基于AT89S52的波形发生器设计.docx
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基于AT89S52的波形发生器设计
基于AT89S52的波形发生器设计
摘要
波形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。
目前使用的波形式发生器大部分是利用分立元件组成的体积大,可靠性差,准确度低。
该设计使用的是AT89S52单片机构成的波形发生器,AT89S52是一个低功耗,高性能CMOS8位单片机,片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造,兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构,芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元,功能强大的微型计算机的AT89S52可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。
所以利用其产生三角波、方波、正弦波等多种波形,波形的频率可控制改变,波形清晰、频率调整十分方便、稳定性好,产生较复杂的波形只须修改源程序,不需要改装电路.在单片机的输出端口接DAC0832进行DA转换,再通过运放进行波形调整,最后输出波形接在示波器上显示。
本设计具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。
关键词:
波形发生器,单片机,波形调整,频率可控,DA转换
ENGLISHSUBJECT
ABSTRACT
Waveform-generatorisakindofsignalsourceincommonuse,broadlyappliedattheelectronicselectriccircuit,autocontrolsystemandteachingexperimentetc.
ThedissertationisusageoftheAT89S52。
TheAT89S52isalow-power,high-performanceCMOS8-bitmicrocontrollerwith4KbytesofIn-SystemProgrammableFlashmemory.ThedeviceismanufacturedusingAtmel’shigh-densitynonvolatilememorytechnologyandiscompatiblewiththeindustry-standard80C51instructionsetandpin.Theon-chipFlashallowstheprogrammemorytobereprogrammedin-systemorbyaconventionalnonvolatilememoryprogrammer.Bycombiningaversatile8-bitCPUwithIn-SystemProgrammableFlashonamonolithicchip,theAtmelAT89S52isapowerfulmicrocontrollerwhichprovidesahighly-flexibleandcost-effectivesolutiontomanyembeddedcontrolapplications.Single-chipmicrocomputerconstituteofwave-formgenerator,whichcangeneratetrianglewave,square-wave,sinewaveetc.Varietywave-form,theperiodofwavecanbecontrolled.Thewaveformisexplicit,withgoodfrequencyadjustmentandstabilityperformance.Onlybyvaryingitssoftware,nothardware,it'spossibletoobtainmorecomplicatedwaveform.TheoutputofthemachineconnectsDAC0832tocarryonaDAconversion,againpassesoperationamplifiertoputanendexportationwave-form.Thisdesignhasadvantageofsimplecircuit,tightlypackedstructure,cheapprice,superiorfunctionetc.
KEYWORDS:
waveformgenerator,single-chipmicrocomputer,wave-formadjustment,frequencycontrol,DAconversion
目 录
前 言6
第1章绪论8
§1.1概述8
§1.2国内外波形发生器的发展状况9
§1.2.1任意波形发生器的发展状况9
§1.2.2国内外任意波形发生器产品的比较11
§1.2.3研制任意波形发生器的目的及意义12
§1.3本课题的主要研究内容和思路13
§1.3.1主要研究内容13
§1.3.2主要思路14
第2章波形发生器原理15
§2.1AT89S52单片机16
§2.1.1主要性能16
§2.1.2功能特性描述17
§2.2译码器(74LS138)19
§2.3可编程通信接口8255A21
§2.3.18255A的结构21
§2.3.28255A的芯片引脚信号22
§2.3.38255A的工作方式24
§2.4SN74LS373锁存器24
§2.5D/A转换器DAC083225
§2.5.1DAC0832特点25
§2.5.2D/A转换器外部引脚功能及内部结构图26
§2.5.3DAC0832的工作方式27
§2.6555定时器28
§2.7双端口存储器IDT713229
第3章波形发生器的硬件电路33
§3.1时钟电路的设计33
§3.1.1振荡器的设计33
§3.1.2分频电路的设计33
§3.2I/O口的扩展,波形数据的存储35
§3.2.1I/O口的扩展35
§3.2.2波形数据的存储35
§3.3D/A转换36
§3.4输出波形频率计算38
第4章波形发生器的软件设计39
