波形发生器.docx
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波形发生器.docx
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波形发生器
波形发生器
贵州贵阳欧川
在工作中,我们常常会用到波形发生器,它是使用频度很高的电子仪器。
现
在的波形发生器都采用单片机来构成。
单片机波形发生器是以单片机核心,配相
应的外围电路和功能软件,能实现各种波形发生的应用系统,它由硬件部分和软
件部分组成,硬件是系统的基础,软件则是在硬件的基础上,对其合理的调配和
使用,从而完成波形发生的任务。
波形发生器的技术指标:
(1)波形类型:
方型、正弦波、三角波、锯齿波;
(2)幅值电压:
1V、2V、3V、4V、5V;
(3)频率值:
10HZ、20HZ、50HZ、100HZ、200HZ、500HZ、1KHZ;
(4)输出极性:
双极性
操作设计
1、机器通电后,系统进行初始化,LED在面板上显示6个0,表示系统处于初始状态,等待用户输入设置命令,此时,无任何波形信号输出。
2、用户按下“F”、“V”、“W”,可以分别进入频率,幅值波形设置,使系统进入设置状态,相应的数码管显示“一”,此时,按其它键,无效;
3、在进入某一设置状态后,输入0~9等数字键,(数字键仅在设置状态时,有效)为欲输出的波形设置相应参数,LED将参数显示在面板上;
4、如果在设置中,要改变已设定的参数,可按下“CL”键,清除所有已设定参数,系统恢复初始状态,LED显示6个0,等待重新输入命令;
5、当必要的参数设定完毕后,所有参数显示于LED上,用户按下“EN”键,系统会将各波形参数传递到波形产生模块中,以便控制波形发生,实现不同频率,不同电压幅值,不同类型波形的输出;
6、用户按下“EN”键后,波形发生器开始输出满足参数的波形信号,面板上相应类型的运行指示灯闪烁,表示波形正在输出,LED显示波形类型编号,频率值、电压幅值等波形参数;
7、波形发生器在输出信号时,按下任意一个键,就停止波形信号输出,等待重新设置参数,设置过程如上所述,如果不改变参数,可按下“EN”键,继续输出原波形信号;
8、要停止波形发生器的使用,可按下复位按钮,将系统复位,然后关闭电源。
硬件组成部分
通过综合比较,决定选用获得广泛应用,性能价格高的常用芯片来构成硬件电路。
单片机采用MCS-51系列的89C51(一块),74LS244和74LS373(各一块),反相驱动器ULN2803A(一块),运算放大器LM324(一块)
波形发生器的硬件电路由单片机、键盘显示器接口电路、波形转换(D/A)电路和电源线路等四部分构成。
1.单片机电路
功能:
形成扫描码,键值识别,键功能处理,完成参数设置;
形成显示段码,向LED显示接口电路输出;
产生定时中断;
形成波形的数字编码,并输出到D/A接口电路;
如电路原理图所示:
89C51的P0口和P2口作为扩展I/O口,与8255、0832、74LS373相连接,可寻址片外的寄存器。
单片机寻址外设,采用存储器映像方式,外部接口芯片与内部存储器统一编址,89C51提供16根地址线P0(分时复用)和P2,P2口提供高8位地址线,P0口提供低8位地址线。
P0口同时还要负责与8255,0832的数据传递。
P2.7是8255的片选信号,P2.6是0832
(1)的片选,P2.5是0832
(2)的片选,低电平有效,P0.0、P0.1经过74LS373锁存后,送到8255的A1、A2作,片内A口,B口,C口,控制口等寄存器的字选。
89C51的P1口的低4位连接4只发光三极管,作为波形类型指示灯,表示
正在输出的波形是什么类型。
单片机89C51内部有两个定时器/计数器,在波形发生器中使用T0作为中断源。
不同的频率值对应不同的定时初值,定时器的溢出信号作为中断请求。
控制定时器中断的特殊功能寄存器设置如下:
定时控制寄存器TCON=(00010000)
工作方式选择寄存器(TMOD)=(00000000)
中断允许控制寄存器(IE)=(10000010)
2、键盘显示器接口电路
功能:
驱动6位数码管动态显示;
提供响应界面;
扫面键盘;
提供输入按键。
由并口芯片8255,锁存器74LS273,74LS244,反向驱动器ULN2803A,6位共阴极数码管(LED)和4×4行列式键盘组成。
8255的C口作为键盘的I/O接口,C口的低4位输出到扫描码,高4位作为输入行状态,按键的分布如图所示。
8255的A口作为LED段码输出口,与74LS244相连接,B口作为LED的位选信号输出口,与ULN2803A相连接。
8255内部的4个寄存器地址分配如下:
控制口:
7FFFH,A口:
7FFFCH,B口:
7FFDH,C口:
7FFEH
3、D/A电路
功能:
将波形样值的数字编码转换成模拟值;
完成单极性向双极性的波形输出;
构成由两片0832和一块LM324运放组成。
0832
(1)是参考电压提供者,单片机向0832
(1)内的锁存器送数字编码,不同的编码会产生不同的输出值,在本发生器中,可输出1V、2V、3V、4V、5V等五个模拟值,这些值作为0832
(2)的参考电压,使0832
(2)输出波形信号时,其幅度是可调的。
0832
(2)用于产生各种波形信号,单片机在波形产生程序的控制下,生成波形样值编码,并送到0832
(2)中的锁存器,经过D/A转换,得到波形的模拟样值点,假如N个点就构成波形的一个周期,那么0832
