畢業(yè)設(shè)計(jì)--at90s8515單片機(jī)多功能波形發(fā)生器的研究

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 緒 論1</p><p>　　1.1波形發(fā)生器簡(jiǎn)介1</p><p>　　1.2 論文概述1</p><p>　　第二章 任務(wù)與論證3</p><p><b>　　2.1 任務(wù)3</b&

2、gt;</p><p>　　2.2 基本思想3</p><p>　　2.3 方案論證及比較3</p><p>　　第三章 電路設(shè)計(jì)與原理6</p><p>　　3.1 AT90S8515單片機(jī)簡(jiǎn)介6</p><p>　　3.2 DAC0832的簡(jiǎn)介9</p><p>　　3.3鍵盤及顯

3、示的簡(jiǎn)介15</p><p>　　3.4本課題鍵盤與顯示的設(shè)計(jì)方案19</p><p>　　第四章 總體電路設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.1 硬件電路設(shè)計(jì)圖20</p><p>　　4.2 部分軟件設(shè)計(jì)流程圖24</p><p>　　4.3 整體軟件設(shè)計(jì)流程圖26</p><p>

4、;<b>　　結(jié) 論28</b></p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)30</b></p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本文介紹了一種用AT90S8515單片機(jī)

5、設(shè)計(jì)的多功能波形發(fā)生器。該波形發(fā)生器以AT90S8515單片機(jī)為核心，F(xiàn)LASH存儲(chǔ)器存儲(chǔ)波形數(shù)據(jù)，通過(guò)鍵盤和LED二極管顯示器進(jìn)行人機(jī)交換選擇波形和頻率。數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC0832單極性輸出電路應(yīng)用運(yùn)算放大器芯片把電流轉(zhuǎn)化為電壓波輸出，由DAC0832的Vref端輸入來(lái)決定其輸出波的幅度。將DAC接到示波器上測(cè)出對(duì)應(yīng)的波的頻率。設(shè)定比較明顯的整數(shù)如1Hz、100Hz、1KHz、100KHz等頻率選項(xiàng)。該多功能波形發(fā)生器只設(shè)計(jì)產(chǎn)生方波、三

6、角波、鋸齒波、梯形波四種波形。該機(jī)操作簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　關(guān)鍵詞: AVR單片機(jī) 波形發(fā)生器 FLASH存儲(chǔ)器 DAC0832單極性輸出電路</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　A kind of multifunctional waveform builder that bases

7、 on AT90S8515 single-chip computer is introduced in this paper. AT90S8515 single-chip computer is the focus of the project. The Flash ROM stores all of the waves’ data. We can use keyboard and LED programs to select the

8、different waves and the different frequencies. DAC0832 single pole export changes the current to the voltage to output with the chip of operation amplifier. DAC0832 Vref end import voltage value decides the export wave’s

9、 scope </p><p>　　Key words: AVR single-chip computer, Waveform builder, FLASH ROM, DAC0832 single pole export </p><p>　　第一章 緒 論</p><p>　　1.1波形發(fā)生器簡(jiǎn)介</p><p>　　信號(hào)源有很多種，

10、包括正弦波信號(hào)源、函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、合成信號(hào)源等。多功能波形發(fā)生器是信號(hào)源的一種，它具有信號(hào)源所有的特點(diǎn)和要領(lǐng)。一般來(lái)講多功能波形發(fā)生器是一種特殊的信號(hào)源，綜合具有其它信號(hào)源波形生成能力，因而適合各種仿真實(shí)驗(yàn)的需要[1]。 波形發(fā)生器是使用最廣的通用信號(hào)源，它能提供正弦波、鋸齒波、方波、三角波、調(diào)變波等波形，有的還同時(shí)具有調(diào)制和掃頻能力。眾所周知，在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中（如大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)

11、室、工廠開發(fā)實(shí)驗(yàn)室等），設(shè)計(jì)一種電路，需要驗(yàn)證其可靠性與穩(wěn)定性，就需要給它施加理想中的波形加以辨別。如我們可使用信號(hào)源的DC補(bǔ)償功能對(duì)固態(tài)電路控制DC的偏壓電平；我們可對(duì)一個(gè)懷疑有故障的數(shù)字電路，利用信號(hào)源的方波輸出作為數(shù)字電路的時(shí)鐘，同時(shí)使用方波加DC補(bǔ)償產(chǎn)生有效的邏輯電平模擬輸出，觀察該電路的運(yùn)行狀況，而證實(shí)故障缺陷的地方……總之利用任意波形發(fā)生器這方面的基礎(chǔ)功能，能仿真基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室所必須的信號(hào)[2]。 多功能波形發(fā)生器的設(shè)

12、計(jì)思想各有千秋，有的以硬件為主，有的以軟件為主，還有的是軟硬件結(jié)合使用。多功能波形發(fā)生器的區(qū)別主要在于芯</p><p><b>　　1.2 論文概述</b></p><p>　　本文在借鑒前人成果的前提下，結(jié)合所涉獵的知識(shí)范圍，本著提出問(wèn)題，分析問(wèn)題，解決問(wèn)題的原則，對(duì)該課題的理論與實(shí)物進(jìn)行了詳盡的闡述。在文章的第二章，就課題的目的，要求加以說(shuō)明。并分析各論證方案，

