波形发生器毕业论文.docx

波形发生器毕业论文0 引言波形随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的 迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着 70 年代微处理器的 出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器 带有微处理器，因而具备了自校、自检、自和智能化方向发展。但市面上能看到 的仪器在频率精度、 带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用 的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快动故障诊断和自动波形形成和修正 等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。 在科 学研究和生产实践中，如工业过程控制， 生物医学， 地震模拟机械振动等领域常 常要用到低频信号源。 而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意， 而且 由于低频信号源所需的 RC很大；大电阻，大电容在制作上有困难，参数的精度 亦难以保证；体积大，漏电，损耗显著更是致命的弱点。一旦工作需求功能有增 加，则电路复杂程度会大大增加。随着集成电路的迅速发展， 用集成电路可很方 便地构成各种信号波形发生器。 用集成电路实现的信号波形发生器与其它信号波 形发生器相比， 其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标， 都有了很大的提高。 当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、 自动化速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程 控等低频的信号发生器成为可能。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， 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， 因此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，可以利用处理器、 A/D/和 D/A ，硬件和软件使波形发生器的功 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。 90 年代末，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。 到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现 了多种工作频率可过 GHz 的 DDS 芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展， 2003 年，Agilent 的产品 33220A 能够产生 17 种波形， 最高频率可达到 20M， 2005 年的产品 N6030A 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz。早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高 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、材料等领域的第一代高性能信号源，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，波形发生器的 性能有了飞速的提高。 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。以下给出了几种波形发生器的性能指标， 从中可以看出当今世界上重要电子 仪器生产商在波形发生器上的研制水平。 Tektronix 公司的 AWG710型, 主要技术 指标: 通道数： 2, 每通道的最高采样速率： 4GMS/s ,垂直分辨力： 8 比特, 储存 容量： 8M；横河电机公司的 AG5100 型，通道数： 2, 每通道的最高采样速率： 1GMS/s ,垂直分辨力： 8 比特, 储存容量： 8M；普源公司的 DG3121型，通道数： 2, 每通道的最高采样速率： 300MS/s , 垂直分辨力： 14 比特, 储存容量： 1M。从 中不难看出，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， 波形发生器的性能有了飞速的提高。 变得操作越来越简单而 输出波形的能力越来越强。就目前国内的成熟产品来看 , 我国目前在波形发生器 的种类和性能差距正在逐渐地缩小。