1引言
1.1主题要求及分析
题目：基于51单片机的波形发生器设计，即51单片机控制产生正弦波、方波、三角波等多种波形。.1.1示意图
图1:系统流程示意图
1.2设计要求
(1) 该系统具有三种周期性波形：正弦波、三角波和方波。
(2) 上述三种波形(同周期)的产生由键盘控制，以及由基波及其谐波(5次以下)线性组合的波形。
(3) 该系统具有存储波形的功能。
(4) 系统输出波形的频率范围为1Hz～1MHz，重复频率可调，频率步进间隔≤100Hz，非正弦波的频率按10次谐波计算。
(5) 系统输出波形范围0~5V。
(6) 该系统具有显示输出波形类型、重复频率和振幅的功能。
2波形发生器系统设计方案
波形信号发生器的设计和制作可以产生正弦波、方波和三角波波，不使用DDS以及一些特殊的波形生成芯片。让系统的频率范围在1Hz～1MHZ频率范围为1HZ～10KHz步进小于或等于10Hz，频率范围为10KHz～1MHz步进小于或等于100Hz，而且电压为0~5V范围可实时显示波形的类型、频率和振幅。2.1方案设计理念
以AT89C51单片机是系统控制的核心，其中P0口接DAC0832同时转换数模作为信号输入。P一口用来接键盘，P2口接LED显示器，由程序来控制P0口产生的波形由按键和按键次数控制，并通过按键控制波形频率值和振幅值。操作放大器DAC0832实现输出电流向电压的转换，即数字信号向模拟信号的转换。另外在LED实时频率值和振幅值显示在上面，波形显示在示波器中。并通过按钮确定波形数据的存储模式。按下按钮后，存储当时波形对应的范围值、频率值等参数。
波形合成：在波形合成中，通过外部中断高低电平延迟时间解码，在采样中，正弦波、三角波、方波只有20个采样点，因为采样点越少，频率越大，合成是振幅值叠加输出一组波形。.2设计框图及系统介绍
设计框图如下图所示：
图2：框图设计
2.3选择合适的设计方案
方案1：模拟分立元件或单片函数发生器可产生正弦波、方波和三角波，方法简单。输出频率的变化也可以通过调整外部元件来实现，但模拟元件的分散性太大，导致频率稳定性差、抗干扰性低、灵活性差、精度低，无法实现任何波转换和波操作输出的独立控制功能。
方案2：采用专业的锁相频率合成方案。这种锁相频率合成是一种高稳定性、高精度的大量离散技术。它能准确产生波形，很好地解决频率稳定性和精度要求频率在较大范围内可调的问题。但是频率受VCO可变频率范围的影响，高低频率比不能很高，只能产生正弦波或方波，不能满足三角波的要求。
方案三:采用AT89C51单片机和数模转换器DAC0832实现波形的产生。产生波形的方法是使用AT89C51单片机执行波形程序DAC在0832转换器的输入端输入相应的数据DA转换电路输出端，然后通过输出电路转换得到相应的电压波形。在AT89C51的P1口接按钮控制波形的类型和频率，每个波形对应一个按钮模式。该方案原理简单，适合操作，相对容易实现。
相比之下，方案3的设计可以更好地实现和完成主题的要求。产生的三种波形和频率可以由按钮控制，不同的波形可以通过按钮换，所需的波形也可以显示在示波器上。波形的频率步进也可以实现调节，具有线路简单、可行性高、符合设计要求等优点。在本设计的基础上，加上LED数字显示管可以在LED频率值和幅度值信息显示在上面。输出波形也比较稳定，精度高，通过滤波电路增强了系统的抗干扰性，电路简单，性价比高。综上所述，我们选择了第三种方案。
3主硬件电路及器件介绍
3.180C51单片机
图3：8051引脚图
80C51单片机按功能分为8个部件：微处理器(CPU)、数据存储器(RAM)、程序存储器(ROM/EPROM)、四个I/O口(P0口、P1口、P2口、P3口)、串行口、定时器/计数器、中断系统和特殊功能寄存器(SFR)集中控制模式[1]。
介绍各功能部件：
(1) 数据存储器(RAM)：片中有128个字节单元，片外最多可扩展到64K字节。用于存储数据，我们称之为电影中的数据存储器。
