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波形发生器设计制作报告


波 形 发 生 器 设 计 与 制 作 报 告
作 者:龙求望 陈锦开 罗昆 指导老师: 指导老师:聂老师

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目录

一、摘要.........................................................................................

..1 二、方案比较及论证.......................................................................1 三、设计与论证...............................................................................5 四、理论分析与计算.......................................................................6 五、总体设计框图............................................................................7 六、部分模块电路............................................................................7 七、设计所需芯片及介绍..............................................................10 八、总体设计功能图......................................................................12 九、软件设计流程图......................................................................12 十、系统调试与仿真.....................................................................15 十一、测试方法与仪器.................................................................17 十二、测试数据与分析.................................................................18 十三、心得.....................................................................................20 十四、致谢.....................................................................................21 十五、结语.....................................................................................21 十六、参考文献.............................................................................21 十七、附录 1..................................................................................22 十八、附录 3..................................................................................23

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摘要: 摘要:
本系统的设计采用宏晶的 STC89C52RC 8 位单片机作为主控器, 去控制 ADC0804 和 DAC0808 发出要求的信号, 用拨动键盘作为系统的 输入,12864 图形液晶显示器作为系统的显示部分输出系统的各种信 息(如波形类型、频率、幅度以及其他信息) 。该系统的工作过程由 键盘控制,通过键盘上的功能键将信息输入单片机,单片机将数据传 送到 ADC0804 和 DAC0808 的内部存储空间,DAC0808 根据其内部存储 空间的信息产生指定的波形, 再通过其外部的运放产生所要求产生的 波形。用 I2C 芯片(AT24C02)作为数据存储芯片完成系统信息的存 储和重要信息掉电保护。 STC89C52RC、 ADC0804、 DAC0808、 C、 I 12864 关键字:波形发生器、 、 一、 方案比较及论证
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1、主控器型号的比较与论证: 主控器型号的比较与论证:
方案一: 采用 AT89S52 作为主控器, 该单片机采用 MCS-51 内核, 方案一: 4.0V—5.5V 工作电压,8K 程序存储器,512B 数据存储器,0—33MHZ 晶振频率, 个可编程 I/O, 32 八个中断源, 三个定时器, 自带看门狗。 方案二: 方案二:采用 STC89C52RC 作为主控器,该单片机采用 MCS-51 内 核,3.8V—5.5V 的工作电压,8K 的程序存储器,512B 的数据存储器, 其中包括 1KB 的 EXTRAM,0—80MHZ 的晶振频率,32 个可编程 I/O, 八个中断源,三个定时器,四级中断、双数据指针,自带看门狗。 鉴于 STC89C52 工作电压宽, 晶振频率高, 并且有 1024B 的 EXTRAM
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可实现突然掉电时短时间的数据保护等优点,采用方案二。

2、信号产生电路的比较与论证: 信号产生电路的比较与论证: 与论证
方案一: 方案一:采用单片函数发生器(MAX038) MAX038 的性能特点: (1) 、能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波(含方波) 、正弦波 信号。 (2) 、频率范围从0.1Hz~20MHz,最高可达40MHz,各种波形的输 出幅度均为2V(P-P) 。 (3) 、占空比调节范围宽,占空比和频率均可单独调节,二者互 不影响,占空比最大调节范围是10%~90%。 (4) 、波形失真小,正弦波失真度小于0.75%,占空比调节时非 线性度低于2%。 (5) 、采用±5V 双电源供电,允许有5%变化范围,电源电流为 80mA,典型功耗400mW,工作温度范围为0~70℃。 (6)、内设 2.5V 电压基准,可利用该电压设定 FADJ、DADJ 的电 压值,实现频率微调和占空比调节。 该芯片波形及方波的占空比等都是用模拟量来控制的, 如用数字 量来控制需通过数字电位器或 D/A 芯片来转换, 这样一来控制精度就 会下降,控制起来不方便,并且价格比较昂贵,性价比不高。还有就 是给芯片自身的缺点占空比在 10%—90%,不能更好的满足题目要求。 方案二: 方案二:采用集成 DAC08081 和 ADC0804 集成芯片 利用 8 位 D/A 转换器 DAC0808,可以将 8 位数字量转换成模拟量
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输出。 数字量的输入范围为 0-255 之间, 对应输出的模拟量在 VREF- 到

