数字式波形发生器课程设计.doc

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1、南华大学电气工程学院 电子技术课程设计任务书设计题目： 数字式波形发生器 专 业： 电子信息工程 学生姓名: 唐磊 学 号: 20084470114 起迄日期: 2011年2月18日 201年3月1日 指导教师: 李月华 教研室主任： 朱卫华 2011年3月3日电子技术课程设计任务书1课程设计的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、 设计并制作频率可调且具有高稳定度的方波发生器；2、 频率范围：0.01HZ100KHZ，频率调节分度为0.01HZ；3、 频率温度度：10-6/天；4、 具有输出频率设定与显示功能，显示位数为9位；5、 输出波形的占空比应在47%53%之间；6、

2、输出幅度为012V，分级可调，且能显示幅度，幅度与频率显示交替进行；7、 输出信号上升时间100ns，下降时间50ns；8、 输出阻抗752对课程设计成果的要求包括图表（或实物）等硬件要求：设计电路，安装调试或仿真，分析实验结果，并写出设计说明书,语言流畅简洁，文字不得少于3500字。要求图纸布局合理，符合工程要求，使用Protel软件绘出原理图（SCH）和印制电路板(PCB),器件的选择要有计算依据。3主要参考文献：1 康华光.电子技术基础数字部分（第五版）M.北京：高等教育出版社，2006.2大学生电子设计联盟 http:/4课程设计工作进度计划：序号起 迄 日 期工 作 内 容12010

3、.12.25-12.27设计电路22010.12.28-12.31 安装调试32011.1.1-1.7 分析实验结果并写出设计说明书主指导教师李月华日期： 2010 年 11 月 28 日引言波形函数发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。本函数发生器采用STC89C52单片机作为控制核心，外围采用数字/模拟转换电路（DAC0832）、运放电路（TL082）、按键和LCD显示电路等。此电路设计清晰，出现故障容易查找错误，操作简单方便。电路采用STC89C52单片机与一片DAC0832数模转换器组成低频信号发生器。通过按键控制可分别控制选择输出的幅值和频率，

4、同时用LCD1602显示器显示幅值和频率。所产生的波形幅值范围为0到12V；本系统设计简单、性能优良，具有一定的实用性。一、 方案设计1 系统设计1.1 总体设计思路根据题目要求，经过仔细考虑，充分考虑各种因素，制定整体设计方案：以STC89C52单片机为控制核心，P1口接DAC0832信号输入并书面转换，程序控制方波的产生，通过P2口接3个按键，控制幅值电压和频率，由按键选择波形的复制电压和频率输出，由TL082运放实现DAC0832 输出电流到电压的转换。在LCD1602上实时显示频率和幅值。1.2 总体框图 按键控制单片机TL082运放电路输出DAC0832转换1602显示二硬件电路本系

5、统由单片机、波形转换（D/A）电路、显示接口电路、键盘接口电路等部分组成。总的硬件电路图为：1. 功能与基本原理STC89C52外接12M晶振作为时钟频率，并采用电源复位设计。产生方波程序设计思路：根据定时器溢出的时间，将频率值换算为定时器溢出的次数，使用变量暂存定时器溢出的次数，当达到规定的次数时，将输出管脚的状态进行改变达到方波的产生。另外采用查询的方式实现案件的扫描和LCD液晶的显示，中断服务程序实现方波的产生和连续按键的计时功能。1.1 89C52单片机简介89C52的硬件结构：256字节*8bit内部RAM；2个16位定时/计数器（T0、T1），具有四种工作方式；5个中断源和2级中断

6、优先权；一个全双工的串行口，具有四种工作方式；2个时钟引脚XTAL1、XTAL2外接晶体与片内的反相放大器构成了1个震荡器，它为单片机提供了时钟控制信号；复位电路等。1.2 时钟电路本次设计采用的是内部时钟方式，即C52内部有一个用于构成震荡器的高增益反相放大器，该高增益反相放大器的输入端为芯片引脚XTAL1，输出端为引脚XTAL2。这两个引脚跨接石英晶体震荡器和微调电容，就构成一个稳定的自激震荡器，图3.2是C52内部时钟方式的震荡器电路。图3.2 C51内部时钟方式的震荡器电路电路中电容C1和C2典型值通常选择为30pF左右，晶振的振荡频率的范围通常是在1.2MHz12MHz之间，晶振的频