(2) 程序存储器(ROM/EPROM)：片内ROM为4K，片外最多可扩展至64K字节。
(3) 中断系统：5级中断系统，2级中断优先。
(4) 定时器/计数器：2个16位定时器/计数器，有四种工作方式。
(5) 串行口：全双工串行通信接口，有四种工作方式。
(6) 特殊功能寄存器(SFR)每个寄存器，每个寄存器占一个存储单元。
(7) 微处理器：8位CPU，内部有8位CPU(位处理器)不仅可以处理字节数据，还可以处理位变量。
此外，还有四个8位双向并行输入/输出(I/O)每个端口有八条引线、一个输出驱动器和一个输入缓冲器。这四个端口的功能并不完全相同。P0口可以做一般I/O端口也可用作地址/数据总线；P一口是准双向并行口，作为一般并行口I/O口使用；P除了可以作为通用I/O除了使用，还可以CPU高八位地址线用于访问外部存储器；P三口多功能口除具有准双向功能I/O除功能外，还具有第二功能。
控制引脚介绍：
(1) 电源:单片机使用5V电源，其中40引脚正级，20引脚接地。
(2) 时钟引脚XTAL1、XTAL2小时引脚外接晶体与片内相反的放大器形成振荡器，产生片内CPU时钟控制信号。此引脚还可与晶体振荡器外接。
(3) RST：当时钟电路开始工作时，24个时钟周期以上的高电平可以使单片机复位。此外，我们在这里引脚VCC连接24兆欧的下拉电阻，连接外部电路之间的两个36微电容，以确保有效的复位。当单片机正常工作时，引脚应为≤0.5V低电平。
(4) ALE：访问外部程序存储器时ALE输出脉冲用于16位地址中低8位的锁定信号(地址锁定允许)P0口重用地址/数据。不访问外部锁存器时，ALE时钟频率正脉冲信号输出为1/6，约为时钟振荡器的1/6。但在两个机器周期中，每当访问外部数据存储器时ALE只出现一次，即ALE会跳过脉冲。因此，严格地说，用户不能使用它ALE时钟源或定时。ALE可驱动8个端TTL负载
(5) /PSEN(29脚)ROM存储器的读取通信号。执行访问片以外ROM的MOVC在指令期间，每个机器周期PSEN在片外产生负脉冲ROM选择数据存储器，这两次有效/PSEN没有信号。其他情况下，/PSEN线均为高电平封锁状态。
(6) /EA/VPP(31脚)：当EA端保持高电平时，程序地址小于4KB读取内部存储器指令，但在PC值超过4KB在程序地址中执行外部存储器中的程序；当/EA保持低电平时，无论地址大小，只访问外部程序存储器，读取外部程序存储器指令[2]。
3.2DAC0832
图4：DAC0832引脚图
DAC0832是8分辨率的D/A集成电路中有两级输入寄存器的转换芯片。锁存器由8位输入DAC 寄存器、8 位D/A 由转换器和转换控制电路组成。存储主机发送的数字量，使输入数字得到缓冲和锁定，并进行控制。DAC0832输出为电流，一般要求输出为电压，因此必须通过外部操作放大器转换为电压[3]。DAC0832芯片有三种输入方式:双缓冲、单缓冲和直通，以满足各种电路的需要(如需要多路)D/A异步输入、同步转换等)。
DAC0832的引脚功能如下：
(1) D0～D7.数字信号输入端。
(2) ILE：允许输入寄存器，高电平有效。
(3) CS：选片信号，低电平有效。
(4) WR1.写信号1，低电平有效。
(5) XFER：低电平有效地传输控制信号。
(6) WR2.写信号2，低电平有效。
(7) IOUT1、IOUT2：DAC电流输出端。
(8) RFB：反馈电阻集成在电影中。
(9) VREF：基准电压(-10~10)V)。
(10) Vcc：是源电压( 5～ 15V)。
(11) AGND：模拟地 NGND：数字地，可和AGND一起使用.3数码显示管
