河南理工大学本科课程设计报告
第4章 单元电路的硬件设计
硬件电路的设计决定一个系统的的功能，是设计的基础所在，而一般设计的目标：可靠，简洁，高效，优化，好的硬件电路可以给程序的编写带来极大的优势，同时使可以很好的提高该信号设计的精度和灵敏度，使整个系统工作协调有序。 4.1 硬件原理框图
对于该低频信号发生器的设计，我们采用了以AT89S52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 DA 转换输出到示波器。结构简单，思路仅仅有条，而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4-1 所示：
电源（+5V、+12V、-12V）
键 盘输 入 AT89S52 单片机 8位数码管 4个LED DAC0832 电源+12v、-12V 时钟复位 LM324
图4-1硬件原理框图
4.2 单片机 AT89S52 系统的设计
AT89S52 单片机是该信号发生器的核心，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。由于本设计功能复杂，数据处理精确，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。在单片机最小最小系统中，单片机从 P0.0-P0.7 口接收来自按键的信号，并通过 P1.0-P1.7 口输出DAC0832的8位数据，通过 DA 转换芯片最终由示波器显示输出波形；P2给锁存器74HC573送数据，P2分时送段信号和位信号。
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P3.7和P3.6分别控制送的是位还是段选信号。2个74HC573一个用来所存段选，另一个锁存位选。P3.5、P3.4、P3.3、P3.2分别是方波、锯齿波、三角波、正弦波的指示灯控制口。 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。本设计中时钟电路图如图4-2，我们选择了12MHZ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、三角波及锯齿波中每一点的延时时间为几微妙，故延时时间还要加上指令时间才能获得较大的频率波形。
C130pFX1C230pF图 4-2 时钟电路 12Mhz4.4复位电路
复位引脚 RST 通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的 S5P2，斯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。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。本设计选择了按键复位如图 4-3,在系统运行时，按一下按键，就在 RST 断出现一段高电平，使器件复位。此时 ALE、PSEN、P0、图 4-2时钟电路图P1、P2、P4 输出高电平，RST 上输入返回低电平以后，变退出复位状态开始工作。
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图 4-3 复位电路
4.5数码管电路
本设计选择了 8 位共阴极数码管如图 4-4，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电平，其它管脚接段驱动电路输出端。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段导通电流，还需根据外接电源及额定段导通电流来确定相应的限流电阻。
图 4-4 数码管电路
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先关信息。该系统中添加 两个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。利用 P3.6和P3.7 控制数码管的段选和位选。
其中2位数码管显示幅值，4位数码管显示频率，幅值是以0.1V步进显示，频率是以100HZ步进显示。
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4.6 DAC0832模数转换电路
由于单片机产生的是数字信号，要想得到所需要的波形，就要把数字信号转换成模拟信号，所以该文选用价格低廉、接口简单、转换控制容易并具有8位分辨率的数模转换器DAC0832。DAC0832主要由8位输入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换器以及输入控制电路四部分组成。但实际上，DAC0832输出的电量也不是真正能连续可调，而是以其绝对分辨率为单位增减，是准模拟量的输出。DAC0832是电流型输出，在应用时外接运放使之成为电压型输出。
根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。本设计选用直通方式。
DAC0832的数据口和单片机的P2口相连。 CSDA：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；
WR：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；
图 4-5 DAC0832电路
系统硬件设计时考虑到要求波形的频率和幅值都可调，因此有两种方案 方案一：
用按键来输入相应的波形类型、频率和幅值，然后，由单片机通过程序实现波形类型、频率和幅值的改变。
方案二：
用按键选择波形类型，设置波形的频率，但是，通过电位器调节DAC0832
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的参考电压来实现幅值的可调。
经过仔细分析发现，方案一实施起来比较困难，因为，在调节波形的频率的时候将会面临波形的点数问题，例如，一个三角波一个周期30个点，当设置的频率较低时，需要增加点数，不然波形将会失真严重，当频率较高时，为了满足频率的要求，一个周期内波形的点数又不能太多。同时，波形要实现幅值可调也要考虑点数问题，当点数太多时，如果只有0.1V在这么小的幅值里以DAC0832的分辨率根本分不出30个点。
综上所述，实现波形的幅值和频率可调都将同时影响波形一个周期内的点数，这是一个有些复杂的技术问题，相对来说，方案一通过按键实现这一功能有些复杂，不一定能实现，因此，硬件电路里综合考虑了两种方案。即系统电路既可以以方案一工作又能以方案二工作即波形频率可通过案件调节，波形幅值即可通过按键步进0.1V调节还能通过调节电位器调节DAC0832参考电压实现更多幅值的选择增加了系统的功能。选择方案只需通过一个跳线帽的位置来实现。
4.7 LM324运放电路和低通滤波电路
图 4-6 LM324运放电路和低通滤波电路
LM324的5管脚与DAC0832的（IOUT2）12管脚相连，LM324的6管脚与DAC0832的（IOUT1）11管脚相连，LM324的7管脚与DAC0832的REF（9）管脚相连.
第一级运算放大器的作用是将DAC0832输出的电流信号转化为电压信号V1，第二级运算放大器的作用是将V1通过反向放大电路-（R2/R1）倍。
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