§4.1程序流程图39
§4.2锯齿波程序41
结 论43
参考文献44
致 谢45
附 录46
1.1.2速度提高58
1.1.3增加的功能58
1.2片内存储器59
1.3JTAG调试和边界扫描59
1.5可编程计数器阵列60
1.6串行端口60
1.7模数转换器60
1.8比较器和DAC61
前 言
信号发生器是电子测量领域中最基本、应用最广泛的一类电子仪器。
除了电子技术尤其是电子测量,信号发生器在其它领域中也有应用,例如机械部门的超声波探伤,医疗部门的超声波诊断、频谱治疗仪等。
波形发生器是一种常用的信号源,广泛应用于科学研究、生产实践和教学实践等领域。
在电子工程设计和测试中,常常需要一些复杂的、具有特殊要求的信号,要求其波形可以任意产生、频率任意可调。
在数字化的今天,经典的有模拟电路的信号发生器已经渐渐远离了人们,取而代之的是电路简洁、功能多样、功耗低的数字电路。
由AT89S52单片机、8255接口芯片、RAM外存储器、时钟发生器构成的发生器可产生锯齿波、三角波、正弦波等多种波形,波形的周期可以用程序改变,并可根据需要选择单极性输出或双极性输出,具有线路简单、结构紧凑等优点。
在本设计的基础上,加上按钮控制和LED显示器,则可通过按钮设定所需要的波形频率,并在LED上显示频率、幅值电压,波形可用示波器显示
目前,国外几家知名仪器公司的产品基本上代表了任意波形发生器的方展方向和产品水平,大多数都具有比较鲜明的特点。
例如,美国泰克公司生产的可编程任意波形发生器AWG2040,这种可编程任意波形发生器具有直接屏幕编程能力和方便易用的图形用户界面,并具有8bit分辨率、高达1GS/s的时钟速率和1Mbytes波形存储深度。
比较起来,目前国内生产的任意波形发生器尚缺乏其独有的特点。
主要技术指标:
1.垂直分辨率(幅度分辨率-位数)
垂直分辨率是指幅度的分辨率由数模转换器的分辨率决定,任意波形发生器的特性很大程度上取决于其数模转换器的性能。
对数摸转换器的速度和分辨率要权衡折衷,采用快速的数模转换器,其分辨率则较低。
在20M取样点/秒的范围内,目前通常采用的是10位或12位的数模转换器,高于20M的采样率则选用14位或16位的数模转换器。
通常,较高的垂直分辨率意味着再现的波形中量化误差较小,从而减少了失真。
如果使用数字存储示波器捕捉到的波形,则应与数字存储示波器的分辨率一致。
2.水平分辨率(波形存储深度-字数/通道)
水平分辨率是波形存储器中可利用点的总数,大致可以表示任意波形发生器所能产生波形的复杂程度,在每秒20M个取样点时,要将每个存储单元的内容都送给数模转换器,并让数模转换器快速转换成相应的模拟量电压,只容许有50ns的时间。
为满足这类需求,通常采用快速的SRAM。
水平分辨率点数越多,意味着再现的波形的失真越小。
在低频应用时,因为要求在较长的一段时间内维持较高的取样速率,所以需要较长的波形存储器。
3.取样速率(采样速率-样点数/秒)
采样速率为准确再现信号所需的单位时间采样点数,其中最高取样速率决定了波形中最高的频率成分即任意波形发生器的输出带宽,Nyquist定理指出:
可还原的最高频率不大于二分之一的取样速率,在该频率点上,每周期只要有两个取样点就确定了原波形,实际上可采用的最高频率要比Nyquist频率低得多,具体取决于可容忍的失真程度。
第1章绪论
§1.1概述
信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。
各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。
能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。
函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。
例如在通信、广播、电视系统中,都需要射频(高频)发射,这里的射频波就是载波,把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去,就需要能够产生高频的振荡器。
在工业、农业、生物医学等领域内,如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。
函数信号发生器的实现方法通常有以下几种:
用分立元件组成的函数发生器:
通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试。
(1)用分立元件组成的函数发生器:
通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试。
(2)可以由晶体管、运放IC等通用器件制作,更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。
早期的函数信号发生器IC,如L8038、BA205、XR2207/2209等,它们的功能较少,精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响。
(3)利用单片集成芯片的函数发生器:
能产生多种波形,达到较高的频率,且易于调试。
鉴于此,美国美信公司开发了新一代函数信号发生器ICMAX038,它克服了
(2)中芯片的缺点,可以达到更高的技术指标,是上述芯片望尘莫及的。
MAX038频率高、精度好,因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。
在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上,MAX038都是优选的器件。
(4)利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器:
能产生任意波形并达到很高的频率。
但成本较高。
§1.2国内外波形发生器的发展状况
在设计波形发生器之初,我在网上搜索到一些与我的设计相同的产品,在这理我简单的介绍一下。
§1.2.1任意波形发生器的发展状况
信号发生器是一种历史悠久的测量仪器。
早在二十世纪二十年代,当电子设备刚开始出现时,它就出现了。