数码管显示是通过控制7个笔画段的亮度或暗度以及控制一个小数点的亮度和暗度来实现的。LED 共阴极和共阳极2显示器 种形式。共阳极显示器是发光二极管的阳极连接在一起。当需要显示一个字符时，只需将共阳极端连接到一个高电平，并根据显示需要允许a-h在某些位置连接低电平。共阴极显示器是发光二极管的阴极连接在一起，当需要显示字符时，只需将共阴极端连接到低电平，a-h 一些位接高电平即可。
显示器的工作模式分为静态显示模式和动态显示模式：
(1) 静态显示是指显示器在显示字符时，相应的发光二极管恒定导通或截止，如a、b、c、d、e、f导通，g截止日期显示0，使显示器显示字符的字形数据通常称为段数据。每个七段显示器的静态显示模式需要一个8 并行控制位置。优点是显示稳定，提高了工作效率。缺点是当位数较大时，显示口会增加。
(2) 动态显示方式是一位一位的轮流点亮各位显示器，对于每一位显示器来说，每隔一段时间点亮一次。显示器的亮度既与导通电流有关，也与点亮时间和间隔时间的比例有关。调整电流和时间参数可以实现亮度较高较稳定的显示，如显示器的位数不大于8位，则控制显示器公共极的电位只需要一个8位口(位数据口)，控制字形也需要一个8位口(段数据口)。要使显示管显示不同的数字或者字符，需要使端口输出相应的字型码
4 系统的硬件设计
4.1 硬件原理框图
对于该波形发生器的设计，我们采用了以AT89C51 单片机芯片作为核心处理器，编程实现各种不同类型信号的产生，最后通过D/A转换输出到示波器。结构简单，思路井井有条。根据设计的基本要求，我们又把其细分为不同的功能模块，各个功能模块相互联系，相互协调，通过单片机程序构成一个统一的整体。其整体电路原理框图如图5 所示：
图5：电路原理框图(见附件)
4.2 89C51系统设计
89C51单片机是该波形发生器的核心，具有2个定时器，32个并行I/O口，1个串行I/O口，5个中断源[4]。由于本设计功能简单，数据处理容易，数据存储空间也足够，因为我们采用了片选法选择芯片，进行芯片的选择和地址的译码。在单片机最小系统中，单片机从P1口接收来自键盘的信号，并通过P0口输出控制信号，通过DA转换芯片最终由示波器显示输出波形，P2控制显示器段选码，P3口中的P3.4-P3.6通过74LS138译码器控制位选码，输出显示信息。如果有键盘按下，则在控制器端产生一个读信号，使单片机读入信号，如果有信号输出，则在写控制端产生一个写信号，并通过示波器和显示器显示相应的信息。
单片机引脚分配如下：
RST：用于复位电路；
XTAL1，XTAL2：外接晶振，产生时钟信号；
P0 口：键盘输出信号。
P1 口：8 位数字信号输出，外接DAC0832; 具体为：P1.0、P1.1 波形选择；P1.2、P1.3、P1.4 频率个位，十位，百位调节；P1.5 频率加减控制；P1.6 跳出循环。
P2 口：LED 显示器段选码；
P3 口：P3.0 锁存器74HC573 片选信号；P3.2 中断控制；P3.4-P3.6 为74LS138 输入信号，译码控制LED 显示器位选。P3.7 为74LS138 片选码。4.3 时钟电路
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡和外部振荡方式。在引脚XTAL1 和XTAL2 外接晶体振荡器，构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益的反相放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡，并产生振动时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ、24MHZ。我们选择了24MHZ和晶振分别接引脚XTAL1 和XTAL2，电容C1，C2 均选择为30pF，对振荡器的频率有稳定作用，当频率较大时，正弦波方波、三角波中每一点的延时时间为几微秒，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形。
