多种波形电子设计Word文档格式.docx
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3、原理框图
4、设计方案的比较
依据应用场合.需要实现的波形种类,波形发生器的具体指标要求会有所不同。
依据不同的设计要求选取不同的设计方案。
通常,波形发生器需要实现的波形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。
有些场合可能还需要任意波形的产生。
各种波形共有的指标有:
波形的频率、幅度要求,频率稳定度,准确度等。
对于不同波形,具体的指标要求也会有所差异,例如,占空比是脉冲波形特有的指标。
波形发生器的设计方案多种多样,大致可以分为三大类:
纯硬件设计法、纯软件设计法和软硬件结合设计法。
4.1纯硬件设计法
波形发生器设计的纯硬件法早期,波形发生器的设计主要是采用运算放大器加分立元件来实现。
实现的波形比较单一,主要为正弦波、方波和三角波。
工作原理:
首先是产生正弦波,然后通过波形变换实现方波和三角波。
在各种波形后加上一级放大电路,可以使输出波形的幅度达到要求,通过开关电路实现不同输出波形的切换,改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变。
通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和准确度。
纯硬件法中,正弦波的设计是基础,实现方法也比较多,电路形式一般有LC、RC和石英晶体振荡器三类。
LC振荡器适宜于产生几Hz至几百MHz的高频信号;
石英晶体振荡器能产生几百kHz至几十MHz的高频信号且稳定度高;
对于频率低于几MHz,特别是在几百Hz时,常采用RC振荡电路。
RC振荡电路又分为文氏桥振荡电路、双T网络式和移相式振荡电路等类型。
其中,以文氏桥振荡电路最为常用。
目前,实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号发生器。
它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里,外加少量的电阻、电容元件来实现。
采用这种方法的突出优势是电路简单,实现方便,精度高,性能优越;
缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。
实际中应用较多的单片函数信号发生器有MAX038(最高频率可达40MHz)和ICL8038(最高频率为300kHz)。
4.2纯软件设计法
波形发生器的设计还可以采用纯软件的方法来实现。
虚拟仪器使传统仪器发生了革命性的变化,是21世纪测试仪器领域技术发展的重要方向。
它以计算机为基础,软件为核心,没有传统仪器那样具体的物理结构。
在计算机上实现仪器的虚拟面板,通过软件设计实现和改变仪器的功能。
采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、高效,仅改变软件程序就可以轻松实现波形功能的改变或升级。
从长远角度来看,纯软件法成本较低。
软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法。
4.3软硬件结合设计法
(1)软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设计的优势:
既具有纯硬件设计的快速、高性能,同时又具有软件控制的灵活性、智能性。
如以单片机和单片集成函数发生器为核心,辅以键盘控制、液晶显示等电路,设计出智能型函数波形发生器,采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、性能更优的波形发生器,同时还可以扩展波形发生器的功能,比如通过软件编程控制实现波形的存储、运算、打印等功能,采用USB接口设计。
使波形发生器具有远程通信功能等。
目前,实验、科研和工业生产中使用的信号源大多采用此方法来实现。
(2)纯硬件设计法功能较单一,波形改变困难、控制的灵活性不够,不具备智能性。
纯软件设计法实现简单,程序改变及功能升级灵活,但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。
纯软件法主要适用于对波形精度、响应速度要求不是很高的场合。
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、控制智能化的新一代的波形发生器,可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。
综合以上几种设计方案,本设计采用软硬件结合的方案的方法进行设计。
其方案能够产生很好的波形,也易实现。
5、硬件电路设计
5.1
软硬件结合设计框图
5.2主要芯片介绍
5.2.1单片机AT89C52
AT89C52是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes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位中央处理器和Flash存储单元,AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。
AT89C52为8位通用微处理器,采用工业标准的C51内核,在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52相同,其主要用于会聚调整时的功能控制。
功能包括对会聚主IC内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化,会聚调整控制,会聚测试图控制,红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。
图2为AD89C52单片机的管脚图
其各管脚功能为:
P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O口,也即地址/数据总线复用口。
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P0写“1”时,可作为高阻抗输入端用。
在访问外部数据存储器或程序存储器时,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,校验时,要求外接上拉电阻。
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(IIL)。
与AT89C51不同之处是,P1.0和P1.1还可分别作为定时/计数器2的外部计数输入(P1.0/T2)和输入。
P2口:
P2是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口P2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(IIL)。
在访问外部程序存储器或16位地址的外部数据存储器时,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口输出P2锁存器的内容。
Flash编程或校验时,P2亦接收高位地址和一些控制信号。
P3口:
P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口。
P3口输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流个TTL逻辑)4门电路。
对P3口写入“1”时,它们被内部上拉电阻拉高并可作为输入端口。
此时,被外部拉低的P3口将用上拉电阻输出电流(IIL)。
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。
P3口还接收一些用于Flash闪速存储器编程和程序校验的控制信号。
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片机复位。
ALE/PROG:
当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存允许)输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下,ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号,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个ALE脉冲。
对Flash存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。
如有必要,可通过对特殊功能寄存器(SFR)区中的8EH单元的D0位置位,可禁止ALE操作。
该位置位后,只有一条MOVX和MOV指令才能将ALE激活。
此外,该引脚会被微弱拉高,单片机执行外部程序时,应设置ALE
禁止位无效。
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AT89C52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,将跳过两次PSEN信号。
EA/VPP:
外部访问允许。
欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为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端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器中的指令。
Flash存储器编程时,该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp,当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
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。
5.2.2DAC0832数模转换器
DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
与微处理器完全兼容。
这个DA芯片以其价格低廉、接口简单、转换控制容易等优点,在单片机应用系统中得到广泛的应用。
D/A转换器由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。
图3为其芯片管脚图。
各个管脚功能如下:
D0~D7:
8位数据输入线,TTL电平,有效时间应大于90ns(否则锁存器的数据会出错)
ILE:
数据锁存允许控制信号输入线,高电平有效;
CS:
片选信号输入线(选通数据锁存器),低电平有效;
WR1:
数据锁存器写选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。
由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1,当LE1为高电平时,数据锁存器状态随输入数据线变换,LE1的负跳变时将输入数据锁存;
XFER:
数据传输控制信号输入线,低电平有效,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效;
WR2:
DAC寄存器选通输入线,负脉冲(脉宽应大于500ns)有效。
由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2,当LE2为高电平时,DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化,LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。
IOUT1:
电流输出端1,其值随DAC寄存器的内容线性变化;
IOUT2:
电流输出端2,其值与IOUT1值之和为一常数;
Rfb:
反馈信号输入线,改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度;
Vcc:
电源输入端,Vcc的范围为+5V~+15V;
VREF:
基准电压输入线,VREF的范围为-10V~+10V;
AGND:
模拟信号地
DGND:
数字信号地
5.2.3其他器件
本次设计中,不仅仅用到了AT89C52单片机和DAC0832数模转换芯片,还用到了74HC138译码器和74HC573锁存器。
74HC138作用于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统,在高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。
74HC573数据锁存器。
主要用于数码管、按键等的控制。
硬件连接图2.2.1主控电路中断系统是使处理器具有对外界异步事件的处理能力而设置的。
当中央处理器CPU正在处理某件事的时候外界发生了紧急事件,要求CPU暂停当前的工作转而去处理这个紧急事件。
在波形发生器中,只用到片内定时器/计数器溢出时产生的中断请求,即是在AT89C52输出一个波形采样点信号后,接着启动定时器,在定时器未产生中断之前,AT89C52等待,直到定时器计时结束,产生中断请求,AT89C52响应中断,接着输出下一个采样点信号,如此循环产生所需要的信号波形。
如图所示2.1,AT89C52所在电路中的工作情况。