VREF+ 之间。根据这一特性,我们可以很好的利用单片机的并行口输
出得数字量,从而产生我们想要的波形。如在 VREF+端串接一电位器, 调节 VREF 的电压,即可达到调节波形幅度的目的。利用 A/D 转换器 ADC0804,通过调节输入转换的模拟电压值,从而产生 8 位二进制数 作为延时函数,通过电位器即可控制输出波形的频率。 鉴于 DAC0808 和 ADC0804 应用广泛,性能稳定、价格低廉、性价 比高等诸多优点,因此采用方案二。

3、键盘的选择与论证: 键盘的选择与论证:
方案一: 方案一:采用 138 译码器实现键盘

电路如上图:该方案优点为占用 I/O 较少,缺点为扫描次数多, 占用较多的处理时间。 方案二: 位拨动键盘,电路如下图: 方案二:采用 4 位拨动键盘,电路如下图:

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该方案优点为电路简单,占用较少的 I/O 口,可以节约很多 I/O 的资 源。 结合电路设计,为了节约 I/O 口的资源,使电路更加紧凑简单, 所以选择方案二。

4、屏幕的选择与论证
方案一: 方案一:采用 LED(数码管)做显示电路,LED (数码管)具有 高亮度,高刷新率的优点,能提供宽达 160 °的视角,可以在较远 的距离上看清楚并且经济耐用。但是它的显示存在信息量少,显示不 直观,不易理解的缺点。 方案二: 方案二:采用 LCD12864 图形液晶显示,LCD12864 图形液晶可以 根据送入的数据来显示各种图案、文字、字符等,不但可以指示当时 波形、频率、占空比,还可以显示相应的控制命令,信息量丰富且直 观易懂。另外,液晶显示有功耗低,体积小,质量轻,寿命长,不产
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生电磁辐射污染等优点。 综合二者的优缺点, 以及本系统要显示较多的信息, 选用方案二, 用 LCD 12864 图形液晶来显示。 相关电路连接图以及显示信息如下:

二、设计与论证
(一)、本作品要实现的是各个波形的基本输出,如输出方波、三角 、 波、正弦波以及任意波性。这些波形的实现步骤大致如下:对于方波 的实现方法可以是连续输出一个数,当达到某个值时改变一下这个 值,值的定义可以为正极性,也可以为负极性;对于三角波的实现方 法可以是先加后减, 可以从 00H 开始加 1 直到溢出后开始执行减 1 操 作,就这样不断的调用这个循环便可实现三角波波的产生;对于正弦 波的实现过程则相对复杂些,具体过程是通过定义一些数据,然后在 执行时直接输出这些已定义的数据便可; 对于任意波形的实现则可以
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通过其他基本波形的组合。 (二)、通过 P1 口和开关 k1—k4 相连接来控制各个波形的输出,根 据 k1—k4 键的状态来实现波形的切换,开关向上接“1”则有波形输 出,开关向下接“0”则无波形输出。例如:k1 向上拨,k2-k4 向下 拨,则有方波产生,k2 向上拨,k1、k3、k4 向下拨则产生任意波形, 依次类推便可以产生三角波和正弦波。

三、理论分析与计算
、理论分析 (一) 理论分析 、
本系统采用 STC89C52RC 单片机作为主控器,对整个系统进行控 制,并驱动液晶显示器和键盘,键盘采用 4 位拨动键盘作为系统的输 入。由单片机对 ADC0804 和 DAC0808 来进行控制,运放对 ADC0804 和 DAC0808 输出地波形进行滤波和整形是电路产生较标准的方波、三角 波和正弦波。

(二)、理论计算
对于信号的产生可用 8 位 D/A 转换器 DAC0808,它可以将 8 位数字量 转换成模拟量输出。数字量的输出范围在 0-255 之间,所对应的模拟 量输出的范围在 VREF-到 VREF+之间。 例如要产生幅度为 0-5V 的三角波, 只需将 DAC0808 的 VREF-接地,VREF+接+5V,单片机的并行口首先输出 00H,再输出 01H、02H,这样一直加 1 直到溢出后再执行减 1 操作, 不断循环次过程,输出端就可以输出 0-5V 的三角波。

