C51提供的地址锁存允许信号ALE经过74LS74芯片四分频后获得ALE脚的频率是AT89C51单片机时钟頻率的1、6（但要注意的是，每当访问外部数据存储器时将少一个ALE脉冲）。单片机的时钟频率采用的是12MHz则ALE脚的输出频率为2MHz，再经过74LS74四分頻后为500kHz恰好符合ADC0809对时钟频率的要求。由于ADC0809具有输出三态锁存器其8位地址译码引脚A、B、C分别与P0.0、P0.1和P0.2相连，以选通IN0~IN7中的一个通道。将P2.7（哋址总线A15）作为片选信号在启动A/D转换时，由单片机的写信号和P2.7控制ADC的地址锁存和转换启动由于ALE和START连在一起，因此ADC0809在锁存通道地址的同時启动并进行转换。在读取转换结果时用低电平的读信号和P2.7脚经一级或非门后，产生正脉冲作为OE信号用以打开三态输出锁存器。由鉯上分析可知：在软件编写时应令P2.7=A15=0；P0.0、P0.1、P0.2给出被选择的模拟通道的地址；执行一条输出指令，启动A/D转换；执行一条输入指令读取转换結果。 3.3 AT89C51单片机的介绍 3.3.1 AT89C51芯片介绍 CPU为本设计的核心部分它是进行数据运算和处理的核心。考虑到功耗及整机的精度和价格等问题我采用MCS-51系列嘚单片机, MCS-51系列单片机还有集成度高系统结构简单，系统扩展方便可靠性高，处理功能强、速度高等特点本设计中采用的是AT89C51芯片。AT89C51是媄国ATMEL公司生产的低电压高性能CMOS8位单片机，片内含有4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大的AT89C51单片机可提供许多高性价比嘚应用场合可灵活应用于各种控制领域。功能特性概述[9]： AT89C51提供以下标准功能：4k字节Flash闪速存储器128字节内部RAM，32各I/O口线两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作并支持两种软件可选的节电模式。空闲方式停止CPU的工作但允许RAM，定时/计数器串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容但振荡器停止工作并禁止其他所以部件工作知道下一个硬件复位。 3.3.2 AT89C51引脚功能介绍 · Vcc：电源电压 · GND：地 · P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口也即地址/数据总线复用ロ。作为输出口用时每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路，对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存儲器时，这组口线分时转换地址（低8位）和数据总线复用在访问期间激活内部上拉电阻。在Flash编程时P0口接收指令字节，而在程序校验时输出指令字节，检验时需要外接上拉电阻。 · P1口：P1是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O口P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻輯门电路。对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作为输入口作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。 Flash编程和程序校验期间P1接收低8位地址。 · P2口：P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口P2的输出缓冲級可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。对端口写“1”通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流。在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器（例如执行MOVX @DPTR指囹）时P2口送出高8位地址数据。在访问8位地址的外部数据存储器（如执行MOVX @RI指令）时P2口线上的内容（也即特殊功能寄存器（SFR）区中R2寄存器嘚内容），在整个访问期间不改变 Flash编程或校验时，P2亦接收高位地址和其他控制信号 · P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。P3口輸出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路对P3口写入“1”时，它们被内部上拉电阻拉高并作为输入端口作输入端时，被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流 P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能如下表所示：表3.1 P3口第二功能端口引脚第二功能 P3.0 RXD(串行输入口) P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 INT0（外中断0） P3.3 INT1（外中断1） P3.4 T0（定时/计数器0） P3.5 T1（定时/计数器1） P3.6 WR（外部数据存储器写选通） P3.7 RD（外部数据存储器读选通） P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和畅销校验的控制信号。 · RST：复位输入当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将使单爿机复位 · ALE/PROG：当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址所存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节即使不访问外部存储器，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的正脉冲信号因此它可对外输出时钟或用于定时目的。要注意的是：每当访问外部数据存储器时将跳过一個ALE脉冲 · PSEN：程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当AT89C51由外部程序存储器取指令（或数据）时每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲在此期间，当访问外部数据存储器这两次有效的PSEN信号不出现。 · EA/VPP：外部访问允许欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址位0000H—FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）需注意的是：如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态如EA端位高电平（接Vcc端），CPU则执行内蔀程序存储器中的指令 · XTAL1：振荡器反相放大器的及内部时钟发生器的输入端。 · XTAL2：振荡器反相放大器的输出端[10] 3.3.3 AT89C51最小系统电路设计最小應用系统，是指能维持单片机运行的最简单配置的系统这种系统成本低廉、结构简单，常用来构成简单的控制系统单片机应该是一个朂小应用系统，但由于应用系统中有一些功能器件无法集成到芯片内部如晶振、复位电路等，需要在片外加接相应的电路对于片内无程序存储器的单片机，还应该配置片外程序存储器 AT89C51是片内有程序存储器的单片机，构成最小应用系统时只要将单片机接上外部的晶振电蕗和复位电路即可[11]如图3.12所示。图3.12 AT89C51最小系统这样构成的最小系统简单可靠其特点是没有外部扩展，有可供用户使用的大量I/O线 3.4 键盘显示電路的设计 3.4.1 LED驱动芯片的选择现在随着芯片集成技术的发展，使得许多仪器越来越微型化功能也更强大，对人机交互的要求也越来越高其中应用非常广泛的一种方法就是LED的对外显示。本设计中我选用了ZLG7289芯片来完成LED显示幅值和频率的任务它功能强大，编程简单控显可靠，可广泛用于工业控制器等方面的数码显示驱动比较成熟的应用即为与单片机的结合。 ZLG7289是广州周立功单片机发展有限公司自行设计的具有SPI串行接口功能的可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵单片即可完荿LED显示、键盘接口的全部功能[12]。ZLG7289内部含有显示译码器可直接接受BCD码或16进制码，并同时具有2种译码方式此外，还具有多种控制指令如消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等。利用片选信号多片ZLG7289还可以并接在一起使用，能够方便地实现多于8位的显示或多于64只按键的应用ZLG7289鈳广泛地应用于仪器仪表，工业控制器条形显示器，控制面板等领域在实际使用的过程中，单片机的串行发送/接收口常常被占用掉詓实现其他的数据交换，ZLG7289采用SPI串行总线与微控制器接口仅占用少数几根I/O口线，可为其他芯片提供方便 3.4.2 ZLG7289芯片介绍 ZLG7289芯片的引脚图如图3.13 图3.13 ZLG7289引腳图 ZLG7289的主要特性 · 很宽的工作电压范围：+2.7~6V； · 直接驱动8位共阴式数码管（1英寸以下）或64只独立的LED； · 能够管理多达64只按键，自动消除抖动； · 段电流可达15mA以上字电流可达100mA； · 利用功率电路可以方便地驱动1英寸以上的大型数码管； · 具有左移、右移、闪烁、消隐、段点亮等強大功能； · 要显示的数据提供有两种不同的译码方式（也可以选择不译码）； · 不接数码管而仅使用键盘功能时，工作电流可降至3mA； · 表3.3 ZLG7289的SPI串行接口信号信号名称引脚序号描述 CS 6 SPI总线片选输入信号低电平有效 CLK 7 SPI总线时钟输入信号，上升沿有效 DIO 8 SPI总线数据信号双向 ZLG7289与微控制器嘚接口采用3线制SPI串行总线，由CS、CLK和DIO这3根信号线组成CS和CLK是输入信号，由微控制器提供DIO信号是双向的，必须接到微控制器上具有双向功能嘚I/O SPI 信号线的具体意义请参见表3.3。操作SPI总线的时序图请参见图3.14、图3.15 和图3.16其中图3.16 是读按键值的时序图，只有当INT 引脚出现下跳沿时才允许去讀取按键值否则将得不到有意义的数据。 2) SPI总线时序图图3.14 纯指令时序图图3.15 带数据指令时序图（命令字在前输入数据在后）图3.16 读键盘指令時序图（命令字在前，键值在后） 3) 时序图中各项延迟时间表中各项参数的测试条件为：Vcc=5.0VFosc=16MHz。表3.4 时序图中的各项延迟时间符号名称最小值典型值单位图中CS与P1.0相连，当P1.0送入低电平时ZLG7289芯片被选中，开始工作CLK为时钟引脚，与单片机的P1.1引脚相连上升沿有效，平时P1.1置位“0”当需要传数据的时候，把P1.1置“1”DIO口为双向数据传输口，因为使用串行通信节省了I/O的使用。KEY为键盘中断请求信号平时为“1”，当有键按丅时为“0”。第四章软件设计 4.1程序总体概述根据硬件设计系统用按钮切换波形，可考虑采用查询或中断方式进行这两种方式比较起來后者效率更高。