13、取長(zhǎng)補(bǔ)短，確定出本文所使用的方法，思想明確。第三章中，對(duì)所涉及的元器件以圖文結(jié)合的方式呈現(xiàn)出來(lái)，直觀具體。并進(jìn)一步分析各元件所使用環(huán)境，確定本文的設(shè)計(jì)思路與方向。第四章主要是電路的硬件說(shuō)明，為清晰明了，文章將電路圖分解成單元塊，標(biāo)注了相關(guān)引腳，一目了然。論文的電路圖依靠PROTEL完成，流程圖使用Smart Draw完成，正是使用了簡(jiǎn)單易懂的畫圖工具，才使論文圖文結(jié)合，更加清晰具體。</p><p><b&

14、gt;　　第二章 任務(wù)與論證</b></p><p><b>　　2.1 任務(wù)</b></p><p>　　該設(shè)計(jì)的目的是制作一個(gè)多功能波形發(fā)生器，該波形發(fā)生器能產(chǎn)生梯形波，三角波，方波，鋸齒波。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2.1所示:</p><p><b>　　圖2.1 結(jié)構(gòu)圖</b></p><p

15、>　　2.2 基本思想 </p><p>　　具有產(chǎn)生梯形波、方波、三角波、鋸齒波的功能。波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在FLASH存儲(chǔ)器中。</p><p>　　輸出單極性0 ～ +5V的波形，主要靠DAC0832的Vref輸入口的電壓來(lái)定其輸出幅度，并通過(guò)R-2R 8位D/A接口電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　頻率：1Hz～200KHz。由改變輸出采樣點(diǎn)延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)周期

16、頻率值的改變。</p><p>　　由鍵盤鍵入選擇的波形和頻率，同時(shí)LED二極管顯示該系統(tǒng)所處的不同狀態(tài)。</p><p>　　2.3 方案論證及比較</p><p>　　方案一：采用模擬分立元件或單片機(jī)壓控函數(shù)發(fā)生器MAX038，可產(chǎn)生正弦波、方波、三角波，通過(guò)調(diào)整外部元件可改變輸出頻率，但采用模擬器件由于元件分散性太大，即使使用單片函數(shù)發(fā)生器，參數(shù)也與外部元件有

17、關(guān)，外接的電阻電容對(duì)參數(shù)影響很大，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度較差、精度低、抗干擾能力低、成本也高；而且靈活性較差，不能實(shí)現(xiàn)任意波形以及波形運(yùn)算輸出等智能化的功能[3]。</p><p>　　方案二：采用鎖相式頻率合成方案。鎖相式頻率合成是將一個(gè)高穩(wěn)定度和高精確度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過(guò)加減乘除的運(yùn)算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的大量離散的技術(shù)，它在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確，又要頻率在較大范圍可變的矛盾。但頻率受VCO可變頻率范

18、圍的影響，高低頻率比不可能做得很高，而且只能產(chǎn)生方波或正弦波，不能滿足任意波形的要求。</p><p>　　方案三：采用直接數(shù)字頻率合成器（DDS），可用硬件或軟件實(shí)現(xiàn)。即用累加器按頻率要求對(duì)相應(yīng)的相位增量進(jìn)行累加，再以累加相位值作為地址碼，取存放于ROM中的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換、濾波既得所需波形。方法簡(jiǎn)單，頻率穩(wěn)定度高，易于程控。如用軟件實(shí)現(xiàn)，電路更簡(jiǎn)單，但對(duì)CPU要求較高，且不易產(chǎn)生較高的頻率[4]。 &l

19、t;/p><p>　　方案四：采用集成運(yùn)算放大器LM741與分立晶體管差分放大器構(gòu)成函數(shù)波形發(fā)生器，先通過(guò)比較器產(chǎn)生方波，再將方波通過(guò)積分器產(chǎn)生三角波，然后由三角波通過(guò)差分放大器產(chǎn)生正弦波。優(yōu)點(diǎn)在于電路結(jié)構(gòu)經(jīng)典，技術(shù)資料齊全。缺點(diǎn)在于該方案需要大量的分立元件，使系統(tǒng)產(chǎn)生的波形穩(wěn)定性差，可靠性低。 方案五：采用由低線性誤差單片集成函數(shù)發(fā)生器ICL8038通過(guò)單片機(jī)控制D/A輸出電壓控制（VCO）頻率產(chǎn)生波形。I

20、CL8038工作在0.001Hz至300KHz；可同時(shí)輸出方波、三角波和正弦波；穩(wěn)定性好，正弦波失真度在1%以內(nèi)；只需接少量的外圍元件，擴(kuò)展功能強(qiáng)大，可實(shí)現(xiàn)掃頻輸出功能。借助外部電路可實(shí)現(xiàn)更多功能。 方案六：采用單片機(jī)系統(tǒng)由軟件實(shí)現(xiàn)方波、三角波、正弦波、鋸齒波等波形信號(hào)。采用此方案對(duì)所產(chǎn)生的波形頻率等指標(biāo)的調(diào)節(jié)可以由軟件實(shí)現(xiàn)，精確度高。并可隨時(shí)增加波形程序。外圍結(jié)構(gòu)電路少，電路器件之間的干擾減少，輸出穩(wěn)定，可靠性高，成本低，易