(2)输出N个样值点后,样值点形成运动轨迹,就是波形信号的一个周期。
重复输出N个点后,由此成第二个周期,第三个周期……。
这样0832
(2)就能连续的输出周期变化的波形信号。
运放A1是直流放大器,运放A2是单极性电压放大器,运放A3是双极性驱动放大器,使波形信号能带得起负载。
地址分配:
0832
(1):
DFFFH ,0832
(2):
BFFFH
4、电源电路:
功能:
为波形发生器提供直流能量;
构成由变压器、整流硅堆,稳压块7805组成。
220V的交流电,经过开关,保险管(1.5A/250V),到变压器降压,由220V降为10V,通过硅堆将交流电变成直流电,对于谐波,用4700μF的电解电容给予滤除。
为保证直流电压稳定,使用7805进行稳压。
最后,+5V电源配送到各用电负载。
软件结构
在波形产生器系统中,程序由人机交互模块和波形产生模块组成,人机交互模块又可分成键盘子模块和LED子模块。
人机交互模块作为主程序,管理单片机系统,波形发生模块作为中断服务程序,实现系统的波形输出。
如图
(2)所示:
(A) 是波形发生器的主流图,由系统初始化和人机交互模块组成,其中LED显示子模块和键盘输入处理子模块占用单片机主要处理时间,单片机反复运行该模块程序人机交互模块相当于系统的监控程序;(B)是定时中断服务流程图,波形发生模块放置在定时中断服务程序中,系统每隔一定时间,产生一个定时中断,暂停主流程运行,转到定时中断服务程序起始处,执行波形发生模块,该模块输出一个样值后,结束此次中断服务,返回主流程断点处继续运行。
反复多次定时中断服务,从而完成波形生成。
片内RAM有128B的容量,30H~3FH定义为堆栈区,40H~45H定义为LED显示缓冲储存区,40H存放波形编号,41H~44H存放频率值,45H存放参考电压值,46H定义为设置标志区。
1、人机交互模块
(1)LED显示子模块
在单片机内部RAM中的40H~45H是LED显示器的显示缓冲区,40H的内容送到左边的第一只数码管显示,41H的内容送左边的第二只数码管……,45H的内容送左边的第六只数码管(最后一位)。
显示缓冲区的内容如何形成可以显示的段码呢?
在设计中,我们采用查表的方式来形成。
编写程序前,根据共阴极LED显示器的工作原理,确定显示数字(1、2、3……8、9)的段码,将它们按大小顺序编制成显示码表,存于ROM中。
在编程时,可以由显示缓冲区内的数字,通过查表的方法得到相应的段码。
显示子模块的程序流程图如图(3)所示。
R1存位选信号,R2存显示次数,R0存显示缓冲区地址。
程序执行过程如下:
单片机先向8255的PB口送位选信号,修改R1中的内容,形成下次位选信号;从显存取数字,通过查表,得到显示段码,送到8255的PC口;调用延时子程序,保持显示;修改RO的内容;判断是否已执行显示6次,若不满6次,转到开始处,重复执行,若已执行6次,则结束显示。
(2)键盘输入处理子模块
在具体实现时,键值识别部分作为主程序,键功能处理部分作为子程序,它们之间的关系是主程序调用子程序
。
键盘的工作过程:
(1)扫描键盘,获得列扫描码和行状态码,从而确定被按下的按键的键值;
(2)根据键值,通过散转表,跳转到相应的键功能处理部分;(3)进入键处理部分,完成键功能;(4)完成一次键输入工作。
通过键盘对单片机系统进行设置,每按一次键,键盘都会有上述的处理过程,每次仅能完成一个键功能。
在实际设置波形参数时,一个参数需要多个键功能来实现,那么相应的键盘也要多次完成键值识别,跳转键处理的工作过程。
工作过程如图(4)和图(5)所示。
各功能键处理,设计如下:
“F”键的处理,进入“KEY-F-PRO”子程序段,将设置标志区(ROM46H)设为01H,表示是频率参数设定;送42H到R5中,41H是频率值显示缓冲区首址;将ROM中41H、42H、43H等存储单元送#0AH,使LED显示“---0”,最后退回到键盘主程序,处理流程图(6)。
“V”键处理:
将设置标志区(ROM46H存储单元),设为02H,表示是参考电压设定;将ROM中46H存储单元置为#0AH,使相应位的LED显示“-”。
处理流程图(7)。
“W”键处理,将设置标志区设为03H,表示是波形编号设定;将40H存储单元的内容置#0AH,使相应位的LED显示“-”。
处理流程图(8)。
“0~9”键处理:
首先查看设置标志区46H的内容,判断有无设置,若有设置,则判断是频率设置,还是参考电压设置,或者是波形编号设置,确定是某种设置,则进入设定操作,即将数字(0~9)送到显存相应的地址单元。
如果无设置,则直接退回到主程序。
处理流程图(9)。
“CL”键处理:
将显示缓冲区ROM40H~45H的内容全部清零,使LED显示“000000”;将设置标志区ROM46H的内空清零,使其处于“无设置”状态;将定时器TO的初值清零,并停止TO的定时运行,使定时器TO不工作;之后,退回主程序,处理流程图(10)。
“EN”键处理:
首先检查W、V、F等参数值是否已全部设置,如果已经全部设置;
(1)从ROM45H取出参考电压值,通过查表,获得电压的数字编码,送到0832
(1),产生输出,作为0832
(2)参考电压;
(2)从ROM41H~43H中取频率值,判定该值,判定该值,根据判断结果,进入相应的程序段,实现“频率与定时初值的转换”,完成TMOD的设定和初值设定;(3)开启定时中断,向R6赋于样值初始编号;最后,退回到主程序,处理流程图(11)
2、波形产生模块
设计思想:
(1)将一个周期T的信号分离成32个点(按X轴等分),每面点之间的时间间隔为ΔT,用单片机的定时器产生。
(2)一个周期被分离成32个点,对应的三种波形的32个数据存放在以TAB1~TAB3为起始地址的存储器中。
中断服务流程如图(12)所示。
波形产生流程如图(13)所示
参考程序段
多功能波形发生器VHDL程序
--文件名:
mine4.vhd。
--功能:
实现4种常见波形正弦、三角、锯齿、方波(A、B)的频率、幅度可控输出(方波
--A的占空比也是可控的),可以存储任意波形特征数据并能重现该波形,还可完成
--各种波形的线形叠加输出。
--说明:
SSS(前三位)和SW信号控制4种常见波形种哪种波形输出。
4种波形的频率、
--幅度(基准幅度A)的调节均是通过up、down、set按键和4个BCD码置入器以及一
--个置入档位控制信号(ss)完成的(AMP的调节范围是0~5V,调节量阶为1/51V)。
--其中方波的幅度还可通过u0、d0调节输出数据的归一化幅值(AMP0)进行进一步
--细调(调节量阶为1/(51*255)V)。
方波A的占空比通过zu、zp按键调节(调节
--量阶1/64*T)。
系统采用内部存储器——RAM实现任意输入波形的存储,程序只支
--持键盘式波形特征参数置入存储,posting为进入任意波置入(set)、清除(clr)状态
--控制信号,SSS控制存储波形的输出。
P180为预留端口,
--最后修改日期:
2004.3.26。
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_arith.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entitymine4is
port(clk:
instd_logic;--时钟信号输入
set,clr,up,down,zu,zd:
instd_logic;--各个波形特征的调节触发信号
posting:
instd_logic;--任意波键盘置入信号
u0,d0,sw:
instd_logic;--方波A、B的切换sw,和方波B的幅度调节按键
ss:
instd_logic_vector(3downto0);--档位选择信号
sss:
instd_logic_vector(4downto0);--波形选择信号
Data3,Data2,Data1,Data0:
instd_logic_vector(3downto0);--BCD码输入
p180:
outstd_logic;--预留接口
lcd:
outstd_logic_vector(7downto0);--显示输出
shift:
outstd_logic_vector(3downto0);--位码输出
dd,a:
outstd_logic_vector(7downto0));--波形、幅度数据输出
endmine4;
architecturebehavofmine4is
subtypewordisstd_logic_vector(7downto0);
typeunitisarray(63downto0)ofword;
signalram:
unit;
signalqqq:
integerrange0to250000000;
signalqq:
integerrange0to78125000;
signaltmp:
integerrange0to9999;
signalcoun:
integerrange0to78125000;
signalcoun0:
integerrange0to250000000;
signalb:
integerrange0to78125000;
signalc:
integerrange0to500000000;
signalz,con:
integerrange0to63;
signalf:
std_logic_vector(7downto0);
signalamp,amp0,d:
std_logic_vector(7downto0);
signalbcd0,bcd1,bcd2,bcd3:
integerrange0to9;
signalbcd01,bcd11,bcd21,bcd31:
integerrange0to9;
signalbcd00,bcd10,bcd20,bcd30:
integerrange0to9;
signaly:
integerrange0to9;
signaladdr:
integerrange0to63;
begin
qq<=781250whenss="1000"else
7812500whenss="0100"else
78125000whenss="0010"else
78125;
--qq信号对应SW=0时的档位选择信号SS,实现方波A和其他三种波形的频率预置
qqq<=500000whenss="1000"else
5000000whenss="0100"else
50000000whenss="0010"else
50000;
--qqq信号对应SW=1时的档位选择信号SS,实现方波B的频率预置
process(clk)
--此进程分别描述了各种波形的频率、幅度(方波A的占空比)调节以及各种波形的任意线
--形叠加等。
variablecount4:
integerrange0to6250000;
variablecount:
integerrange0to78125000;
variablecount3:
integerrange0to250000000;
