基于51单片机的多功能函数信号发生器的设计

基于51单片机的多功能函数信号发生器的设计内容摘要：

较出， 方案一 利用传统方 法输出的函数信号频率不稳定，而 方案 二使用锁相环式的频率合成器 的电路 构造又比较 复杂， 频率的范围也难以有所突破。 所以 在进行比较之后，我决定 采用 第三种方案 的 思路。 第三种方案， 用编程的方法 可以很方便 地通过调节硬件从而调节输出波形的参数，并且方案三中所用到的一些元件的价格相对都比较低，所以比较适合用来完成毕业设计。 框图设计 基于 单片机的函数信号发生器有以下几部分组成； AT89C51 主控电路，外接按键电路，复位电路，电源电路和信号输出电路，框图如下图 21 所示： 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 6 页 图 21 函数信号发生器系统 构成 图 函数信号发生器的主控部分 就是 AT89C51 单片机 ，通过 编程软件 对程序 进行编写 ， 烧录到 AT89C51 里面后就 可以产生不同 数字 波形 信号 ，也 可以通过单片机外接按键 对 输出 波形的频率 和 幅度 进行调节和改变。 而单片机通过编程输出的波形是数字信号，当经过与单片机连接的数模转换模块 DAC0832 后，数字信号就可以被转换成模拟信号。 而输出波形的幅度则可以通过两级放大进行调节。 图 21中的 输出电路包含了D/A 转换电路和运放调整电路。 图 22为 此次设计 函数信号发生器的原理图 ： [6] 图 22 信号发生器原理框图 单片机模块 AT89C51 单片机 片内有 一个 4KB的 ROM/EPROM， 因此只需要在外部接入晶振电路和复位电路 . 按键电路 . AT89C51 主控电路 . 输出电路 . 电源电路 . 89C51 单片机 . 接口 电路 . D/A 转 换 . 滤波放大 . 输出波形 . 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 7 页 复位电路就可以构成单片机最小系统了 ， 所以单片机最小系统主要由电源、复位电路、振荡电路以及扩展部分组成 [1]。 最小单片机系统 如图 23所示。 . 12XTAL30pFC130pFC210uFC310KR112345678RST91011121314151617XTAL218XTAL119VSS202122232425262728PSEN29ALE30EA/VPP313233343536373839VCC40U1P80C32UBPNU3SN74LS138NGNDGNDVCCS1S1S2S3S4 图 23 单片机最小系统 . 该最小系统的特点如下 ： （ 1） 由于没有扩展存储器和外设， P0、 P P P3 都可以作为用户 I/O 接口使用。 （ 2） 片内数据存储器 大小 128B，空间地址为 00H— 7FH,片 外没数据存储器。 （ 3）片内有 4KB 的程序存储器，地址为 0000H— 0FFFH，没有偏外存储器， EA .应接高电平。 （ 4） 有 两个定时 /计数器 T0 和 T1 可以使用 ，一个全双工串行通信接口， 5 个中断源。 [6] 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 8 页 电源供给模块： 对于 任何一个电子设备来讲 ， 电源是整个设备正常运行的根本 ， 所以供电系统是单片机系统运行的前提，所以单片机系统平稳运行的前提就是有一个稳定的电源系统。 我们在实验中发现，虽然 51 单片机作为经典的一种单片机芯片，但是提供的电源供电模块不够稳定，那么 51 单 片机的运行就可能会受到影响，比如在运行中如果受到了外界的干扰，则 51 单片机很有可能会出现程序跑飞的现象。 所以为了保证单片机能正常平稳地运行，就要给它提供一个稳定的电源。 可 以 使用外部稳定的 5V 电源供电模块供给 ，比如说可以用手机充电器（ 5V）给最小系统供电。 