图6：时钟电路
4.4 复位电路
复位引脚RST 通过一个施密特触发器与复位电路相连，施密特触发器用来抑制噪声。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。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。本设计选择了按键复位如图7, 在系统运行时，按一下开关，就在RST 断出现一段高电平，使图6 时钟电路图器件复位。此时ALE、PSEN、P0、P1、P2、P4 输出高电平，在RST 上输入返回低电平以后，就退出复位状态开始工作。
图7：按键复位4.5 键盘接口电路
常用的键盘电路一般为矩阵式，但是对于此设计，为了方便程序的简单化，我们采用了一般的键盘接口输出信号。具体实现方法：P1.0、P1.1用来作为波形选择，其中当P1.0=0，P1.1=0 输出正弦波，当P1.0=0，P1.1=1 输出三角波，当P1.0=1，P1.1=1 输出方波。P1.2、P1.3、P1.4 用来作为频率个位，十位，百位调节；P1.5 控制频率加减；P1.6 跳出循环。
图8：键盘接口电路
4.6 LED显示电路
本设计选择了8位共阴极数码管如图9，它的8个发光二极管的阴极(二极管正端)连接在一起，通常公共阴极接低电平，其它管脚接驱动电路输出端。当某段驱动电路的输出端为低电平时，则该端所连接的字段导通并点亮，根据发光字段的不同组合可显示出各种数字或字符。此时，要求段驱动电路能吸收额定的位置导通电流，还需根据外接电源及额定位置导通电流来确定相应的限流电阻。显示电路用于显示信号的波形种类和信号的频率，并且使系统能根据按键实时显示相关信息。该系统中添加74LHC573 锁存器，用于驱动数码显示管，使其更易于控制，增加显示的准确性。使用74LS138 译码器，利用P3.4-P3.6 控制数码管的位选。
1
图9：数码管显示电路
4.7 数模转换器
由于单片机输出的是数字信号，因为要得到模拟信号的波形就必须对其进行数模换。我们采用了DAC0832 数模转换器，该芯片由8 位输入锁存器、8 位DAC 寄存器、8 位D/A 转换器及转换控制电路四部分构成。由于其输出为电流输出，因为外加运算放大器OP07 使之装换为电压输出。最后通过示波器显示输出的波形。
图10：D/A转换电路
5 系统软件设计
5.1 流程图：
图11：流程图(见附件)
5.2 产生波形图
本设计将各种波形的数据通过P1.0 口和P1.1 口选择，送往在单片机的程序储存器里，通过改变信号的频率的个位，十位，百位来改变这个频率，然后计算其技术初值，开启中断，通过改变D/A 转换器输出波形。5.2.1 正弦波
图12：仿真正弦波
正弦波程序如下：
void zhengxuanbo()
{
uint k=0;
while(1)
{
P0=table[k++];
delay(t);
xianshiqi(t);
if(k==182)
{
k=0;
}
if(s5==0)
{
t=t+1;
}
if(s6==0)
{
t=t-1;
}
}
}5.2.2 三角波
产生三角波的原理：三角波产生是通过P0口将00H送入寄存器A中，DAC0832输出A中的内容，通过A中数值的加1递升，同时延时，当A中的内容为0FF时，A中的内容减1递减，从而循环产生三角波[5]。
图13：仿真三角波
三角波程序：void sanjiaobo()
{
uint j=0;
while(1)
{
P0=j;
delay(t);
j=j+1;
P0=j;
delay(t);
xianshiqi(t);
if(j==256)
{
if(j!=0)
{
j=j-1;
P0=j;
delay(t);
xianshiqi(t);
if(s5==0)
{
t=t+1;
[1] [2]