7、率越高，则系统的时钟频率也就越高，单片机的运行速度也就越快。1.3 复位电路89C51的复位是由外部的复位电路来实现的，复位结构如图3.3所示。图3.3 复位结构复位引脚RST通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来控制噪声，在每个机器周期的S5P2，施密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。2 键盘接口电路本设计中有三个按键，分别为总控制按键、频率转换按键、幅值转换按键。其与单片机的连接如图所示。3显示电路功能：驱动LCD1602液晶显示，扫描按钮由LCD1602液晶显示器和三个按钮组成。当第一个按键按下一次后，程序开始扫描，再由第二个按键控

8、制显示幅值，第三个按键控制显示频率。有单片机的口和口将数字信号发送到LCD1602。LCD1602是专门用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，它的外接电压也是5V扫描利用软件程序实现，其与单片机的连接如图所示。4 电源电路单片机采用5V电源，DAC基准电压为15V，运放TL082采用正负15V供电。因此都采用外接电源供电。其电路图如图。5 波形转换（D/A）电路功能：将波形样值的编码转换成模拟值，完成波形输出。由一片0832和TL082运放组成。DAC0832是具有20条引线的CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8为电流D/A转换，固不需要外加电路，输出波形为正负电压，0832是电流

9、输出型，示波器上显示的波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的额转换可以由运算放大器TL082实现。在D/A转换电路中，很重要的一个参数就是基准电压（参考电压），设计中要求的最大幅值电压为12V，系统可以选用正负15V作为运算放大器供电的电源，同时用正15V作为DAC0832的基准电压。单片机向0832 发送数字编码，产生不同的输出。利用采样定理， 8位D/A转换器对应-15V15V的电压输出，其输入数字量应为00HFFH。在-15V15V的电压范围内产生波形，方波一个周期分成两个点，一个时钟中断向89C51送一个点，经过D/A转换后输出就可以得到方波。数字编码0x7f， 0x90， 0x

10、a1， 0xb2， 0xc3， 0xd4， 0xe5分别对应D/A输出的0V，2V,4V,6V,8V,10V,12V。单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制输出的波形频率。这样输出的方波幅值和频率都得到控制。三、课设所需设备及芯片功能介绍1. 所需设备单片机最小开发系统，1602液晶屏一块，DAC0832一片，Tl082集成运放一片，PC机一台，其他器件任选。2. 芯片功能介绍8位D/A转换器DAC0832简介：DAC0832当今世界在以电子信是8位分辨率的D/A转换集成芯片，与微处理器完全兼容，这个系列的芯片 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了广泛的应用

11、。这类D/A转换器由8位输入锁存器，8位DAC寄存器，8位DA转换电路及转换控制电路构成。1、DAC0832的引脚及功能：DAC0832芯片是一种具有两个输入数据寄存器的8位DAC，它能直接与MCS51单片机接口，其主要特性参数如下：分辨率为8位；电流稳定时间1us;可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；只需在满量程和下调整其线性度；单一电源供电（5V15V）；低功耗，200mW。为便于DAC0832的使用，特将其应用特性总结如下：DAC0832是微处理器兼容型D/A转换器，可以充分利用微处理器的控制能力实现对D/A转换的控制。这种芯片有许多控制引脚，可以和微处理器控制线相连，接受微处理器的控制，如

12、ILE、/CS、/WR1、/WR2、/XFER端。有两级锁存控制功能，能够实现多通道D/A的同步转换输出。DAC0832内部无参考电压源；须外接参考电压源。DAC0832为电流输入型D/A转换器，要获得模拟电压输出时，需要外加转换电路。DAC0832的引脚图及逻辑结构如下图： 图1 DAC0832结构框图及引脚排列DAC0832各引脚的功能如下：DI0DI7： 数据输入线。ILE ： 数据允许锁存信号，高电平有效；/CS： 输入寄存器选择信号，低电平有效。/WR1为输入寄存器的写选通信号。输入寄存器的锁存信号/LE1由ILE 、/CS、/WR1的逻辑组合产生。当ILE 为高电平、/CS为低电平