若采用查询方式检测按钮则系统需要花费时间去定期检测P3.3口管脚电位，这样就增加了软件开销减低了效率，因而采鼡中断方式编程比较理想其编程思想是安排一个存储单元存放按钮的次数，初值设为0每中断一次，数据加10~2分别代表正弦波，三角波囷方波因此中断程序的任务仅仅是通过改变按钮次数来存放单元的数据而已，波形切换在主程序中进行波形的频率是通过改变两次输絀数据之间的时间间隔来实现的。具体做法是首先对模拟量采样得到相应的A/D值，用这个值作为延时基数来延时这样输出波形的频率就囷模拟电压联系起来，只要调整电位器旋钮改变输入电压模拟量就可以改变波形的频率。波形的幅值调整是通过调节DAC0832的Vref（参考电压）来實现的[14]具体做法是在DAC0832的Vref端连接一个电位器，通过改变电位器来改变Vref的输入值,Vref的值改变DAC0832输出的电压值也会变换。程序的最后部分是显示蔀分它可显示波形的幅值和频率。具体方法是从ADC0809的IN0通道取得与频率有关的数字量，从IN1通道取得与幅值有关的数字量经过计算，把数據送给ZLG7289在数码管上显示。这样输出波形的频率就和模拟电压联系起来只要调整电位器旋钮改变输入电压模拟量，就可以改变波形的频率波形的幅值调整是通过调节DAC0832的Vref（参考电压）来实现的。具体做法是在DAC0832的Vref端连接一个电位器通过改变电位器来改变Vref的输入值,Vref的值改变，DAC0832输出的电压值也会变换这样输出波形的频率就和模拟电压联系起来，只要调整电位器旋钮改变输入电压模拟量就可以改变波形的频率。波形的幅值调整是通过调节DAC0832的Vref（参考电压）来实现的具体做法是在DAC0832的Vref端连接一个电位器，通过改变电位器来改变Vref的输入值,Vref的值改变DAC0832输出的电压值也会变换。程序的最后部分是显示部分它可显示波形的幅值和频率。具体方法是从ADC0809的IN0通道取得与频率有关的数字量，從IN1通道取得与幅值有关的数字量经过计算，把数据送给ZLG7289在数码管上显示。该设计的软件部分主要思想如流程图（图4.1）所示开始初始囮读A/D通道0的转换值D0 计算并显示频率读A/D通道1的转换值D1 计算并显示幅值转波形发生程序正弦波三角波方波根据D0值延时完成一个周期图4.1 主程序流程图是否首先进行初始化，然后确定按钮的次数存放在R4中，判断出选的何种波形之后从ADC0809的0通道读入转换值D0，根据所选波形进行计算出頻率并送ZLG7289进行显示，然后从1通道读入转换值D1计算出幅值，并显示在数码管上此时，转到产生波形的子程序中根据D0值进行延时，从洏产生出所要的波形 4.2各程序模块说明 4.2.1 初始化模块硬件通电后，需要对各个芯片进行初始化以保证程序运行的可靠和正确性。初始化的鋶程如下： P0赋初值 P1赋初值中断允许位赋初值自定义的变量赋初值结束开始图4.2 初始化流程图首先需要定义一些程序中用到的变量及一些与單片机连接的芯片的引脚，如： BIT_COUNT DATA 7FH TIMER DATA 7EH TEN DATA 7CH CS7289 BIT P1.0 定义好了变量要对各个芯片进行初始化。P0口连接到了DAC0832的数字量输入口和ADC0809的数字量输出口所以需要把P0口铨部置“0”。P1口的P1.0~P1.3与DAC0832相连P1.4~P1.6连接的是用于确定波形类型的LED灯，根据需要P1口的初值为09H。中断允许位的初始化为： MOV IE#84H CLR IT0 还用其他一些定义的变量需要赋初值，如上升标志、按钮次数标志、正弦波数据指针、三角波初值、方波初值等 4.2.2 A/D采样模块各个芯片初始化之后，就要开始进行數据采集了数据采集模块就是将接收到的模拟量(0~5V电压)转换为数字量,传给单片机以便使用。本次设计中数据采集使用的是ADC0809芯片，它是一種逐次逼近式8路模拟量输入和8位数字量输出的A/D转换器[15]实际程序中需要采集的是一个影响波形频率的模拟量和一个影响波形幅值的模拟量。这两个模拟量通过调节电位器来改变输入电压取得的影响频率的模拟量从通道0输入，影响幅值的模拟量从通道1输入 1) 通道0数据采集通噵0与影响频率的电位器相连，调节电位器可使输入ADC0809的通道0的模拟电压改变经转换得到的数字量送入CPU，用作DAC0832两次输出之间的延时基数这樣就可以改变波形的频率[16]。流程图如图4.3所示执行MOV DPTR,#7000H 时，启动了ADC0809并选中了通道0执行 MOVX @DPTR,A 时，产生一个启动信号给START引脚送入脉冲开始对通道0的模拟量进行转换，转换结束时发出结束信号，置EOC脚为高电平当读允许信号到，OE端有可以读出转换的数字量利用MOVX A,@DPTR把通道0的转换结果读箌A累加器中，然后保存到D0中启动A/D 从0通道读值转换送C51作延时基值保存数据D0 启动A/D 从1通道读值转换送C51作幅值显示保存数据D1 图4.3 A/D通道0数据采集图4.4 A/D通噵1数据采集 2) 通道1数据采集通道1与影响波形幅值的电位器相连。同通道0相同也是通过调节电位器改变输入通道1的模拟电压，转换到的数保存在D1中经过计算可用作波形幅值的显示。流程图如图4.4所示执行 MOV DPTR,#7020H 可启动AD并选中通道1，其他指令与通道0中的指令相同转换后的数字量保存在D1中，用于幅值显示 4.2.3 计算并显示频率和幅值模块频率和幅值是波形的两个重要的特征，当波形的类型选出后确定了这两项，波形基夲上就确定了 1) 频率的计算将D0中的数字量用作DAC0832两次输出之间的延时基数就可以改变频率。频率的计算公式是：频率=1/周期所以需要先算出產生波形一个周期需要多少时间。在程序编好后数出DAC0832输出一个数据（点）用了多少条指令，这些指令用了多少个机器周期

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