21、于實(shí)現(xiàn)[5]。</p><p>　　本設(shè)計(jì)是多功能波形發(fā)生器的研究，基于方案六靈活、方便的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合AT90S8515芯片的功耗低、超小型、功能完整、可靠性高的優(yōu)良性能，AT90S8515 I/O口的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)能力以及系統(tǒng)的超強(qiáng)處理能力，我準(zhǔn)備在本次設(shè)計(jì)中采用方案六，以單片機(jī)為載體，即以AT90S8515芯片為核心，軟件編程實(shí)現(xiàn)波形。 </p><p>　　第三章 電路設(shè)計(jì)與原理</p

22、><p>　　3.1 AT90S8515單片機(jī)簡(jiǎn)介</p><p>　　AT90S8515是波形發(fā)生器的核心器件。AVR高速嵌入式單片機(jī)的高速體現(xiàn)在該系列單片機(jī)通過(guò)在單一時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行功能強(qiáng)大的指令，每MHZ可實(shí)現(xiàn)1MIPS的處理能力。AT90S8515的引腳圖如圖3.1所示，原理方框圖如圖3.2所示。AT90S8518引腳和MCS-51系列單片機(jī)的引腳兼容，僅復(fù)位電平不同，AVR低電平復(fù)位，

23、MCS-51高電平復(fù)位。這給用AVR單片機(jī)替代MCS-51單片機(jī)硬件電路帶來(lái)方便[6]。</p><p>　　3.1.1 引腳說(shuō)明</p><p>　　AT90S8515的引腳與MCS-51系列單片機(jī)8X51/8X52的引腳兼容，僅復(fù)位電平不同，AVR低電平復(fù)位，MCS-51高電平復(fù)位。這給用AVR單片機(jī)替代MCS-51單片機(jī)硬件電路帶來(lái)方便。如圖3.2是AT90S8515單片機(jī)方框圖。&

24、lt;/p><p>　　Vcc：Vcc為供電引腳，連接到正電源。</p><p>　　GND：GND為接地引腳，連接到電源地。</p><p>　　A口（PA7～PA0）：A口為一個(gè)8位雙向I/O口，每一引腳內(nèi)部都有上拉電阻。A輸出口的緩沖器可以吸收20mA的電流，因而能直接驅(qū)動(dòng)LED顯示器。當(dāng)A口被用于輸入且內(nèi)部上拉電阻被觸發(fā)時(shí)，如果外部被拉低，則會(huì)輸出電流。當(dāng)使用外

25、部SRAM時(shí)，A口作為復(fù)用的地址/數(shù)據(jù)和輸入/輸出口。</p><p>　　B口（PB7～PB0）：B口為一個(gè)8位雙向I/O口。每一引腳內(nèi)部都有上拉電阻。B口的輸出緩沖器可以吸收20mA的電流。當(dāng)B口被用于輸入且內(nèi)部上拉電阻被觸發(fā)時(shí)，如果外部被拉低，則會(huì)輸出電流。B口也提供后面列出的AT90系列單片機(jī)許多特殊功能。</p><p>　　C口（PC7～PC0）：C口為一個(gè)8位雙向I/O口，每

26、一引腳內(nèi)部都有上拉電阻。C口的輸出緩沖器可以吸收20mA的電流。當(dāng)C口被用于輸入且內(nèi)部上拉電阻被觸發(fā)時(shí)，如果外部被拉低，則會(huì)輸出電流。當(dāng)使用外部SRAM時(shí)，C口作為地址輸出。</p><p>　　D口（PD7～PD0）：D口為帶有內(nèi)部拉高的8位雙向I/O口。D口的輸出緩沖器可以吸收20mA的電流。當(dāng)D口被用于輸入且內(nèi)部上拉電阻被觸發(fā)時(shí)，如果外部拉低，則會(huì)輸出電流。D口也提供后面列出的AT90系列單片機(jī)許多特殊功能

27、。</p><p>　?。簽閺?fù)位輸入。當(dāng)晶振運(yùn)行時(shí)，引腳上一個(gè)兩周期的低電平可對(duì)器件進(jìn)行復(fù)位。</p><p>　　XTAL1：XTAL1為晶振反相放大器的輸入端和內(nèi)部時(shí)鐘操作電路的輸入端。</p><p>　　XTAL2：XTAL2為晶振反相放大器的輸出端。</p><p>　　ICP：ICP是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的輸出捕獲功能的輸入引腳。&l

28、t;/p><p>　　OC1B：OC1B是定時(shí)器/計(jì)數(shù)器1的輸出比較功能B的輸出引腳。</p><p>　　ALE：ALE是使用外部存儲(chǔ)器時(shí)的地址鎖存器觸發(fā)端。ALE選通門被用于在第一個(gè)訪問(wèn)周期中將低位地址鎖存到地址鎖存器中，而PD0～PD7在第二個(gè)訪問(wèn)周期中被用作傳送數(shù)據(jù)[7]。</p><p>　　AT90S8515的引腳圖</p><p>