13、、/WR1输入负脉冲时，在/LE1产生正脉冲；/LE1为高电平，输入锁存器的状态随数据输入线的状态变化，/LE1的负跳变将数据线上的信息锁入输入寄存器。/XFER: 数据传送信号，低电平有效。/WR2为DAC寄存器的写选通信号。DAC寄存器的锁存信号/LE2,由/XEFR、/WR2的逻辑组合产生。当/XFER为低电平，/WR2输入负脉冲，则在/LE2产生正脉冲；/LE2为高电平是时，DAC寄存器的输出和输入寄存器的状态一致，/LE2负跳变，输入寄存器的内容打入DAC寄存器。VREF ： 基准电源输入引脚 。Rfb ： 反馈信号输入引脚，反馈电阻在芯片内部。IOUT1、IOUT2 ： 电流输出引

14、脚。电流IOUT1、IOUT2 的和为常数，IOUT1、IOUT2 随DAC寄存器的内容线性变化。VCC： 电源输入引脚。AGND： 模拟信号地DGND： 数字地。2、DAC0832三种数据输入方式： （1）双缓冲方式：即数据经过双重缓冲后再送入DA转换电路，执行两次写操作才能完成一次DA转换。这种方式可在DA转换的同时，进行下一个数据的输入，可提高转换速率。更为重要的是，这种方式特别适用于要求同时输出多个模拟量的场合。此时，要用多片DAC0832组成模拟输出系统，每片对应一个模拟量。 （2）单缓冲方式：不需要多个模拟量同时输出时，可采用此种方式。此时两个寄存器之一处于直通状态，输入数据只经过

15、一级缓冲送入DA转换电路。这种方式只需执行一次写操作，即可完成DA转换。 （3）直通方式：此时两个寄存器均处于直通状态，因此要将、和端都接数字地，ILE接高电平，使LE1、LE2均为高电平，致使两个锁存寄存器同时处于放行直通状态，数据直接送入DA转换电路进行DA转换。这种方式可用于一些不采用微机的控制系统中或其他不须0832缓冲数据的情况。四.程序编写#include#include#includeLCD_1602_H.h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define DAdata P1uchar code a67=100

16、0.00, /频率显示 0100.00, 0010.00,0001.00,0000.10,0000.05 ;uchar code Squaretab72= /输出的幅度数组0x7f,0x7f, /0V 0x90,0x6e, /正负2V0xa1,0x5d, /正负4V0xb2,0x4c, /正负6V0xc3,0x3b, /正负8V0xd4,0x2a, /正负10V0xe5,0x19;/正负12Vuchar code disp1=Voltage: 000V ;uchar code disp2=Frq:0000000.00Hz;uint i,num,k,freq=0;uchar count,s;uc

17、har keytemp=0,keytemp2=0;sbit DA=P23;sbit WR1=P24;sbit key1=P25;sbit key2=P26;sbit key3=P27;void delay(uint z)uint i,j;for(i=z;i0;i-)for(j=110;j0;j-);void T0_time()interrupt 1TH0=(65536-1000)/256; /定时器装初值 精确到1mSTL0=(65536-1000)%256;num+; void key1_ctr_frq() /调频控制按键if(key1=0) TR0=0;_nop_();if(key1=0)

18、keytemp+;while(!key1)TR0=1; if(keytemp=1) /通过按键按下的次数控制频率freq=1; /选择频率1KHz /whileif(keytemp=2)/选择频率100Hzfreq=10;if(keytemp=3)/选择频率10Hzfreq=100;if(keytemp=4) /选择频率1HZfreq=1000;if(keytemp=5) /选择频率0.1Hzfreq=10000;if(keytemp=6) /选择频率0.05HZfreq=20000;if(keytemp=6)keytemp=1;write_1602_com(0xc0+7);for(k=0;k

19、=7)keytemp2=0;void key3_ctr() /总控制按键if(key3=0) /功能按键TR0=0;_nop_();/精确延时1uSif(key3=0)delay(2);while(!key3)s+;/if(s=2)DA=1;if(s=2)s=1;void init()TMOD=0X01; /设定定时器0为工作方式1TH0=(65536-1000)/256; /进行1ms的精确定时 TL0=(65536-1000)%256; /定时器装初值EA=1; /开总中断ET0=1; /开定时器0中断TR0=1;init_1602();void main()DAdata=0x00;DA=