1 设计要求及方案论证依据应用场合 , 需要实现的波形种类，波形发生器的具体指标要求会有所不 同。依据不同的设计要求选取不同的设计方案，通常， 波形发生器需要实现的波 形有正弦波、方波、三角波和锯齿波。有些场合可能还需要任意波形的产生。各 种波形共有的指标有：波形的频率、幅度要求，频率稳定度，准确度等。对于不 同波形，具体的指标要求也会有所差异，例如，占空比是脉冲波形特有的指标。 波形发生器的设计方案多种多样，大致可以分为三大类：纯硬件设计法、 纯软件 设计法和软硬件结合设计法。1.1 设计要求设计制作一个波形发生器， 该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由 用户编辑的特定形状波形。要求如下所示（1）具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能。（2）用键盘输入编辑生成上述三种波形（同周期）的线性组合波形，以及由基 波及其谐波（ 5 次以下）线性组合的波形。（3）具有波形存储功能。（4）输出波形的频率范围为 100Hz20kHz（非正弦波频率按 10 次谐波计算）； 重复频率可调，频率步进间隔 100Hz。（5）输出波形幅度范围 05V（峰- 峰值），可按步进 0.1V（峰- 峰值）调整。（6）具有显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度的功能。1.2 方案论证方案一： 波形发生器设计的纯硬件法早期， 波形发生器的设计主要是采用运 算放大器加分立元件来实现。实现的波形比较单一，主要为正弦波、 方波和三角 波。工作原理嗍也相对简单：首先是产生正弦波，然后通过波形变换（ 正弦波通过比较器产生方波，方波经过积分器变为三角波 ） 实现方波和三角波。在各种波 形后加上一级放大电路， 可以使输出波形的幅度达到要求， 通过开关电路实现不 同输出波形的切换，改变电路的具体参数可以实现频率、幅度和占空比的改变。 通过对电路结构的优化及所用元器件的严格选取可以提高电路的频率稳定性和 准确度。纯硬件法中，正弦波的设计是基础，实现方法也比较多，电路形式一般 有 LC、RC和石英晶体振荡器三类。 LC振荡器适宜于产生几 Hz 至几百 MHz的高 频信号；石英晶体振荡器能产生几百 kHz 至几十 MHz的高频信号且稳定度高； 对 于频率低于几 MHz，特别是在几百 Hz时，常采用 RC振荡电路。 RC振荡电路又分 为文氏桥振荡电路、双 T 网络式和移相式振荡电路等类型。其中， 以文氏桥振荡 电路最为常用。 目前，实现波形发生器最简单的方法是采用单片集成的函数信号 发生器。它是将产生各种波形的功能电路集成优化到一个集成电路芯片里， 外加 少量的电阻、电容元件来实现。 采用这种方法的突出优势是电路简单， 实现方便， 精度高，性能优越； 缺点是功能较全的集成芯片价格较贵。 实际中应用较多的单 片函数信号发生器有 MAX038最（ 高频率可达 40MHz）和 ICL8038（ 最高频率为 300kHz），方案一基本框图如图 1 所示。图 1 方案一基本框图 方案二：波形发生器设计的纯软件法 波形发生器的设计还可以采用纯软件 的方法来实现。虚拟仪器鞠使传统仪器发生了革命性的变化，是 21 世纪测试仪 器领域技术发展的重要方向。它以计算机为基础，软件为核心， 没有传统仪器那 样具体的物理结构 在计算机上实现仪器的虚拟面板， 通过软件设计实现和改变 仪器的功能。 例如用图形化编程工具 LabVIEW来实现任意波形发生器的功能： 在 LabVIEW软件的前面板通过拖放控件，设计仪器的功能面板 （ 如波形显示窗口， 波形选择按键，波形存储回放等工作界面 ） ，在软件的后面板直接拖放相应的波 形函数并进行参数设置或直接调用编程函数来设计任意波形以实现波形产生功 能；完成的软件打包后， 可脱离编程环境独立运行。 实现任意波形发生器的功能。 采用纯软件的虚拟仪器设计思路可以使设计简单、 高效，仅改变软件程序就可以 轻松实现波形功能的改变或升级。从长远角度来看，纯软件法成本较低。 软件法的缺点是波形的响应速度和精度逊色于硬件法，方案二基本框图如图 2 所示图 2 方案二基本框图 方案三：软硬件结合法软硬件结合的波形发生器设计方法同时兼具软硬件设 计的优势：既具有纯硬件设计的快速、高性能，同时又具有软件控制的灵活性、 智能性。 如以单片机和单片集成函数发生器为核心。辅以键盘控制、 液晶显示等 电路，设计出智能型函数波形发生器， 采用软硬件结合的方法可以实现功能较全、 性能更优的波形发生器， 同时还可以扩展波形发生器的功能， 比如通过软件编程 控制实现波形的存储、运算、打印等功能，采用 USB接口设计，使波形发生器具 有远程通信功能等。目前， 实验、科研和工业生产中使用的信号源大多采用此方 法来实现。综合考虑，纯硬件设计法功能较单一，波形改变困难、控制的灵活性不够， 不具备智能性， 其中由运算放大器加分立元件组成的波形发生器， 除在学生实验 训练中使用外， 基本不被采用。