1、 目 录 第一章 绪 论 . 1 1.1 波形发生器简介 . 1 1.2 论文概述 . 1 第二章 任务与论证 . 3 2.1 任务 . 3 2.2 基本思想 . 3 2.3 方案论证及比较 . 3 第三章 电路设计与原理 . 6 3.1 ATMEGA16L 单片机简介 . 6 3.2 DAC0832 的 简介 . 9 3.3 键盘及显示的简介 . 15 3.4 本课题键盘与显示的设计方案 . 19 第四章 总体电路设计 . 20 4.1 硬件电路设计图 . 20 4.2 部分软件设计流程图 . 24 4.3 整体软件设计流程图 . 26 结 论 . 28 致 谢 . 29 参考文献 . 30
2、 摘 要 本文介绍了一种用 ATMEGA16L单片机设计的多功能波形发生器。该波形发 生器以 ATMEGA16L单片机为核心， FLASH存储器存储波形数据，通过键盘和 LED二极管显示器进行人机交换选择波形和频率。数模转换器 DAC0832单极性输出电路应用运算放大器芯片把电流转化为电压波输出，由 DAC0832的 Vref端输入来决定其输出波的幅度。将 DAC接到示波器上测出对应的波的频率。设定比较明显的整数如 1Hz、 100Hz、1KHz、 100KHz等频率选项。该多功能波形发生器只设计产生方波、三角波、锯齿波、梯形波四种波形。该机操作简单，易于实现。 关键词 : AVR 单片机 波
3、形发生器 FLASH 存储器 DAC0832 单极性输出电路 ABSTRACT This article describes the design of a multi-purpose MCU with ATMEGA16L waveform generator. The waveform generator to ATMEGA16L MCU core, FLASH memory stores the waveform data, through the keyboard and LED diode displays for human-computer exchange of waveform
4、 and frequency selection. DAC DAC0832 Application unipolar output circuit operational amplifier chip, the current into a voltage wave output from the DAC0832s Vref terminal input to determine the magnitude of the output wave. Oscilloscope to measure the DAC receives the corresponding wave frequency.
5、 Obvious set of integers, such as 1Hz, 100Hz, 1KHz, 100KHz frequency options such as. Only the design of the multi-function waveform generator produces a square wave, triangle wave, sawtooth, trapezoidal wave of four waveforms. The machine is simple, easy to implement. Keywords: AVR microcontroller
6、FLASH memory DAC0832 unipolar waveform generator output circuit第一章 绪 论 1.1 波形发生器简介 信号源有很多种，包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器 、合成信号源等。多功能波形发生器是信号源的一种，它具有信号源所有的特点和要领。一般来讲多功能波形发生器是一种特殊的信号源，综合具有其它信号源波形生成能力，因而适合各种仿真实验的需要。 波形发生器是使用最广的通用信号源，它能提供正弦波、锯齿波、方波、三角波、调变波等波形，有的还同时具有调制和扫频能力。众所周知，在基础实验中（如大学电子实验室、科研机
7、构研究实验室、工厂开发实验室等），设计一种电路，需要验证其可靠性与稳定性，就需要给它施加理想中的波形加以辨别。 如我们可使用信号源的 DC补偿功能对固态电路控制 DC的偏压电平；我们可对一个怀疑有故障的数字电路，利用信号源的方波输出作为数字电路的时钟，同时使用方波加 DC补偿产生有效的逻辑电平模拟输出，观察该电路的运行状况，而证实故障缺陷的地方总之利用任意波形发生器这方面的基础功能，能仿真基础实验室所必须的信号。 多功能波形发生器的设计思想各有千秋，有的以硬件为主，有的以软件为主，还有的是软硬件结合使用。多功能波形发生器的区别主要在于芯片的选择，算法的不同，以及软件语言的使用。 1.2 论文概
8、述 本文在借鉴前人成果的前提下，结合所涉猎的知识范围，本着提出问题，分析问题，解决问题的原 则，对该课题的理论与实物进行了详尽的阐述。在文章的第二章，就课题的目的，要求加以说明。并分析各论证方案，取长补短，确定出本文所使用的方法，思想明确。第三章中，对所涉及的元器件以图文结合的方式呈现出来，直观具体。并进一步分析各元件所使用环境，确定本文的设计思路与方向。第四章主要是电路的硬件说明，为清晰明了，文章将电路图分解成单元块，标注了相关引脚，一目了然。论文的电路图依靠 PROTEL完成，流程图使用 Smart Draw完成，正是使用了简单易懂的画图工具，才使论文图文结合，更加清晰具体。 第二章 任务
9、与论证 2.1 任务 该设计的目的是制作一个多功能波形发生器，该波形发生器能产生梯形波，三角波，方波，锯齿波。其结构示意图如图 2.1 所示 : 微 控 制 器键 盘 显 示 部 分波 形 生 成其 它 输 入 装 置波 形 输 出图 2.1 结构图 2.2 基本思想 （ 1） 具有产生梯形波、方波、三角波、锯齿波的功能。波形数据存储在 FLASH存储器中。 （ 2） 输出单极性 0 +5V的波形，主要靠 DAC0832的 Vref输入口的电压来定其输出幅度，并通过 R-2R 8位 D/A接口电路 来实现。 （ 3） 频率： 1Hz 200KHz。由改变输出采样点延时来实现周期频率值的改变。