20、0; WR1=0;init();display_1602(0x80, disp1);_nop_();display_1602(0x80+0x40,disp2);_nop_();while(1)key3_ctr();/if(count=2)count=0;if(s=1) /总控制按键key1_ctr_frq();key2_ctr_vol();_nop_(); if(num=freq) /选频num=0;count+;if(count=2)count=0;switch(keytemp2)case 0:DAdata=Squaretab0count;break;case 1:DAdata=Square

21、tab1count;break;case 2:DAdata=Squaretab2count;break;case 3:DAdata=Squaretab3count;break;case 4:DAdata=Squaretab4count;break;case 5:DAdata=Squaretab5count;break;case 6:DAdata=Squaretab6count;break; / end SWITCH/end if/ end if / end while /end main液晶1602的初始化程序#ifndef LCD_1602_H#define LCD_1602_H#defin

22、e uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar com_1602,date_1602;sbit lcd_1602_rs=P20;sbit lcd_1602_rw=P21;sbit lcd_1602_en=P22;sbit lcd_busy=P07;void delay_1602(uint x) /延时子函数uint i,j;for(i=x;i0;i-)for(j=110;j0;j-);void write_1602_com(uchar com_1602)lcd_busy=0;lcd_1602_rs=0; /选择写命令模式P0=com_16

23、02;delay_1602(5); /稍做延时以待数据稳定lcd_1602_en=1; /使能端给一高脉冲，因为初始化函数中已经将lcden置为0delay_1602(5); /稍做延时lcd_1602_en=0; /将使能端置0 ，以完成高脉冲void write_1602_data(uchar date_1602)lcd_busy=0;lcd_1602_rs=1;P0=date_1602;delay_1602(5);lcd_1602_en=1;delay_1602(5);lcd_1602_en=0;void display_1602(uchar addr,uchar *temp)uchar

24、 i;write_1602_com(addr);delay_1602(5);for(i=0;i16;i+)write_1602_data(tempi);delay_1602(5) ;void init_1602(void)lcd_1602_rs=0;/清除读操作lcd_1602_rw=0; /初始化写操作lcd_1602_en=1;delay_1602(10);write_1602_com(0x01);delay_1602(10);write_1602_com(0x02);/光标归位,此处不设置可能出现错误write_1602_com(0x38); /设置16X2显示，5X7点阵，8位数据接口

25、write_1602_com(0x0c); /设置开显示，且显示光标并闪烁write_1602_com(0x06); /写一字符后光标自动加一五、系统调试与测试结果1. 硬件调试整个硬件调试过程基本顺利，由于采用了分单元模块制作，各单元电路工作稳定，给调试工作带来很大的方便。1.1 放大模块部分在实物模拟时，出现发送信号不稳定、跳变的问题。经过仔细检查电路线路路径和连线问题，最终发现PCB板子上某些连线存在断路的问题，于是用焊锡焊好，从而得以解决。1.2 调试过程中，由于某些元器件参数的问题，在频率要求上没有达到预期效果，频率最低未能达到0.01H，最高也不能达到100KHZ。各单元调试通过以

26、后，进行整机调试，调试结果显示，整个系统能够正常工作。2. 软件调试由于对51系列单片机编程不是很熟悉，在软件的仿真调试过程中请同学帮了忙，在同学的帮助和指导下，调试也顺利完成。3. 调试结果3.1 液晶显示结果图3.2 方波波形图3.3三角波波形3.4正弦波波形3.5 实验结果与实际要求对比3.5.1 经液晶显示可得频率范围为0.05Hz1KHz,频率调节分度为0.01HZ，最大频率和最小频率都没有达到老师的要求，经分析原因是元器件参数的选择原因，焊接电路板时由于找不到7.5K的电阻，就用了8K的电阻代替了。所以最大频率和最小频率都没有达到老师的要求。3.5.2 具有输出频率设定与显示功能，

27、显示位数为9位；输出波形的占空比应在47%53%之间；输出幅度为012V，分级可调，且能显示幅度，幅度与频率显示交替进行；这三点要求均基本达到。3.3.3 由示波器观察到的方波图形可得的方波稳定准确度高，失真少，只是有一些杂波干扰。3.5.4 频率温度度：10-6/天；输出信号上升时间100ns，下降时间50ns；输出阻抗75。这三个要求由于验证不方便，所以没有检测。3.6 设计和调试遇到的主要问题3.6.1 设计时的主要问题是软件方案上，涉及到51单片机编程，由于没有学单片机，对单片机不熟悉，所以编程时很迷茫，这一大模块是在同学的帮助下得以顺利完成的。3.6.2 第一次观察波形时，达到的波形