纯软件设计法实现简单，程序改变及功能升级灵 活，但实现的波形精度及响应速度不如硬件法高。 纯软件法主要适用于对波形精 度、响应速度要求不是很高的场合。 相比之下， 软硬件结合的方法可以设计出性 能最优、功能扩展灵活、控制智能化的新一代的波形发生器，可以满足教学、科研、工业生产等各方面对波形发生器性能有较高要求的应用场合。 本设计采用方 案三的方法软硬件设计法，其方案能够产生很好的波形，也易实现。 本次设计 所研究的就是对所需要的几种波形输出对应的数字信号，在通过 D/A 转换器和 单片机部分的转换输出一组连续变化的 05V 的电压脉冲值。在通过显示部分显 示其频率和波形。在设计时分块来做，按照波形设定， D/A 转换，51 单片机连 接，键盘控制和显示五个模块的设计。最后通过联调仿真，做出电路板成品，系 统结构框图如图 3 所示图 3 系统结构框图模块介绍：1 波形设定：对任意波形的手动设定。2 D/A 转换：主要选用 DAC0832来把数字信号转换为模拟信号，在送入单片 机进行处理。3 电流电压转换： LM324运放。4 单片机部分：最小系统。5 键盘：用按键来控制输出波形的种类和数值的输入。6 显示部分：采用液晶显示波形的频率和波形类别。2 系统硬件设计波形的产生是通过 AT89C52单片机执行某一波形发生程序，向 D/A 转换器 的输入端按一定的规律发生数据， 从而在 D/A 转换电路的输出端得到相应的电压 波形。AT89C52单片机和数模转换器件 DAC0832产生所需不同信号的低频信号源， 其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。 文中简要介绍了 DAC0832数模转换器 的结构原理和使用方法， AT89C52的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片 应用。2.1 单片机 AT89C52及接口设计AT89C52是一种低功耗、高性能 CMOS 8位微控制器，具有 8K在系统可编程 Flash 存储器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上 Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常 规编程器。在单芯片上， 拥有灵巧的 8位CPU和在系统可编程 Flash ，使得AT89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。AT89C52具有以下标准功能： 8k字节Flash ，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，两个数 据指针，三个 16 位定时器/计数器，一个 6向量2级中断结构，全双工串行口，片 内晶振及时钟电路。另外， AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持 2种软件可 选择节电模式。空闲模式下， CPU停止工作，允许 RAM、定时器 / 计数器、串口、 中断继续工作 17 。掉电保护方式下， RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一 切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。AT89C52具有如下特点： 40个引脚， 8k Bytes Flash 片内程序存储器， 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM），32个外部双向输入 / 输出（ I/O ）口，5个中 断优先级 2层中断嵌套中断， 2个16位可编程定时计数器 ,2个全双工串行通信口， 看门狗（ WD）T 电路，片内时钟振荡器，其功能引脚图如图 4所示。图 4 单片机引脚 单片机 AT89C52的接口及引脚功能1)VCC ：接+5V电源。(2) VSS：接电源地。(3) P0 口： P0口是一个 8位漏极开路的双向 I/O口。作为输出口，每位能驱动 8 个TTL逻辑电平。对 P0端口写“ 1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和 数据存储器时， P0口也被作为低 8位地址/ 数据复用。在这种模式下， P0具有内部 上拉电阻。在 flash 编程时， P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指 令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。(4) P1 口：P1 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p1 输出缓冲器 能驱动4 个TTL 逻辑电平。