晶振电路工作原理及应用 ： 单片机系统里都含有晶振，单片机系统里的晶振作用很大，晶振的全称是晶体振荡器，晶体振荡器可以根据内部的特殊电路产生一定的时钟频率，就可以提供给单片机使用，理论上来讲就是晶振产生的频率信号就是单片机的时钟信号。 晶振产生的平率代表着 运行速度，因为单片机的一切指令都是基于晶振产生的频率上的，所以频率越大，单片机的运行速度就越快。 晶振能够把电能转化为机械能，并且能在转化过程中的共振状态下工作，一般情况下，普通晶振的频率精度可以达到 50%，而且有些晶振可以通过外部电压的变化，调整内部产生的频率大小，这种晶振成为压控振荡器（ VCO）。 晶振的精确度也关系着单片机的精确度。 比如说用单片机设计秒表和时钟系统，单片机就对频率的精确度要求很高。 所以在某些特定情况下，单片机就需要一个很精确的晶振频率。 通常情况下，一个单片机系统会共用一个晶振，所以各部 就会在同一个频率下运行，这样会保证各系统之间运行同步。 而在某些特殊情况下，某些通讯设备和射频模块会使用两个晶振，这样是为了使用方便，但是为了保证各部分能够同步运行，人们会采取电子调整晶振频率的方法使得两个晶振产生的频率相同，从而保证不同晶振系统能同步运行。 而有些特殊的系统中各个子系统需要的频率不同，可以使用两个晶振为其提供时钟频率，也可以通过一个晶振搭配不同的锁相环来提供不同的时钟频率。 所以通常情况下，晶振会搭配锁相环为单片机系统提供时钟频率。 此次设计使用的 AT89C51 只需要外接晶振和两个电容就可以构成 单片机最小系统，晶振了两端的电容一般大小为 15pF50pF，我们查阅资料后采用 22pF 的瓷片电 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 9 页 容搭配 12MHz 的晶振来为单片机提供时钟信号。 因为 51 单片机内部在 18和 19两个管脚之间设有内部振荡电路，由一个反相放大器构成，而 18和 19两脚及时反相放大器的两个输入端。 这样的时钟方式成为内部时钟，本次设计采用的就是这种方式。 具体电路如图 24所示： 单片机复位电路工作原理及应用 ： 单片机在运行过程中会因为程序问题或者操作失误而发生死机现象，这时就要用到单片机的复位系统，按下复位键就能把单片机的运行状态初始化，恢复到刚开机状态。 所以单片机的复位就是为了把系统恢复到某个确定的状态。 而由于单片机的内部寄存器一般在出厂时都有一个预设的初始值，所以单片机在开机时或者复位后，内部寄存器就会自动装入这些初始值来达到初始化的目的。 从原理上来讲，实现单片机上电自动复位，就是要保证复位管脚 RST的复位电平时间大于两个机器周期，所以根据这个要求，晶振的时钟频率为 12MHz，我们可以用RC 电路的计算方法来计算出具体的参数值。 而按键复位则为手动触发电容放电，然后在充电，就达到 了开机上电的效果。 下面则详细叙述复位电路的两个组成部分上电复位和按键复位 ： (1)上电复位： AT89C51 单片机的上电复位有效电平是高电平 ， 通常我们会在 RST复位管脚上连接一个电容，然后接到高电平 ， 再连接一个电阻接到低电平，这样就会形成一个 RC 充放电回路。 当上电时，电容充电， RST 管脚为高电平，单片机进行复位；充电完成后， RST 与电阻连接到 GND，单片机正常运行。 所以只要保证电容充电XTAL1 XTAL2 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 10 页 时间能持续两个机器周期以上就能让单片机完成上电复位。 这个电阻和电容的典型值是 10K 和 10uF。 (2)按键复位： 从原理上来讲，按键复 位就是手动触发上电复位，而不是市使用关掉电源再打开。 按键复位就是在电容两端并联一个开关，当开关按下时，电容两端短路，电容放电，同时 RST也接通到了 VCC； 松开按键时，电容有个充电过程，此过程上电复位过程一样， RST有足够的时间来完成单片机复位。 