29、　　圖3.1 AT90S8515的引腳圖</p><p>　　圖3.2 AT90S8515單片機(jī)原理方框圖</p><p>　　3.1.2 AVR Studio調(diào)試窗口</p><p>　　圖3.3為AVR Studio調(diào)試窗口。它在程序調(diào)試仿真中都會(huì)被用到。</p><p>　　圖3.3 AVR Studio調(diào)試窗口</p>

30、;<p>　　3.2 DAC0832的簡(jiǎn)介</p><p>　　模擬量輸出通道的作用是將經(jīng)智能儀器處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬量送出，它是許多智能設(shè)備（例如X-Y繪圖儀、電平記錄儀、波形發(fā)生器等）的重要組成部分。模擬量輸出通道一般有D/A轉(zhuǎn)換器、多路模擬開關(guān)、采樣/保持器等組成。D/A轉(zhuǎn)換器是由電阻網(wǎng)絡(luò)、開關(guān)及基準(zhǔn)電源等部分組成，目前基本都已集成于一塊芯片上。為了便于接口，有些D/A芯片內(nèi)還含有鎖存器。D

31、/A轉(zhuǎn)換器的組成原理有多種，采用最多的是R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器，圖3.4顯示了一個(gè)4位D/A轉(zhuǎn)換器的原理圖[8]。</p><p>　　圖3.4 R-2R梯形網(wǎng)絡(luò)D/A轉(zhuǎn)換器原理</p><p>　　由圖3.4可見(jiàn)，D/A轉(zhuǎn)換器電阻網(wǎng)絡(luò)中電阻的規(guī)格僅為R，2R兩種。UR為基準(zhǔn)電壓，它可由內(nèi)電子開關(guān)S3，S2，S1，S0在二進(jìn)制碼D=D3D2D1D0的控制下分別控制4個(gè)支路，并使電流各

32、自進(jìn)入A3，A2，A1，A0，4個(gè)節(jié)點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是：任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)的三個(gè)分支的等效電阻都是2R，因此由任一個(gè)分支流進(jìn)節(jié)點(diǎn)的電流都為I=UR/3R，并且I將在節(jié)點(diǎn)處被平分為相等的兩個(gè)部分，經(jīng)另外兩個(gè)分支流出[8]。現(xiàn)假定數(shù)字輸入D=0001，即S0被接通，S1，S2，S3斷開（如圖所示狀態(tài)），則基準(zhǔn)UR經(jīng)開關(guān)S0流入支路所產(chǎn)生的電流為I=UR/3R，此電流經(jīng)過(guò)A0，A1，A2，A3等4個(gè)節(jié)點(diǎn)，經(jīng)4次平分而得1/16×I注入運(yùn)

33、算電路，以便將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。設(shè)反饋電阻Rfb=3R，則運(yùn)算放大器輸出端產(chǎn)生的電壓:</p><p>　　U0=-I/16×3R=-1/16×UR/3R×3R=-1/24×UR （3.1）</p><p>　　根據(jù)疊加原理，可以得出D為任意數(shù)時(shí)四位D/A轉(zhuǎn)換器的總輸出電壓</p><p>　　U

34、0=-UR/24(23×D3+22×D2+21×D1+20×D0)= - (-UR/24) ×D （3.2）</p><p>　　當(dāng)UR為正時(shí)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出U0為負(fù)，反之為正[9]。 </p><p>　　3.2.1 DAC0832的特性</p><p>　　美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的DAC0832芯片是具有兩個(gè)輸入數(shù)

35、據(jù)寄存器的8位DAC，它能直接與MCS-51單片機(jī)相連接，其主要特性如下：</p><p>　　分辨率8位；電流輸出，穩(wěn)定時(shí)間為1μs；可雙緩沖、單緩沖或直接數(shù)字輸入；只需在滿量程下調(diào)整其線性度；單一電源供電（+5V～+15V）。 </p><p>　　3.2.2 DAC0832的引腳及邏輯結(jié)構(gòu)</p>

36、<p>　　圖3.5為DAC0832的引腳，DAC0832由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換電路所構(gòu)成。圖3.6為DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)圖。</p><p>　　圖3.5 DAC0832的引腳圖</p><p>　　圖3.6 DAC0832的邏輯結(jié)構(gòu)</p><p>　　DI0～DI7：數(shù)據(jù)輸入線。</p><p>

37、;　　ILE：數(shù)據(jù)允許鎖存信號(hào)，高電平有效。</p><p>　?。狠斎爰拇嫫鬟x擇信號(hào)，低電平有效。為輸入寄存器的寫選通信號(hào)。輸入寄存器的鎖存信號(hào)由ILE、、的邏輯組合產(chǎn)生。當(dāng)ILE為高電平、為低電平、輸入負(fù)脈沖時(shí)，在產(chǎn)生正脈沖；為高電平時(shí)，輸入鎖存器的狀態(tài)隨預(yù)數(shù)據(jù)輸入線的狀態(tài)變化，的負(fù)跳變將輸入數(shù)據(jù)上的信息打入輸入寄存器。</p><p>　?。簲?shù)據(jù)傳送信號(hào)，低電平有效。為DAC寄存器的