对 P1 端口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此 时可以作为输入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的原 因，将输出电流( IIL )。此外，P1.0和P1.2分别作定时器 /计数器2的外部计数输入( P1.0/T2 )和时器/ 计数器 2的触发输入（ P1.1/T2EX ），具体如下表所示。在 flash 编程和校验时， P1口接收低 8位地址字节， P1口引脚及其功能如表 1所示。表1 P1口引脚及其功能引脚号第二功能P1.0T2（定时器 / 计数器 T2的外部计数输入），时钟输出P1.1T2EX（定时器 /计数器T2的捕捉/ 重载触发信号和方向控制）P1.5MOS（I 在系统编程用）P1.6MISO（在系统编程用）P1.7SCK（在系统编程用）（5）P2 口：P2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P2 输出缓冲 器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P2 端口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流（ IIL ）。在访问外部程序存储器或用 16位地址读取外部数据 存储器（例如执行MOVX DPT）R时，P2 口送出高八位地址。 在这种应用中， P2 口 使用很强的内部上拉发送 1。在使用 8位地址（如 MOVX R）I 访问外部数据存储器 时，P2口输出P2锁存器的内容。在 flash 编程和校验时， P2口也接收高 8位地址字 节和一些控制信号。（6）P3 口：P3 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，p2 输出缓冲 器能驱动 4 个TTL 逻辑电平。对 P3 端口写“ 1”时，内部上拉电阻把端口拉高， 此时可以作为输入口使用。 作为输入使用时， 被外部拉低的引脚由于内部电阻的 原因，将输出电流（ IIL ）。在 flash 编程和校验时， P3口也接收一些控制信号， P3口亦作为 AT89C52特殊功能（第二功能） 使用，P3口引脚及其功能如下表 2所示。表2 P3口引脚及其功能引脚号第二功能P3.0RXD（串行输入）P3.1TXD（串行输出）P3.2INT 0 （ 外部中断 0）P3.3INT 0 （ 外部中断 0）P3.4T0（定时器 0外部输入）P3.5T1（定时器 1外部输入）P3.6WR （ 外部数据存储器写选通 ）P3.7RD （ 外部数据存储器写选通 ）（7）RST: 复位输入。晶振工作时， RST脚持续 2 个机器周期高电平将使单片 机复位。看门狗计时完成后， RST 脚输出 96 个晶振周期的高电平。特殊寄存器 AUXR地（ 址 8EH）上的 DISRTO位可以使此功能无效。 DISRTO默认状态下，复位高电 平有效。（8）ALE/PROG ：地址锁存控制信号（ ALE）是访问外部程序存储器时，锁存 低8 位地址的输出脉冲。在 flash 编程时，此引脚（ PROG ）也用作编程输入脉 冲。在一般情况下， ALE 以晶振六分之一的固定频率输出脉冲， 可用来作为外部 定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址为 8EH的SFR的第 0位置“1”，ALE操作将无效。 这一位置“ 1”，ALE 仅在执行 MOVX或 MOV指C令时有效。否则， ALE 将被微弱拉 高。这个 ALE 使能标志位（地址为 8EH的SFR的第 0位）的设置对微控制器处于外 部执行模式下无效。（9）PSEN: 外部程序存储器选通信号（ PSEN）是外部程序存储器选通信号。 当 AT89C52从外部程序存储器执行外部代码时， PSEN 在每个机器周期被激活两 次，而在访问外部数据存储器时， PSEN将不被激活。（10）EA /VPP: 访问外部程序存储器控制信号。为使能从 0000H 到FFFFH的外部 程序存储器读取指令， EA必须接 GND。为了执行内部程序指令， EA应该接VCC。 在flash 编程期间， E A也接收 12伏VPP电压。（11）XTAL1:振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。（12）XTAL2:振荡器反相放大器的输出端。AT89C52是片内有 ROM/EPRO的M单片机， 因此，这种芯片构成的最小系统简单可靠，最小系统如图 5所示图5 AT89C52最小系统单片机的时钟信号用来提供单片机内各种微操作的时间基准， 复位操作则使 单片机的片内电路初始化，使单片机从一种确定的状态开始运行。在引脚 XTAL1 和 XTAL2外接晶体振荡器或陶瓷谐振荡器， 构成了内部振荡方式。 