河南城建学院本科毕业设计（论文） 系统硬件方案的设计
2. 系统硬件方案的设计
2.1. 方案的选择与论证
方案一：采用单片函数信号发生器（如8038），8038可同时产生正弦波、方波等，而且方法简单易行，用D/A转换器的输出来改变调制电压，也可以产生实现数控调整频率，但产生的信号的频率稳定度不高。
方案二：采用锁相式频率合成器，利用锁相环，将压控振荡器（VCO）的输出频率锁定在所需频率上，该方案性能良好，但难以达到输出频率覆盖系数的要求，且电路复杂。
方案三：采用单片机编程的方法来实现。该方法可以通过编程的方法来控制信号波形的频率和幅度，而且在硬件电路不变的情况下，通过改变程序来实现频率的变换。此外，由于通过编程方法产生的是数字信号，所以信号的精度可以做的很高。
鉴于方案一的信号频率不够稳定和方案二的电路复杂且频率覆盖系数难以达标等缺点，所以决定采用方案三的设计方法。它不仅采用软硬件结合，软件控制硬件的方法来实现，使得信号频率的稳定性和精度的准确性得以保证，而且它使用的几种器件都是常用的元器件，容易得到，且价格便宜，使得硬件的开销达到最省。
2.2. 系统总体设计
经过考虑，确定方案如下：利用AT89C51单片机采用程序设计方法产生锯齿波、三角波、正弦波、方波四种波形，再通过D/A转换器将数字信号转换成模拟信号，滤波放大，最终由示波器显示出来。通过按键来控制四种波形的类型选择、频率变化，最终输出显示其各自的类型以及数值。硬件设计的总体框图如图2-1所示。
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时钟与复位电路 按键电路
单片机控制电路 数码管显示电路 D/A转换电路 图2-1 硬件设计总体框图
波形输出 2.3. 单片机最小系统设计
用89C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，89C51单片机最小系统如图2-2所示。由于集成度的限制，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。
图2-2 89C51单片机最小系统
其应用特点：
1有可供用户使用的大量I/O口线。 ○
2内部存储器容量有限。 ○
3应用系统开发具有特殊性。 ○
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4典型的MCS-51单片机芯片集成了以下几个基本组成部分： ○
1) 一个8位的CPU
2) 128B或256B单元内数据存储器（RAM） 3) 4KB或8KB片内程序存储器（ROM或EPROM） 4) 4个8位并行I/O接口P0~P3 5) 两个定时/计数器
6) 5个中断源的中断管理控制系统
7) 一个全双工串行I/O口UART（通用异步接收、发送器） 8) 一个片内振荡器和时钟产生电路
2.4. 复位与时钟电路设计
2.4.1. 时钟电路设计
单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到：内部振荡方式和外部振荡方式。 在引脚XTAL1和XTAL2外接晶体振荡器（简称晶振），就构成了内部振荡方式。由于单片机内部有一个高增益反向放大器，当外接晶振后，就构成了自激振荡器，并产生振荡时钟脉冲。晶振通常选用6MHZ、12MHZ或24MHZ。内部振荡方式如图2-3所示。图中电容C1、C2起稳定振荡频率、快速起振的作用。电容值一般为5～30pF。内部振荡方式所得时钟信号比较稳定，实用电路中使用较多。
外部振荡方式是把已有的时钟信号引入单片机内。这种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持一致。外部振荡方式电路如图2-4所示。
对HMOS的单片机（8031，8031AH等），外部时钟信号由XTAL2引入；对于CHMOS的单片机（8XCXX），外部时钟信号由XTAL1引入。
C1C2悬空外部时钟XTAL1XTAL2GND悬空XTAL1XTAL2GNDCMOSXTAL1XTAL2GND
图2-3 内部振荡方式
外部时钟HMOS
图2-4 外部振荡方式
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2.4.2. 复位电路设计
单片机的复位是靠外电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲（2个机器周期）以上的高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，通常是RST引脚保持10ms以上的高电平，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。复位电路连接如图2-5所示。此电路仅用一个电容及一个电阻。系统上电时，在RC电路充电过程中，由于电容两端电压不能跳变，故使RESET端电平呈高电位，系统复位。经过一段时间，电容充电，使RESET端呈低电位，复位结束。
+5V C3 R1 89C51
图2-5 复位电路
2.5. 波形产生模块设计
由单片机采用编程方法产生三种波形、通过DA转换模块DAC0832在进过滤波放大之后输出。其电路图如图2-6所示：
图2-6 波形产生电路
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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通过反向放大电路放大-（R2/R1）倍。
在第二个运算放大器的输出端连了一个20K的电位器。通过电位器来调节波形振幅的大小，同时在输出端接到示波器的输入端，通过示波器观察产生的波形。
2.6. D/A转换电路设计
2.6.1. D/A转换器指标
1分辨率：输出模拟电压应能区分0～2n-1共2n个输入数字量。表示方法： ○
1）用输入二进制数的位数表示；如8位。
2）用输出模拟电压的最小值与最大值的比值表示。指最小输出电压和最大输出电压之比。DAC0832的分辨率为1/255。
2精度：DAC○
实际输出电压与理想的输出电压的偏差。DAC0832的最大满刻实际传输特性曲线与理想的传输特性曲线的偏差。DAC0832
度偏差为+1LSB 。
3线性度：DAC○
的最大误差为+0.19% 。
4温度灵敏度：在输入不变的情况下，输出模拟电压随温度变化产生的变化○
量。一般用满刻度输出条件下温度每升高1℃，输出电压变化的百分数作为温度系数。
5转换速度：用完成一次转换所需的时间——建立时间○
Tset来衡量。建立
时间：输入信号从开始变化到输出电压进入与稳态值相差1/2LSB范围以内的时间。输入信号由全0变为全1所需时间最长。当外接运放时，转换时间还应加上运放的上升（下降）时间。
TTR?max??ts?VO?max?SR （2—1）
式中TTR?max?为转换时间 ，ts为建立时间，Vo?max?输出最大电压值，SR为运放输出转换速率。
2.6.2. D/A转换的原理
以倒T形电阻网络D/A转换器为例，介绍D/A转换器的原理。倒T形电阻网络D/A转换器结构如图2-7所示。
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