本此课设中,AT89C52单片机的P1口接独立式按键电路,P2口部分接译码器,P0口接锁存器。
主控电路图如图6
所示独立式键盘独立式键盘中,各按键相互独立,每个按键各接一根输入线,每根输入线上的按键工作状态不会影响其它输入线上的工作状态。
因此,通过检测输入线的电平状态就可以很容易的判断按键是否被按下了。
独立式键盘电路配置灵活,软件结构简单。
但每个按键需占用一根输入线,在按键数量较多时,输入口浪费大,电路结构显得很繁杂,故此种键盘适用于按键较少或操作速度较高的场合。
如图7所示。
数模转换电路DAC0832是8分辨率的D/A转换集成芯片。
由于AT89C51所产生的是数字信号,所以通过DAC0832把数字信号转换成模拟信号。
DAC0832输出的模拟量是电流,为了转换成电压,所以在它后面接入一个运放器。
如图8。
驱动电路74HC138作用原理于高性能的存贮译码或要求传输延迟时间短的数据传输系统,在高性能存贮器系统中,用这种译码器可以提高译码系统的效率。
74HC573数据锁存器。
主要用于数码管、按键等等的控制。
如图9所示,74HC138加74HC573的工作电路
3程序设计3.1主流程图的设计主程序的流程图如图12所示,开始时判断是否调频,然后判断是否调用锯齿波程序,然后判断是否调用三角波程序,然后判断是否调用梯形波程序,然后判断是否调用正弦波程序,最后在循环回到判断是否调频。
3.2子程序的设计3.2.1锯齿波的产生锯齿波的实现过程是首先定义一个初值然后进行加法操作,加的步数的多少则根据要求的频率来进行。
然后加到某个数之后就再重新设置为初值,再重复执行刚刚的操作,如此循环下去。
子程序如下:
ST:
MOVA,#00H设置初值LOOP:
MOVX@DPTR,A;
把数据送到端口转换ADDA,R6;
通过步长改变数据,上升波形CJNEA,#00H,LOOP;
A值是否到最高点DJNZR5,LOOPSJMPLOP3.2.2三角波的产生三角波的实现是设置一个初值,当加到某个值的时候,执行减一操作,减到
4应用软件
4.2KeilC51KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机
C语言软件开发系统,与汇编相比,
C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
Keil提供了包括
C编译器、宏汇编、连接器、库管理
和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。
运行Keil软件需要WIN98、NT、
WIN2000、WINXP
等操作系统。
KeilC51软件提供丰富的库函数
和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
另外重要的一点,只要看一下编译后生成的汇编代码,就能体会到KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。
C51工具包的整体结构,uVision与Ishell分别是C51forWindows和forDos的集成开发环境
(IDE),可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。
开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。
然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。
目标文件可由LIB51创建生成库文件,也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。
ABS
文件由OH51转换成标准的Hex文件,以供调试器dScope51或
tScope51使用进行源代码级调试,也可由仿真器使用直接对目标板进行调试,也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。
Keil具有具有很多优点:
(1)KeilC51生成的目标代码效率非常之高,多数语句生成的汇编代码很紧凑,容易理解。
(2)与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。
用过汇编语言后再使用C来开发,体会更加深刻。
KeilC51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具,全Windows界面。
5调试与仿真结果
本次的设计主要应用了protues和keilC51软件进行系统设计和仿真,经过仿真后,结果较好,示波器可以正确的输出锯齿波、三角波、梯形波、正弦波。
没有按键按下时,波形图如图13所示
当按下K1按键时,产生锯齿波,如图14所示
当按下K2按键时,产生三角波,15
如图所示
当按下按键K3时,产生梯形波,如图16所示
当按下K4按键时,产生正弦波,如图17
所示
按下K5按键的时候采样频率会发生变化。
6总结经过本次课程设计我学到了很多,基本完成了任务要求,完成了多种波形发生器的设计。
能过产生锯齿波、三角波、梯形波和正弦波四种波形,并能够搭建电路。
并且能够应用Protues和Keil软件对其进行调试和仿真,最总能够显示出输出波形。
本次课程设计,我学到了很多,能够理解波形发生的函数以及硬件电路的搭建,更深一步的了解了51系列单片机以及DAC0832数模转换芯片。
还学会了应用Protues软件进行电路原理图的绘制以及应用Keil软件对程序进行调试和仿真。
本次课设还有改进的地方,可以应用数码管显示出选择的波形的代号以及此时的频率。
我会在接下来的时间里努力的完善自己的设计,争取做到更好
14参考文献[1]康华光编著《电子技术技术模拟部分》高等教育出版社2006.8[2]鲁宝春主编《电子技术基础实验》东北大学出版社,2011.8[3]《模拟电子技术基础》(第三版)高教出版社,2001[4]张庆双编,《实用电子电路200例》,机械工业出版社,2004.6。
[5]谢自美主编,《电路设计·
实验·
测试》,华中科技大出版社,2000.5。
[6]叶淬主编,《电工电子技术实验教程》,化学工业出版社,2003.1。
[7]韩广兴编,《电子元器件与实用电路基础》,电子工业出版社,2005.1
本科生课程设计(论文)
15附录I总体电路图
16附录II元器件清单元器件清单
序号名称参数数量1固定电阻20KΩ12固定电阻5.1KΩ13固定电阻6.8KΩ24固定电阻100KΩ15固定电阻10KΩ16固定电阻100Ω17固定电阻30Ω18固定电阻2KΩ19固定电阻8KΩ110电位器47Ω211集成功放μA741312电位器100Ω2
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