由于单片机内 部有一个高增益反相放大器，当外接晶振后， 就构成了自积振荡， 并产生振荡时 钟脉冲。晶振通常选用 6MHZ、12MHZ、或 24MHZ。当 MCS-5l 系列单片机的复位引 脚 RST（全称 RESET出） 现 2 个机器周期以上的高电平时，根据应用的要求，复位 操作通常有两种基本形式： 上电复位和上电或开关复位。 上电复位要求接通电源 后，自动实现复位操作。上电或开关复位要求电源接通后，单片机自动复位，并 且在单片机运行期间，用开关操作也能使单片机复位。上电后，由于电容C3 的 充电和反相门的作用， 使RST持续一段时间的高电平。 当单片机已在运行当中时， 按下复位键 K后松开， 也能使 RST为一段时间的高电平， 从而实现上电或开关复 位的操作。 51 单片机的复位是由 RESET引脚来控制的，此引脚与高电平相接超 过 24 个振荡周期后， 51 单片机即进入芯片内部复位状态，而且一直在此状态下 等待，直到 RESET引脚转为低电平后，才检查 EA引脚是高电平或低电平，若为 高电平则执行芯片内部的程序代码，若为低电平便会执行外部程序。 51 单片机 在系统复位时， 将其内部的一些重要寄存器设置为特定的值， 至于内部 RAM内部 的数据则不变。2.2 D/A 转换电路的设计1 DAC0832芯片：DAC0832是 CMOS工艺制造的 8位 D/A转换器，属于 8 位电流输出型 D/A转 换器，转换时间为 1us，片内带输入数字锁存器。 DAC0832与单片机接成数据直 接写入方式，当单片机把一个数据写入 DAC寄存器时， DAC0832的输出模拟电压 信号随之对应变化。利用 D/A 转换器可以产生各种波形，如方波、三角波、正弦 波、锯齿波等以及它们组合产生的复合波形和不规则波形。2 DAC0832的主要特性参数如下：分辨率为 8 位；电流稳定时间 1us；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入； 只需在满量程下调整其线性度； 单一电源供电（ +5V +15V）； 低功耗， 200mW。3 DAC0832结构：D0D7：8 位数据输入线， TTL 电平，有效时间应大于 90ns（ 否则锁存器的 数据会出错 ） ；ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；CS：片选信号输入线（选通数据锁存器） ，低电平有效；WR：1数据锁存器写选通输入线， 负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 ILE、 CS、WR1的逻辑组合产生 LE1，当 LE1 为高电平时，数据锁存器状态随输入数据 线变换， LE1 的负跳变时将输入数据锁存；XFER：数据传输控制信号输入线， 低电平有效， 负脉冲 （脉宽应大于 500ns）有效；WR：2 DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于 500ns）有效。由 WR、1 XFER的逻辑组合产生 LE2，当 LE2为高电平时， DAC寄存器的输出随寄存器的输 入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入 DAC寄存器并开始 D/A 转换。IOUT1：电流输出端 1，其值随 DAC寄存器的内容线性变化；IOUT2：电流输出端 2，其值与 IOUT1值之和为一常数； Rfb：反馈信号输入线，改变 Rfb 端外接电阻值可调整转换满量程精度； Vcc：电源输入端， Vcc 的范围为 +5V+15V；VREF：基准电压输入线， VREF的范围为 -10V+10V；AGN：D 模拟信号地DGN：D数字信号地。DAC0832简化电路框图如图 6 所示。图 6 DAC0832 简化电路框图待转换的 8 位数字量由芯片的 8 位数据输入线 D0D7输入，经 DAC0832转 换后，通过 2 个电流输出端 IOUT1和 IOUT2输出， IOUT1是逻辑电平为 "1" 的各 位输出电流之和， IOUT2是逻辑电平为 "0" 的各位输出电流之和。 DAC0832由 8 位输入寄存器、 8 位 DAC寄存器和 8 位 D/A 转换电路组成。输入寄存器和 DAC 寄存器作为双缓冲，因为在 CPU数据线直接接到 DAC0832的输入端时，数据在 输入端保持的时间仅仅是在 CPU执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保 存此瞬间出现的数据。有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此 时对应于每一种参数需要一片 DAC0832，每片 DAC0832的转换时间相同，就可采用 DAC寄存器对 CPU分时输入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存， 进而同时产生各模拟信号。