随着通信和雷达技术的发展,四十年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器,使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器。
同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。
由于早期的信号发生器结构比较复杂,功率比较大,电路比较简单(与数字仪器、示波器等相比),因此发展速度较慢。
直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。
自六十年代以来,信号发生器有了迅速的发展,出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。
各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高,同时在简化结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。
在70年代前,信号发生器主要有两类:
正弦波和脉冲波,而函数发生器介于两类之间,能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形,产生其它波形时,需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。
这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术,由分立元件或模拟集成电路构成,其电路结构复杂,且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形,输出的波形具有良好的相位噪声、较低的寄生分量以及较快的开关速度等,但是模拟电路的漂移较大,使输出的波形的幅度稳定性差,而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点,并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。
同时,主要表现为两个突出问题,一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节,因而很难将频率调到某一固定值;二是脉冲的占空比不可调节。
在70年代后,微处理器的出现,可以利用为处理器、A/D/和D/A、硬件和软件是波形发生器的功能扩大,产生更加复杂的波形。
这时期的波形发生器多以软件为主,实质是采用微处理器对DAC的程序控制,就可以得到各种简单的波形。
例如,令微处理器的累加器A自身循环增量,每增量一次即向DAC送出一个数,使DAC有一个输出。
因为当A的内容达到最大值255时,再增量一次,A的内容就变为最小值(零),然后可以继续增加。
如此,周而复始,就可以从DAC输出端获得一个正相的阶梯波。
用同样的方法还可获得方波、锯齿波、三角波等波形。
软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低,主要时由CPU的工作速度决定的,如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期或提高CPU的时钟周期,但这些办法时有限度的,根本的办法还是要改进硬件电路。
当时的信号处理其实专用于信号处理的微处理器,时钟频率只有1~2MHz,A/D和D/A一般在8位左右,内部存储容量也很小。
因此,能够产生正弦波的有效频宽不会超过1MHz,要获得比较平滑的低失真度的波形,重复频率不会超过10KHz。
用数字方法的函数发生器尚处于开发阶段,正式的商品还不多。
到了1988年,出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统,它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。
HP8770A实际上也只能产生8种波形,而且价格昂贵。
不久以后,Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器,Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。
现代电子、计算机和信号处理等技术的发展,极大的促进了数字化技术在电子测量仪器的应用,使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替,从而扩充了仪器信号的处理能力,提高了信号测量的准确度、精度和变换速度,克服了模拟信号处理的诸多缺点,数字信号发生器随之逐渐发展起来。
目前任意波形发生器的基础就是直接数字合成技术,用存储器做查询表通过数字形式存入的波形,由数/模转换器产生所需要的任意波形。
近几年来,国际上任意波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面:
(1)过去由于频率很低应用的范围比较狭小,输出波形频率的提高,使得任意波形发生器能应用于越来越广的领域。
任意波形发生器软件的开发正使任意波形的输入变得更加方便和容易。
任意波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。
同时可以利用一种非常强有力的数学方程输入方式,复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。
各种计算机语言的飞速发展也推动了任意波形发生器软件技术的发展。
目前可以利用可视化编程语言(如VisualBasic,VisualC等等)编写任意波形发生器的软面板,这样允许徒手从计算机显示屏上输入任意波形,来实现波形的输入。
(2)与VXI资源结合。
目前,任意波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。
由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求,在很多领域需要使用VXI系统测量和产生复杂的波形,VXI的系统资源提供了明显的优越性,但由于开发VXI模块的周期长,而且需要专门的VXI机箱的配套使用,使得任意波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。