variablecount1:
integerrange0to12500000;
variablecount0:
integerrange0to3249999;
variableddd:
std_logic_vector(9downto0);
variabledd0,dd1,dd2,dd3,dd4:
integerrange0to255;
variableadr:
integerrange0to63;
begin
ifrising_edge(clk)then
ifposting='1'then
ifcount4=6249999thencount4:
=0;
adr:
=conv_integer(Data3)*10+conv_integer(Data2);--存储单位地址
ifadr<64then
ifset='1'thenram(adr)<=conv_std_logic_vector((conv_integer(Data1)*10
+conv_integer(Data0))*2,8);--对置入的任意波形数据进行储存
elsifclr='1'thenadr:
=0;--存储器所有单元清零
foriin0to63loop
ram(i)<=(others=>'0');
endloop;
endif;
endif;
elsecount4:
=count4+1;
endif;
else
ifset='1'thencoun<=0;b<=0;coun0<=0;c<=0;z<=31;amp0<="01111111";addr<=0;
tmp<=conv_integer(Data3)*1000+conv_integer(Data2)*100
+conv_integer(Data1)*10+conv_integer(Data0);--频率数据
amp<="01111111";--幅值
else
iftmp>0then
ifsw='0'then
ifcoun else ifcount=bthencount: =1; iff=63thenf<="00000000"; elsef<=f+1; endif; ifsss="00010"then--方波A ifcon<=zthendd<=amp0;con<=con+1; elsifcon=63thencon<=0;dd<="00000000"; elsecon<=con+1;dd<="00000000"; endif; elsifsss="10000"thendd<=d;--正弦波 elsifsss="00100"thendd<=f(5downto0)&"00";--锯齿波 elsifsss="01000"then--三角波 iff>31thendd<=("111111"-f(5downto0))&"00"; elsedd<=f(5downto0)&"00"; endif; elsifsss="00001"then--任意波 ifaddr<63thendd<=ram(addr);addr<=addr+1; elsifaddr=63thendd<=ram(63);addr<=0; endif; else--完成5种波形的线形叠加 ifsss (1)='1'then ifcon<=zthencon<=con+1; dd0: =conv_integer(amp0);--方波波形数据dd0 elsecon<=con+1;dd0: =0; endif; endif; ifsss(4)='1'thendd1: =conv_integer(d);--正弦波波形数据dd1 endif; ifsss (2)='1'thendd2: =conv_integer(f(5downto0)&"00"); --锯齿波波形数据dd2 endif; ifsss(3)='1'then iff>31thendd3: =conv_integer(("111111"-f(5downto0))&"00"); elsedd3: =conv_integer(f(5downto0)&"00");--三角波波形数据dd3 endif; endif; ifsss(0)='1'then ifaddr<63thendd4: =conv_integer(ram(addr));addr<=addr+1; elsifaddr=63thendd4: =conv_integer(ram(63));addr<=0; endif;--任意波波形数据dd4 endif; ddd: =conv_std_logic_vector((dd0+dd1+dd2+dd3+dd4),10); --波形线形叠加输出 dd<=ddd(9downto2); endif; elsecount: =count+1; endif; endif; else ifcoun0 else ifcount3<=c/2thencount3: =count3+1;dd<=amp0; elsifcount3=cthencount3: =1;dd<="00000000"; elsecount3: =count3+1;dd<="00000000"; endif; endif; endif; endif; ifcount1=12499999thencount1: =0;--调方波A的占空比 ifzu='1'then ifz<63thenz<=z+1;
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- 关 键 词:
- 波形 发生器