38、寫選通信號(hào)。DAC寄存器的鎖存信號(hào)，由、的邏輯組合產(chǎn)生。當(dāng)為低電平，輸入復(fù)脈沖，則在產(chǎn)生正脈沖；為低電平時(shí)，DAC寄存器的輸出和輸入寄存器的狀態(tài)一致，負(fù)跳變將輸入寄存器的內(nèi)容打入DAC寄存器。</p><p>　　VREF：基準(zhǔn)電源輸入引腳。</p><p>　　Rfb：反饋信號(hào)輸入引腳，反饋電阻在芯片內(nèi)部。</p><p>　　IOUT1、IOUT2：電流輸入引腳

39、。電流IOUT1和IOUT2的和為常數(shù)，IOUT1、IOUT2隨DAC寄存器的內(nèi)容線性變化。</p><p>　　Vcc：電源輸入引腳。</p><p>　　AGND：模擬信號(hào)地。</p><p>　　DGND：數(shù)字信號(hào)地。</p><p>　　3.2.3 DAC0832的輸出電路</p><p>　　DAC0832是

40、電流輸出型。在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，通常需要電壓信號(hào)，電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換可由運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)，原理如圖3.7所示。</p><p>　　圖3.7 DAC0832的電壓輸出電路</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器的數(shù)字量輸入端可以分為：不含數(shù)據(jù)鎖存器；含單個(gè)數(shù)據(jù)鎖存器；含雙數(shù)據(jù)鎖存器三種情況。第一種與微機(jī)接口時(shí)一定要外加數(shù)據(jù)鎖存器，以便維持D/A轉(zhuǎn)換輸出穩(wěn)定。后兩種與微機(jī)接口時(shí)可以不外加數(shù)據(jù)鎖

41、存器。第三種可用與多個(gè)D/A轉(zhuǎn)換器同時(shí)轉(zhuǎn)換的場(chǎng)合[10]。</p><p>　　D/A轉(zhuǎn)換器的輸出電路有單極性和雙極性之分。圖3.8(a)所示的電路是將一個(gè)8位D/A轉(zhuǎn)換器連接成單極性輸出方式的電路，其輸出輸入關(guān)系式為Uout=-Vref/28×D，即輸出為全正或?yàn)槿?fù)。其數(shù)字量與模擬量的關(guān)系如圖3.8(b)所示。</p><p>　　圖3.8 D/A轉(zhuǎn)換器單極性輸出電路<

42、/p><p>　　在實(shí)際使用中，有時(shí)還需要雙極性輸出，如輸出為-5V～+5V、-10V～+10V。圖3.9給出了將D/A芯片連接成雙極性輸出的電路圖，其電路原理是：基準(zhǔn)電壓Vref經(jīng)R1向A2提供一個(gè)偏流I1，A1的輸出U1經(jīng)R2向A2提供偏流I2，因此運(yùn)算放大器的輸入為偏流I1，I2之代數(shù)和。由于R1與R2的比值為2：1，因此，輸出電壓Vout與基準(zhǔn)電壓Vref及A1輸出電壓U1的關(guān)系為：</p>&

43、lt;p>　　Uout=-（2U1+Vref）。其數(shù)字量與模擬量的關(guān)系如圖3.9（b）所示</p><p>　　圖3.9 D/A轉(zhuǎn)換器雙極性輸出電路</p><p>　　在與微處理器接口時(shí)，DAC0832可以采用雙緩沖方式（雙級(jí)輸入鎖存），也可以采用單緩沖方式（只用一級(jí)輸入鎖存，另一級(jí)始終直通），或者接成全直通的形式，再外加鎖存器與微機(jī)接口，因此，這種D/A轉(zhuǎn)換器使用非常靈活方便[1

44、1]。</p><p>　　圖3.10給出了DAC0832與AVR AT90S8515單片機(jī)連接的接口方式，即直通式接口電路。這種接口方式中，DAC0832按雙極性輸出方式連接，使用了兩個(gè)運(yùn)算放大器，具體型號(hào)不限，選用μA741、LF353等均可。</p><p>　　圖3.10 DAC0832直通式接口電路</p><p>　　3.3鍵盤及顯示的簡(jiǎn)介</p&

45、gt;<p>　　人機(jī)交互單元是計(jì)算機(jī)與用戶之間實(shí)現(xiàn)信息流通的一個(gè)重要渠道。鍵盤及顯示是人機(jī)交互的重要組成部分。</p><p><b>　　3.3.1鍵盤簡(jiǎn)介</b></p><p>　　鍵盤是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備，用戶可以通過(guò)它向計(jì)算機(jī)輸入指令和數(shù)據(jù)。智能儀器普遍使用由多個(gè)按鍵組合在一起而構(gòu)成的按鍵式鍵盤。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的鍵盤按其連接方式的不同