28、很不稳定，而且不像方波，仔细检查线路才发现PCB板上某些地方由于洗板子时不小心断路了，用焊锡焊接好后，得到了精确度比较高的方波。六、实验心得两周的专业综合设计结束了，本次课程设计题目是数字式波形发生器的设计，虽然设计的时间不是很长，但在这短短的两周时间里确实使我学到了很多东西，在李老师的细心教导和同学的帮助下，我初步学会了使用单片机进行编程，也知道了一个单片机的工作过程，与此同时，还在对一些硬件的使用上，电路板的设计上有了很大的进步，对今后的学习有很大的帮助。 设计刚开始时，我通过老师和同学给的教学讲义，学习了本次使用单片机系统的基本工作原理，了解它的强大功能，用了两天的时间学习初步了解了用C

29、语言对单片机进行编程以及进一步复习了数模转换的工作原理，在老师的指导和同学的指点下，很顺利的完成了这个步骤。 其次，我们要进行的就是编写其它部分的程序，主要是按照设计的任务书来做，根据自己设计的实验步骤，一点点去实现各部分的功能。在这个过程中，学到了很多我已前没有用到过的新知识，真正的了解了一个单片机的基本工作原理，在了解了之后，设计程序才得心应手，在这个过程当中，遇到了很多问题，经过老师的耐心教导，最终把程序都给实现了。 在此次综合设计的整个过程中，学习了使用Protel DXP软件绘制原理图和进行了单片机编程，同时还学习了单片机的一系列内容，包括：复位电路、时钟电路、数码管与单片机的接口、

30、汇编指令系统。对于一些器件的工作原理也有了进一步的了解，如：LED显示器等。而且软件程序和硬件电路的结合，更加深刻体会了单片机系统的妙处。在本次设计中，让我学到了很多的知识也懂得了很多的道理，不管做什么工作前期准备工作是必不可少的，也要发挥自己的想象力。 两周的短暂设计时间不能使我们了解更多的硬件知识，不能使我们得到太多的经验，但它却让我知道在学习中要刻苦，在工作中要认真。虽然在硬件的很多知识上知道的还很少，并且编写的程序实在是有一点点的乱，但是有了这次经验，下次在编写程序的过程中一定会注意这些问题。通过这次综合设计，锻炼了我的动手实践能力，加强了我对单片机各个功能的了解，深刻地理解了keil

31、编译器的优越性，也提高了单片机的编程能力，为今后从事电子线路设计，从事单片机开发等硬件领域的工作打下一定的基础。最后，对我的指导老师李老师表示最衷心的感谢，谢谢她在做课程设计前给了我们一次实验的机会，才使这次课程设计完成得更加顺利成功过，同时，对给予我的帮助的同学和朋友表示感谢。七、参考文献1 程全.基于AT89C52实现的多种波形发生器的设计J.周口师范学院学报，2005.22(5)：5758.2 周明德.微型计算机系统原理及应用M.北京：清华大学出版社，2002.341364.3 刘乐善.微型计算机接口技术及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2001.258264.4 童诗白.模拟电路

32、技术基础M.北京：高等教育出版社，2000.171202.5 杜华.任意波形发生器及应用J.国外电子测量技术，2005.1：3840.6 张友德.单片微型机原理、应用与实践M.上海：复旦大学出版社，2004.4044. 7 程朗.基于8051单片机的双通道波形发生器的设计与实现J.计算机工程与应用，2004.8：100103.8 张永瑞.电子测量技术基础M.西安：西安电子科技大学出版社，2006.61101.9 李叶紫. MCS-51单片机应用教程M.北京：清华大学出版社，2004.232238.八、附录附录一：课程设计原理图附录二：课程设计PCB图附录三：元件清单1 1K电阻6个2 22uF电解电容4个3 104瓷片电容3个4 33pF2个5 0.1uF1个6 15K电阻2个7 7.5K电阻1个 8 12Mhz 晶振1个9 轻触开关3个10 89C52单片机芯片一片11 DAC0832数模转换芯片1片12 TL082运放芯片1片13 发光二极管 2个 14 上拉电阻1个15 1602液晶显示1个16 双面板一块17 排针若干