4 DAC0832与 AT89C52连接DAC0832 的数据输出方式在微机应用系统中 ,通常使用的是电压信号 ,而 DAC0832 输出的是电流信号，这就需要由运算放大器组成的电路实现转换。其 中有输出电压各自极性固定的单位性输出和在随动系统中输出电压有正负极性 的双极性输出两种输出方式。 DAC 0832 同 CPU 的连接， 微处理器与 DAC0832 之间可以不加锁存器， 而是利用 DAC0832 内部锁存器，将 CPU通过数据总线直 接向 DAC0832 输出的停留时间很短的数据保存，直至转换结束。 DAC0832 同 AT89C52 的接口如图 7 所示。图 7 DAC0832同 AT89C52连接电路2.3 按键电路设计人机交互接口的设计所谓人机交互接口，是指人与计算机之间建立联系、交互信息的输入/ 输出设备的接口。这些输入 / 输出设备主要有键盘、显示器和打印机等，他们是计算 机应用系统中必不可少的输入、 输出设备， 是控制系统与操作人员之间的交互窗 口。一个安全可靠的控制系统必须具有方便的交互功能。 操作人员可以通过系统 显示的内容，及时掌握生产情况，并可通过键盘输入数据，传递命令，对计算机 应用系统进行人工干扰，使其随时能按照操作人员的意图工作。键盘设计需要解决的几个问题 键盘是若干按键的集合，是向系统提供操作人员干预命令及数据的接口设 备。键盘可分为编码键盘和非编码键盘两种类型。 编码键盘能自动识别按下的键 并产生相应代码，以并行或串行方式发给 CPU。它使用方便，接口简单，响应速 度快，但需要专用的硬件电路。 非编码键盘则是通过软件来确定按键并计算键值。 这种方法虽然没有编码键盘速度快， 但它不需要专用的硬件支持， 因此得到了广 泛的应用。 键盘是计算机应用系统中的一个重要组成部分， 设计时必须解决下述 一些问题。按键的确认， 键盘实际上是一组按键开关的集合， 其中每一个按键就是一个 开关量输入装置。键的闭合与否，取决于机械弹性开关的通、断状态。反应在电 压上就是呈现出高电平或低电平， 若高电平表示断开， 那么低电平键闭合。 所以， 通过电平状态（高或低）的检测，便可确定相应按键是否已被按下。重键与连击的处理， 实际按键操作中，若无意中同时或先后按下两个以上 的键，系统确定哪个键操作是有效的， 完全取决设计者的意图。 如视按下时间最 长者为有效键， 或认为最先按下的键为当前的按键， 也可以将最后释放的键看成 是输入键。不过单片机控制系统的资源有限， 交互能力不强， 通常总是采用单键 按下有效，多键同时按下无效的原则。有时，由于操作人员按键动作不够熟练， 会使一次按键产生多次击键的效果，及重键的情形。为消除重键的影响， 编制程 序时可以将键的释放作为按键的结束。 等键释放电平后再转去执行相应的功能程 序，以防止一次击键多次执行的错误发生。按键防抖动技术， 键盘作为向系统提供操作人员的干预命令的接口， 以其特 定的按键代表着各种确定操作命令。 所以准确无误地辨认每个键的动作及其所处 的状态， 是系统能否正常工作的关键。 多数键盘的按键均采用机械弹性开关。 一 个电信号通过机械触点的断开、闭合过程，完成高、低电平的切换。由于机械触 点的弹性作用， 一个按键开关闭合及断开的瞬间必然伴随有一连串的抖动。 消除 按键盘抖动通常有两种方法： 硬件消抖和软件消抖。 通过硬件电路消除按键过程 中抖动的影响是一种广为采用的措施。这种做法，工作可靠，且节省机时。 硬件消抖是通过在按键输出电路上加一定的硬件线路来消除抖动，一般采用RS触发器或单稳态电路。 单稳态硬件消抖电路如图 8 所示，软件消抖则是利用延时 来跳过抖动过程。图 8 单稳态硬件消抖电路键盘的结构形式一般有两种： 独立式键盘与矩阵式键盘。 独立式键盘就是各 按键相互独立， 每个按键各接一根 I/O 口线，每根 I/O 口线上的按键都不会影响 其它的 I/O 口线。矩阵式键盘又叫行列式键盘。用 I/O 口线组成行、列结构，键 位设置在行列的交点上。例如 43 4的行、列结构可组成 16个键的键盘， 比一个 键位用一根 I/O 口线的独立式键盘少了一半的 I/O 口线。对矩阵键盘的工作过程 可分两步： 第一步是 CPU首先检测键盘上是否有键按下； 第二步是再识别是哪一 个键按下，独立式键盘如图 9 所示。图 9 独立式键盘矩阵键盘的工作方式查询工作方式 ：这种方式是直接在主程序中插入键盘检测子程序， 主程序每 执行一次，则键盘检测子程序就对键盘进行检测一次。如果没有键按下， 则跳过 键识别，直接执行其他程序；如果有键按下，则通过键盘扫描子程序识别按键， 得到按键的编码值。 然后根据编码值进行相应的处理， 处理完后再回到主程序执 行。中断工作方式：键盘中断工作方式如图 10 所示，就是中断工作方式，当有 中断的时候，就去执行扫描程序，没有中断的时候， CPU可以去做其他的事情， 这样可以提高 CPU的效率。