46、，可以分為矩陣式鍵盤和非矩陣式鍵盤[12]。其中非矩陣式鍵盤的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但占用較多的I/O口，因此適用于按鍵個(gè)數(shù)較少的場(chǎng)合；矩陣式鍵盤的編程較為復(fù)雜，但為減少I/O的占用，在按鍵個(gè)數(shù)較少時(shí)，使用該方式。獨(dú)立式鍵盤即非矩陣式鍵盤，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是一鍵一線，即每一個(gè)按鍵單獨(dú)占有一條檢測(cè)線與主機(jī)相連，如圖3.11中的上拉電阻保證按鍵斷開時(shí)檢測(cè)線上有穩(wěn)定的高電平，從而很容易地識(shí)別出被按下的鍵。這種連接方式的特點(diǎn)是鍵盤結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，各線相互獨(dú)立

47、，所以按鍵識(shí)別容易。按鍵可分為單義鍵和多義鍵。單義鍵即一鍵一義，主要適于功能比較簡(jiǎn)單的儀器系統(tǒng)。多義鍵即一鍵具有兩個(gè)或兩個(gè)以上的含義，適用于功能比較復(fù)雜的儀器[13]。 </p><p>　　圖3.11 獨(dú)立式鍵盤</p><p>　　直接分析法就是根據(jù)當(dāng)前按鍵的鍵值，把控制直接分支到相應(yīng)處理程序的入口。圖3.12顯示了用直接分析法設(shè)計(jì)的鍵盤分析程序的典型結(jié)構(gòu)。</p&g

48、t;<p>　　圖3.12 直接分析法設(shè)計(jì)的鍵盤分析程序的典型結(jié)構(gòu)</p><p>　　3.3.2鍵盤的工作方式</p><p>　　智能儀器中CPU對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描時(shí)，要兼顧兩方面的問(wèn)題：一是要及時(shí)，以保證對(duì)用戶每一次按鍵都能做出響應(yīng)；二是掃描不能占用過(guò)多的時(shí)間。鍵盤有三種工作方式：編程掃描方式，中斷工作方式和定時(shí)掃描方式[14]。</p><p>　

49、　圖3.13 非矩陣鍵盤的查詢流程</p><p>　　鍵盤處理程序通常采用查詢方法來(lái)實(shí)現(xiàn)按鍵的識(shí)別，這時(shí)CPU只要一有空閑就調(diào)用按鍵掃描程序，查詢鍵盤，識(shí)別鍵值，并予以處理。非矩陣鍵盤的查詢流程如圖3.13所示。</p><p>　　鍵盤輸入信息的流程包括:</p><p>　　(a)要判斷是否有鍵按下；</p><p>　　(b)確定按下

50、是哪個(gè)鍵；</p><p>　　(c)等待按鍵釋放；</p><p><b>　　(d)返回鍵值；</b></p><p>　　(e)按鍵消抖處理。</p><p>　　3.3.3 鍵消抖及消除</p><p>　　鍵盤按鍵一般都采用觸點(diǎn)式按鍵開關(guān)。當(dāng)按鍵被按下或釋放時(shí)，按鍵觸點(diǎn)的彈性會(huì)產(chǎn)生一種抖

51、動(dòng)現(xiàn)象。即當(dāng)按鍵按下時(shí)，觸點(diǎn)不會(huì)迅速可靠地接通;當(dāng)按鍵釋放時(shí)，觸點(diǎn)也不會(huì)立即斷開，而是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的抖動(dòng)才能穩(wěn)定下來(lái)，抖動(dòng)時(shí)間視按鍵材料的不同一般在5ms –10ms之間。</p><p>　　鍵抖動(dòng)可能導(dǎo)致計(jì)算機(jī)將一次按鍵操作識(shí)別為多次按鍵，為克服這種由鍵盤抖動(dòng)所致的誤判，常采用硬件電路消除法和軟件電路消除法。即當(dāng)判定按鍵按下時(shí)，用軟件延時(shí)10ms-20ms，等待按鍵穩(wěn)定后重新再判斷一次，以躲過(guò)觸點(diǎn)抖動(dòng)期。

52、</p><p>　　3.3.4 LED顯示器</p><p>　　LED即發(fā)光二極管，是一種由某些特殊的半導(dǎo)體材料制作成的PN結(jié)，由于參雜濃度較高，當(dāng)正向偏置時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的電子-空穴復(fù)合，電子和空穴相互結(jié)合并釋放出能量，把多余的能釋放變成光能，從而輻射出光芒。發(fā)光二極管通常只能發(fā)出紅色光或黃色光，要想獲得白色光，還必須制造出能發(fā)出藍(lán)光的發(fā)光二極管。這樣，紅、黃、藍(lán)三種光“混合”后，就產(chǎn)

53、生出白光。如圖3.14為綠紅黃藍(lán)四色發(fā)光二極管。LED的正向工作壓降一般為1.2-2.6V，發(fā)光工作電流在5mA-20mA，發(fā)光強(qiáng)度基本上與正向電流成正比，故電路須串聯(lián)適當(dāng)?shù)南蘖麟娮琛?lt;/p><p>　　LED顯示器有單個(gè)，七段和點(diǎn)陣等幾種類型。單個(gè)LED顯示器常用于儀器的狀態(tài)顯示之用。LED顯示器的接口電路中，當(dāng)輸出端為低電平時(shí)，LED顯示器正向?qū)úl(fā)亮，反之則熄滅。</p><p>