10、（ 4） 由键盘键入选择的波形和频率，同时 LED二极管显示该系统所处的不同状态。 2.3 方案论证及比较 方案一：采用模拟分立元件或单片机压控函数发生器 MAX038，可产生正弦波、方波、三角波，通过调整外部元件可改变输出频率，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器， 参数也与外部元件有关，外接的电阻电容对参数影响很大，因而产生的频率稳定度较差、精度低、抗干扰能力低、成本也高；而且灵活性较差，不能实现任意波形以及波形运算 输出等智能化的功能。 方案二：采用锁相式频率合成方案。锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精确度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散
11、的技术，它在一定程度上解决了既要频率稳定精确，又要频率在较大范围可变的矛盾。但频率受 VCO可变频率范围的影响，高低频率比不可能做得很高，而且只能产生方波或正弦波，不能满足任意波形的要求。 方案三： 采用直接数字频率合成器（ DDS），可用硬件或软件实现。即用累加器按频率要求对相应的相位增量进行累加，再以累加相位值作为地址码，取存放于 ROM 中的波形数据，经 D/A 转换、滤波既得所需波形。方法简单，频率稳定度高，易于程控。如用软件实现，电路更简单，但对 CPU 要求较高，且不易产生较高的频率。 方案四：采用集成运算放大器 LM741与分立晶体管差分放大器构成函数波形发生器，先通过比较器产生
12、方波，再将方波通过积分器产生三角波，然后由三角波通过差分放大器产生正弦波。优点在于电路结构经典，技术资料齐全。缺点在于该方案需要大量的分立元件，使系统产生的波形稳定性差，可靠性低。 方案五：采用由低线性误差单片集成函数发生器 ICL8038通过单片机控制 D/A输出电压控制（ VCO） 频率产生波形。 ICL8038工作在 0.001Hz至 300KHz；可同时输出方波、三角波和正弦波；稳定性好，正弦波失真度在 1%以内；只需接少量的外围元件，扩展功能强大，可实现扫频输出功能。借助外部电路可实现更多功能。 方案六：采用单片机系统由软件实现方波、三角波、正弦波、锯齿波等波形信号。采用此方案对所产
13、生的波形频率等指标的调节可以由软件实现，精确度高。并可随时增加波形程序。外围结构电路少，电路器件之间的干扰减少，输出稳定，可靠性高，成本低，易于实现。 本设计是多功能波形发生器的研究，基于方案六灵活 、方便的优点，结合 ATMEGA16L芯片的功耗低、超小型、功能完整、可靠性高的优良性能， ATMEGA16L I/O口的强大驱动能力以及系统的超强处理能力，我准备在本次设计中采用方案六，以单片机为载体，即以 ATMEGA16L芯片为核心，软件编程实现波形。 第三章 电路设计与原理 3.1ATMEGA16L单片机简介 ATMEGA16L是波形发生器的核心器件。 AVR高速嵌入式单片机的高速体现在该
14、系列单片机通过在单一时钟周期内执行功能强大的指令，每 MHZ可实现 1MIPS的处理能力。 ATMEGA16L的引脚图如图 3.1所示，原理方框图如图 3.2所示。 ATMEGA16L引脚和 MCS-51系列单片机的引脚兼容，仅复位电平不同， AVR低电平复位， MCS-51高电平复位。这给用 AVR单片机替代 MCS-51单片机硬件电路带来方便 。 3.1.1 引脚说明 ATMEGA16L的引脚与 MCS-51系列单片机 8X51/8X52的引脚兼容，仅复位电平不同， AVR低电平复位， MCS-51高电平复位。这给用 AVR单片机替代 MCS-51单片机硬件电路带来方便。如 图 3.2是
15、ATMEGA16L单片机方框图。 Vcc： Vcc为供电引脚，连接到正电 源。 GND： GND为接地引脚，连接到电源地。 A口（ PA7 PA0）： A口为一个 8位双向 I/O口，每一引脚内部都有上拉电阻。 A输出口的缓冲器可以吸收 20mA的电流，因而能直接驱动 LED显示器。当 A口被用于输入且内部上拉电阻被触发时，如果 外部被拉低，则会输出电流。当使用外部 SRAM时， A口作为复用的地址 /数据和输入 /输出口。 B口（ PB7 PB0）： B口为一个 8位双向 I/O口。每一引脚内部都有上拉电阻。 B口的输出缓冲器可以吸收 20mA的电流。当 B口被用于输入且内部上拉电阻被触发时
16、，如果外部被拉低，则会输出电 流。 B口也提供后面列出的 AT90系列单片机许多特殊功能。 C口（ PC7 PC0）： C口为一个 8位双向 I/O口，每一引脚内部都有上拉电阻。 C口的输出缓冲器可以吸收 20mA的电流。当 C口被用于输入且内部上拉电阻被触发时，如果外部被拉低，则会输出电流。当使用外部 SRAM时， C口作为地址输出。 D口（ PD7 PD0）： D口为带有内部拉高的 8位双向 I/O口。 D口的输出缓冲器可以吸收 20mA的电流。当 D口被用于输入且内部上拉电阻被触发时，如果外部拉低，则会输出电流。 D口也提供后面列出的 AT90系列单片机许多特殊功能。 RESET ： RESET 为复位输入。当晶振运行时，引脚上一个两周期的低电平可对器件进行复位。 XTAL1： XTAL1为晶振反相放大器的输入端和内部时钟操作电路的输入端。 XTAL2： XTAL2为晶振反相放大器的输出端。 ICP： ICP是定时器 /计数器 1的输出捕获功能的输入引脚。 OC1B： OC1B是定时器 /计数器 1的输出比较功能 B的输出引脚。 ALE： ALE是使用外部存储器时的地址锁存器触发端。 ALE选通门被用于在第一个访问周期中将低位地 址锁存到地址锁存器中，而 PD0PD7在第二个访问周期中被用作传送数据。 图 3.1 ATMEGA16L 的引脚图