上面已经讲过，复位就是使单片机恢复到初始化状态，即内部寄存器都转入厂家预设的初始值 ，从这个 初始化 状态开始 运行 [1]。 当单片机系统上电后， RST 会接收到一个连续且持续两个周期以上的高电平，这就是单片机复位的条件。 上电复位和按键复位的具体电路 如图 25所示 ： 图 25 按钮复位电路 按键控制 及 显示电路设计 本次设计 的按键电路 共 包含 3个按键，分别为 按键 S S2 和 S3。 这三个按键 分别 连 接单片机的 、 脚。 S1 用来 改变单片机输出波形函数 的类别， 按下 S1 一次，表示对输出波形进行一 次切换 ； S2 和 S3 则是用来改变频率的，当按下 S2 时，输出波形的频率会按照一个特定的单位量进行增加，比如说单位量是50，初始值为 100Hz，则按下 S2一次，频率变为 150Hz，同样 S3的作用为对频率进行减小操作。 通过与门 74LS21 可以对 各按键信号进行与操作，然后将信号传到 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 11 页 脚，用来测定是否有按键按下。 具体电路 如图 26所示。 图 26按键电路 D/A 转换电路 D/A转换 模块就是把数字量转换为模拟量。 此模块常 用于信号发生器 等一些需要数模转换 的设计。 我们都知道， D/A 模块的输入量和输出量 成正比，即 Uo=n*Ui，其中 Uo 为输出模拟量 ， Ui 为输入的数字量， n为倍数。 所以我们可以控制 AT89C51 单片机向 D/A 模块发送一定规律的数字量（波形采样得到），然后经过 D/A模块转换后就可以输出有波形规律的模拟量 [1]。 D/A 转换的必要性 此次设计中要产生的波形是模拟量，可以在示波器上显示出来，但我们都知道，单片机作为函数信号发生器的主控，它所产生并输出的量是并非是模拟量，而是不连续的数字量，相当于对波形进行采样的结果。 而 D/A 转换模块的用途就是把数字量转换成模拟量。 所以我们可以用数模 转换 模块岁单片机输出的数字量进行 D/A 转换，转换后的模拟量就可以在示波器上显示出来，从而达到我们的要求。 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 12 页 DAC0832 的特性及应用 要完成我们这次的设计任务，就要用 D/A 转换模块把单片机输出的数字量转换为模拟量。 说到数模转换模块，首先我们能想到的就是 DAC0832 芯片，作为一个 8位输入的数模转换芯片，其价格便宜易于购买，且芯片资料较多，可以很容易地查阅到DAC0832 的相关资料。 DAC0832 是一个 输入为 8位的数模 转换器， 且 DAC0832 的 8位输入端 接口可以很容易地与单片机的 P口进行连接 ， 所以控制 起来也比较容易。 虽然DAC0832 的使用很频繁，有很重要的地位，但 DAC0832 的输出量不是真正的连续可调的模拟量，而是对输出量以其绝对分辨率为单位进行增减，所以从严格意义上来讲，它的输出量是准模拟量。 DAC0832 主要由四部分组成，它们分别是八位输入寄存器、八位 D/A转换器、八位 DAC 寄存器和输入控制电路。 其内部结构及引脚图如图 27 所示 ： 图 27 DAC0832 的内部结构 西南交通大学本科 毕业设计 (论文 ) 第 13 页 图 28 DAC0832 的引脚图 （ 1） D7D0： 8位数据输入端， D7位最高位。 （ 2） OUT1为模拟电流输出 1端， OUT2 为模拟 电流输出端 2。 跟编码器类似， DAC寄存器中的数据有两个极端，全 1或者全 0，两种情况时分别输出为最大值和最小值。 （ 3） Rfe为反 馈电 阻的 引出 端，由于 0832内部已经设有反馈电阻，所以 DAC0832的 Rfe 脚可以直接连到运放输出端，这样就相当于运放的输出端和输入端之间有。