54、;　　圖3.14 發(fā)光二極管</p><p>　　3.4本課題鍵盤與顯示的設(shè)計(jì)方案</p><p>　　本實(shí)驗(yàn)要求頻率為1-200KHz，所以需要有鍵盤輸入頻率。又因?yàn)殒I數(shù)比較少，因此使用非矩陣式鍵盤，且使用單義鍵。鍵盤采用軟件去抖方式。鍵盤工作方式使用編程掃描方式，不斷對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行掃描。同時(shí)，要有顯示器顯示所選頻率和所選波形。這里使用發(fā)光二極管，簡(jiǎn)單明了，方便快捷，一目了然。</p&

55、gt;<p>　　第四章 總體電路設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1 硬件電路設(shè)計(jì)圖</p><p>　　圖4.1(a) 主機(jī)電路圖</p><p>　　如上圖4.1（a）所示是該電路的核心部分，控制部分使用AT90S8515芯片，接有復(fù)位電路和晶振電路。主機(jī)電路使用8MHz晶振。</p><p>　　圖4.1(b) 鍵盤電路圖&

56、lt;/p><p>　　上圖4.1(b)所示是鍵盤圖，其中用于頻率選擇的四個(gè)鍵盤接到A口低四位，用于波形選擇的四個(gè)鍵盤接到D口高四位。</p><p>　　圖4.1(c) 顯示電路圖</p><p>　　上圖4.1(c)所示是顯示圖，接到C口，分別顯示所選頻率和波形。</p><p>　　圖4.1 (d) 數(shù)模轉(zhuǎn)換器電路圖</p>

57、<p>　　如圖4.1所示為總體多功能波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)電路圖。</p><p>　　本方案的要求是：設(shè)定用八個(gè)鍵。1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#。工作過(guò)程為：</p><p>　　該設(shè)計(jì)設(shè)定四個(gè)頻率鍵。1#按下，表示1Hz，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮；2#按下，表示100Hz，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮；3#按下，表示1KHz，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮；4#按下，表示100KHz，相應(yīng)

58、的發(fā)光二極管亮。 </p><p>　　該設(shè)計(jì)設(shè)定四個(gè)波形鍵。5#按下表示梯形波，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮；6#按下表示三角波，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮；7#按下表示方波，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮；8#按下表示鋸齒波，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮。</p><p>　　該波形發(fā)生器是以AT90S8515主機(jī)中端口A的低四位PA0—PA3和端口B的高四位作為函數(shù)數(shù)據(jù)輸出端。在這里，我只設(shè)定了固定的四個(gè)頻率，分別為1Hz

59、，100Hz，1KHz，100KHz。則端口D的高四位鍵分別代表以上頻率。當(dāng)某頻率選擇鍵按下，即選定了相應(yīng)頻率。另外，端口A的低四位PA0—PA3是波形選擇輸入端。有0H—FH共16種波形可供選擇，但這里只是編寫了方波，正三角波，鋸齒波，梯形波四種波形，因此只使用了非矩陣式鍵盤，簡(jiǎn)單地設(shè)定當(dāng)有其中一個(gè)鍵按下時(shí)，即有一種波形被選定。這里設(shè)定主機(jī)端口C的八位PC0—PC7作為輸出端口。設(shè)計(jì)中使用了簡(jiǎn)單的發(fā)光二極管，當(dāng)有頻率選定時(shí)，C端口的高

60、四位中對(duì)應(yīng)的鍵產(chǎn)生低電平，則發(fā)光二極管亮；當(dāng)有波形被選定時(shí)，C端口的低四位對(duì)應(yīng)的鍵產(chǎn)生低電平，相應(yīng)的發(fā)光二極管亮。</p><p>　　設(shè)計(jì)設(shè)置系統(tǒng)時(shí)鐘為8MHz，因?yàn)橹鳈C(jī)AT90S8515為低電平復(fù)位，這里使用了典型的AT90復(fù)位電路方式。電路中，B端口輸出波形。端口B的數(shù)據(jù)共計(jì)00H—FFH，共256組。最大為255H，最小為00H，經(jīng)由R-2R的DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出波形，若要精確轉(zhuǎn)換R-2R電阻

61、，需要精度高且溫度系數(shù)小。注意，AVR的供電電源要獨(dú)立且穩(wěn)定，一般使用專用D/A，如DAC0832轉(zhuǎn)換電路，后接運(yùn)算放大器將電流轉(zhuǎn)換成電壓。再接到示波器上進(jìn)行觀測(cè)即可。圖4.2是該設(shè)計(jì)的硬件實(shí)物圖:</p><p>　　圖4.2 硬件實(shí)物圖</p><p>　　4.2 部分軟件設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　圖4.3 頻率選擇流程</p><p&

62、gt;　　如圖4.3：讀取低四位值，判斷是哪個(gè)鍵被按下，不同的鍵賦不同的參數(shù)值，按參數(shù)值判斷頻率的選擇。</p><p>　　圖4.4 波形選擇流程</p><p>　　如圖4.4：讀取低四位值，判斷是哪個(gè)鍵被按下，不同的鍵賦不同的參數(shù)值，按參數(shù)值判斷波形的選擇。</p><p>　　4.3 整體軟件設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　圖4.5