图 10 键盘中断工作方式在本系统中设置了 5 个按键，波形选在按键与 P1.0 口连接，频率控制键分 别 P1.1 和 P1.2 口连接， 幅值增减控制键位分别接 P1.3 和 P1.4 口，实现了波形 选择和频幅控制，系统键盘实现设计图如图 11 所示。图 11 系统键盘实现设计图2.4 显示模块设计液晶模块采用的是液晶 LCD1602字符型液晶，字符型液晶显示模块是一种专 门用于显示字母、数字、符号等点阵式 LCD。相对于数码管，液晶显示屏显得更 加专业和直观，显示内容更加丰富，在通讯，仪器仪表，电子设备，家用电器等 低功耗应用系统中得到广泛的应用。目前常用 16*1，16*2 ，20*2 和 40*2 行等的 模块。 1602LCD分为带背光和不带背光两种，基控制器大部分为 HD44780，带背 光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，液晶模块如图 12 所示。图 12 液晶模块图引脚功能说明1602LCD采用标准的 14 脚（无背光）或 16 脚（带背光）接口，各引脚接口说明 如下所示:第 1 脚： VSS为地电源。第 2脚： VDD接 5V正电源。第 3 脚：VL 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时对比 度最高，对比度过高时会产生“鬼影”， 使用时可以通过一个 10K 的电位器调整 对比度。第 4 脚： RS为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存 器。第 5 脚： R/W为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 R/W共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当 RS 为低电平 R/W 为高电 平时可以读忙信号，当 RS为高电平 R/W为低电平时可以写入数据。第 6 脚：E 端为使能端，当 E端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第 714脚：D0D7为 8位双向数据线。第 15 脚：背光源正极。第 16 脚：背光源负极。LCD1602液晶显示模块直接与单片机 AT89C52相连接，1 脚接地，2 脚接电源，46 脚分别与 P1.5 P1.7 口连接， 714 脚 D0D7 分别和 51 单片机 P0.1 P0.7 口连接， LCD1602与 AT89C52连接图如图 13 所示。图 13 LCD1602 与 AT89C52连接图2.5 LM324 简介LM324 是四运放集成电路， 它采用 14 脚双列直插塑料封装， 外形如图所示。 它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图 1 所示的符号来表示， 它有 5 个引出脚，其中“+”、 “-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个 信号输入端中， Vi- （-）为反相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端 的相位相反； Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo 的信号与该输入端的 相位相同。由于 LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电 源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中， LM324管脚功能如图 14 所示。图 14 LM324 各对应管脚若 D/A 转换器输出为双极性，如图 15 所示。图 15 D/A 转换器双极性输出电路图 15 中，运算放大器 A2 的作用是把运算放大器 A1的单向输出电压转换成双 向输出电压。其原理是将 A2的输入端 通过电阻 R1与参考电压 VREF相连， VREF经 R1向 A2提供一个偏流 I 1，其电流方向与 I 2相反，因此运算放大器 A2 的输入电流 为 I 1、I 2之代数和。则 D/A 转换器的总输出电压为：U1VREFRW1 REFR1RRW2 U1)2）DnVREF 256VREF 为 DAC0832提供的参考电压， Dn' 输入的波形数据。由上两式可得：U1VREFRWRWVREFDnVREFRW ( Dn1 )(3)1 REFR1R2REF256REF 256R2R1取 R1 2R2，当 Dn' 0时，U1VREF RW ；Dn' 128 时，U1 0；Dn' 2552R2时， U1 VREF RW 。由上述分析可看出， Dn' 取不同数据时（ 0255），可得对 2R2称的双极性波形输出。再取 RW R1 ，则式（ 1）可表示为： U1 VREF （ Dn 1）128由上式可知，输出信号的幅度受 VREF 的改变而改变。DAC0832为电流输出型转换器 , 一般要求输出是