在民用方面,VXI模块远远不如台式仪器更为方便。
(3)随着信息技术蓬勃发展,台式仪器在走了一段下坡路之后,又再繁荣起来。
不过现在的新的台式仪器的形态,和几年前的已有很大的不同。
这些新一代台式仪器具有多种特性,可以执行多种功能。
而且外形尺寸与价格,都比过去的类似产品减少了一半。
§1.2.2国内外任意波形发生器产品的比较
1978年,由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司最早公布的任意波形发生器的最高取样频率为5MHz,可以形成256点(存储长度)波形数据,垂直分辨率为8bit,主要用于振动、医疗、材料、等领域做评价信号源,经过将近30年的发展,伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化,任意波形发生器的性能由了飞速的提高。
变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。
波形操作方法的好坏,是由任意波形发生器控制软件质量保证的,编辑功能增加的越多,波形形成的操作性越好。
以下给出了几种任意波形发生器的性能指标,如表1-1、表1-2所示。
从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在任意波形发生器上的研制水平。
表1-1几种任意波形发生器的性能指标
公司
Tektronix
Tektronix
横河电机
Wavetek
型号
AG320
AWG710
AG5100
295
最高取样频率
16MS/s
4GMS/s
1GMS/s
50MS/s
通道数
2
2
2
4
垂直分辨率
12bit
8bit
8bit
12bit
存储容量
64K
8M
1M
64K
输出电压
10V
2.5V
2V
15V
§1.2.3研制任意波形发生器的目的及意义
任意波形发生器的应用非常广泛,在原理上可仿真任意波形,只要数字示波器或其他记录仪捕捉到的波形,任意波形发生器都可复制出,特别有用的是仿真单次偶发的信号,例如地震波形、汽车碰撞波形等等。
以下是几种尖端技术中任意波形发生器产生的复杂测量信号:
第一、雷达信号仿真――雷科公司的任意波形发生器有调幅、调频和脉冲三组输出,组合调制信号输入微波信号发生器产生复杂的雷达信号模式,用于仿真飞行器的雷达信令。
由于三种调制信号有严格的同步和低的相位噪声,使这种序列信号既稳定又相位噪声极低,序列内内科插入触发、波形循环、断点而不会失去同步,从而扩展成为复杂的波形产生设备。
第二、卫星音调仿真――任意波形发生器和微波信号发生器一起可产生通信卫星的音调仿真。
用于测试地面接受站特性。
任意波形发生器驱动上变频器在适当频率下产生几种音调,在被测通道的测试序列插入空白段,用于播送实况信号。
任意波形发生器的数量视音调数目和间隔而定。
这种测试方法同样可用来测试在同一通信链路内收发多个数据流的电信系统。
第三、微机电系统的驱动――微机电系统有机械、光学、电学的多种信号,需要几台任意波形发生器仿真激励和执行机构的复杂信号,信号之间有严格的定时关系。
第四、磁盘驱动器仿真――磁盘驱动器产生的同步数字和模拟信号可由任意波形发生器仿真,用于读∕写数据的测试,这种混合信号仿真可作为平板LCD、等离子高清晰度电视等的测试信号。
第五、数字通信的仿真――第三代移动通信属于多制式多信号的综合,对于这种包括语音、图像和数据的复杂调制信号AWG可发挥积极作用和产生非常逼真的信号。
第六、任意波形发生器复制数字示波器的偶发信号――利用两种仪器的互补特点,任意波形发生器可复制出数字示波器的很难捕捉到的毛刺信号。
§1.3本课题的主要研究内容和思路
以上是我介绍的一些国内外的同类产品,以下是我根据任务书来设计的波形发生器。
§1.3.1主要研究内容
根据设计任务书,现介绍研究内容如下:
1.设计AT89S52的最小系统电路;
2.通过8255扩展I/O口
3.扩展双口RAM,用于波形数据的存储
4.设计时钟电路和分频电路,满足波形的周期要求
5.设计D/A转换电路,输出模拟波形。
§1.3.2主要思路
我在老师的指导下,根据任务书要求采取了以下设计思路:
基于单片机设计电路板,通过SN74LS138译码后,选中8255芯片,用扩展的I/O口将波形数据存储到存储器中,然后通过时钟电路和单片机控制的分频器、地址计数器从双口存储器的另一侧取出数据,送至DAC0832转换器,得到期望的波形。
第2章波形发生器原理
§2.1设计原理
波形发生器的基础是直接数字合成,原理框图如图3-1所示。
主要原理可叙述如下:
通过软件写入波形数据,通过8255扩展的I/O口将波形数据存储到存储器中,然后通过时钟电路从存储器中取出数据,送至D/A转换器,得到期望的波形。
波形形成过程为:
存储器(ROM或RAM)存储波形数据,通过地址计数器的每一计数值对应于波形存储器的一个存储单元的地址,依次循环读出存储器各存储单元的内容(数据),然后送给D/A转换器,转换成相应的模拟量输出电压,最后经低通滤波器得到平滑的波形。
修改存储器的内容,可产生用户定义的任意波形,如正弦波、三角波、矩形波、梯形波或其他波形。
它的工作过程是:
振荡器产生高频脉冲波形,经分频器得地址计数器的计数频率,若地址计数器为N位(模值=2N),则把波形的一个周期分为2N个等间隔数据点(抽样点)存入数据存储器,地址计数器不断地循环计数,存储器内数据被逐个读出,经D/A转换器和低通滤波器,可得所需波形。
该方法的特点是每一周期波形的点数是固定的,每一周期内点与点的相位间隔相同。
但两个相邻周期波形之间的两个点的时间间隔与其他点之间的相位间隔有可能不同。
当计数器的位数增加时,这种相邻间隔的误差可以忽略。
用该方法产生波形,其波形频率由两方面决定:
(1)波形的频率由地址计数器的计数时钟决定,当波形存储的点数一定时,计数器的计数时钟频率越快,读出一周期波形数据的时间就越短,输出波形的频率就越高,反之则波形频率低;
(2)波形的频率也由组成一周期波形的点数来确定,当地址计数器的时钟频率一定时,一周期波形的点数越多,读完一周期波形所需的时间越长,波形频率就低,反之则高。
设输入控制器的时钟频率为1MHz。
D/A转换一次,需要一个时钟周期
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