63、多波形發(fā)生器的軟件流程圖</p><p>　　軟件流程如圖4.5。整體流程思想如下：初始化輸入端口A和D口，輸出端口B和C口，設(shè)置開中斷，設(shè)置所使用參數(shù)。該設(shè)計(jì)中鍵盤的工作方式為循環(huán)掃描，CPU一有空閑就調(diào)用鍵盤掃描程序，查詢鍵盤，其中包括鍵盤去抖動(dòng)程序，當(dāng)沒(méi)有鍵按下時(shí)，繼續(xù)執(zhí)行循環(huán)掃描程序，當(dāng)有鍵按下時(shí)，讀PD口高四位，判定是哪個(gè)頻率鍵按下，帶回相應(yīng)頻率設(shè)定值，繼續(xù)再讀PA口低四位，判定選擇哪個(gè)波形，帶回相應(yīng)波

64、形代碼。判定讀值后，調(diào)用子函數(shù)，并以參數(shù)的形式，將波形和頻率代入函數(shù)，然后將波形從PB口輸出。與此同時(shí)，從C口輸出A口低四位和D口高四位電平，低電平使相應(yīng)的發(fā)光二極管亮，以顯示所選波形與頻率。該設(shè)計(jì)的輸入與輸出簡(jiǎn)單方便，充分利用了AT90S8515單片機(jī)各端口。</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><p>　　本多功能波形發(fā)生器是基于AVR單片機(jī)（

65、AT90S8515）設(shè)計(jì)的多功能波形發(fā)生器。主要功能是產(chǎn)生很寬的頻率范圍的周期波。每種波都有FFFH種頻率輸，而且還能拓展波形存儲(chǔ)，用戶可按同樣的編程方式來(lái)加編波形。波形幅度值完全由DAC0832的Vref端的輸入電壓值來(lái)決定。而且真正充分利用了AT90S8515的I/O口的強(qiáng)外部驅(qū)動(dòng)能力，輸出數(shù)據(jù)直接從PB口送到DAC0832輸入口。DAC0832采用直通式的連接方式：實(shí)時(shí)響應(yīng)輸出。</p><p>　　另外該

66、設(shè)計(jì)還存在一定的局限性，鍵盤的設(shè)計(jì)只以簡(jiǎn)便為主而忽視了器件的擴(kuò)展空間，顯示部分也較為簡(jiǎn)易，不能顯示其他波形頻率。</p><p>　　軟件編程方面也僅編輯了固定幾個(gè)頻率的程序，其中不同頻率的延遲時(shí)間是預(yù)先計(jì)算好的，而不是經(jīng)程序計(jì)算出來(lái)的，這是論文中的不足之處。實(shí)際上，延遲時(shí)間完全可以經(jīng)公式計(jì)算出，以參數(shù)形式賦值給延遲時(shí)間，這樣就實(shí)現(xiàn)了頻率的可調(diào)。波形的種類也較為單一，應(yīng)該擴(kuò)展為任意波形。</p>&

67、lt;p>　　波形發(fā)生器應(yīng)以提高精度，增強(qiáng)性能為發(fā)展方向，連同以上所出現(xiàn)的問(wèn)題都是應(yīng)該繼續(xù)研究和思考的。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本論文是在xx老師的悉心指導(dǎo)下完成的。x老師謙虛嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度，精益求精的工作原則，始終如一的工作熱情深深地影響了我！在畢業(yè)設(shè)計(jì)期間，x老師在學(xué)習(xí)和生活方面給了我很大幫助。師者，傳道，授業(yè)，

68、解惑也！x老師當(dāng)之無(wú)愧！在此，向xx老師表示我衷心的敬意和謝意！ </p><p>　　在做畢業(yè)設(shè)計(jì)的這段日子里，我也得到了副導(dǎo)師xx老師的指導(dǎo)和支持。xxx也在多方面給予了我極大支持和幫助。有劉老師的指點(diǎn)和師兄的幫助，我真的是受益匪淺！衷心地感謝所有關(guān)心、幫助過(guò)我的老師同學(xué)們！</p><p>　　大四的這個(gè)結(jié)尾成了我的人生新的起點(diǎn)！成就了我新的精神狀態(tài)！在此，我也由衷地感謝電信學(xué)院對(duì)我

69、的多年培養(yǎng)、鼓勵(lì)與教誨!</p><p>　　最后向我的母校xx致以最崇高的敬禮！ </p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 耿德根, 宋建國(guó)等.AVR高速嵌入式單片機(jī)原理與應(yīng)用（修訂版）.北京：北京航空航天大學(xué)出版社,2002 </p><p>　　[2

70、] 趙新民.智能儀器原理及設(shè)計(jì).哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1999</p><p>　　[3] 全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì).第五界全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽獲獎(jiǎng)作品選編（2001）.北京：北京理工大學(xué)出版，2003 </p><p>　　[4] 趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，1990</p><p>　　[5] 張毅剛, 彭喜愿.MCS-51單

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