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四、总体设计框图 总体设计框图

其他电路

ADC0804 芯片

液晶显示

STC89C52 主控芯片
DAC0808 芯片

运 放 电 路

波形显示 指示电路 开关控制电路

图 1 总体设计框图

五、部分模块电路
(一)、D/A 转换电路

图 2 D/A 转换电路

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该模块利用 8 位 D/A 转换器 DAC0808,可以将 8 位数字量转换成 模拟量输出。数字量的输入范围为 0-255 之间,对应输出的模拟量在

VREF- 到 VREF+ 之间。从而实现了数字量到模拟量的转换。 (二)、单片机控制及指示电路

图 3 单片机控制及指示电路 该模块利用单片机来对输出的波形进行有效的控制, 选择不同的 拨动键盘时指示灯则显示相应的波形指示。

(三)、波形频率设定电路

图 4 波形频率设定电路
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该模块主要对输出波形的频率进行设定和调节,通过 A/D 转换器 件 ADC0804 来调节输入转换的电压值, 从而产生 8 位二进制数作为延 时函数,使用电位器 RV2 来调节输出波形的频率。

(四)、电源电路

图 5 正负 15 伏电源电路

图 6 5 伏电源电路 该模块主要实现对所设计的电路提供有效的电压值, 从而使电路能够 正常有效的工作。

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六、设计所需芯片及介绍
芯片介绍: (一)、ADC0804 芯片介绍:
ADC0804 是一种 8 位 CMOS 逐次逼近型的 A/D 转换器, 三态锁定 输出,存取时间大约为 135us,8 位分辨率,转换时间大约为 100us, 总误差位正负 1LSB, 工作温度区间为 0oC-70OC,其引脚及说明见下图。

图 7 ADC0804 引脚图 1)/CS 芯片选择信号。 2)/RD 外部读取转换结果的控制输出信号。/RD 为 HI 时, DB0~DB7 处理高阻抗:/RD 为 LO 时,数字数据才会输出。 3)/WR: 用来启动转换的控制输入, 相当于 ADC 的转换开始 (/CS=0 时) 当/WR 由 HI 变为 LO 时, , 转换器被清 除: 当/WR 回到 HI 时, 转换正式开始。 4)CLK IN,CLK R: 时钟输入或接振荡无件(R,C)频率

约限制在 100KHZ~1460KHZ,如果使用 RC 电路则其振荡频率 为 1/(1.1RC) 5)/INTR:中断请求信号输出,低地平动作.
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6)VIN(+)

VIN(-)

:差动模拟电压输入.输入单端正电压时, VIN(-).

VIN(-)接地:而差动输入时,直接加入 VIN(+) 7)AGND和DGND:模拟信号以及数字信号的接地。 8)VREF:辅助参考电压。 9)DB0—DB7:8位数字的输出。 10)VCC:电源供应以及作为电路的参考电压。 (二)DAC0808芯片介绍: DAC0808芯片介绍: 芯片介绍

DAC0808是8分辨率的D/A转换集成芯片,它由8位输入锁存器,8 位DAC寄存器,8位D/A转换电路以及转换控制电路构成。其电流建立 时间大约为150ns,8位分辨率。其引脚及定义见下图。

图 8 DAC0808 引脚图 1)/CS:片选信号输入线,低电平有效。 2)VREF+和 VREF_:辅助参考电压。 3)IOUT:电流输出端。
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4)VEE:负电源输入端。 5)COMP:与 VEE 之间接电容 (R14=5K 时, R14 为 14 引脚的外接电阻) ( , 一般为 0.1uF,电容必须随着 R14 的增加而适当的增加。 ) 6)A1—A8:8 位并行数据输入端。 (A1 为最高位,A8 为最低位)

七、总体设计功能图

波形发生器设计

错误!未指定书签。错误!未指定书签。 错误!未指定书签。错误!未指定书签。

K1 键 方 波

K2 键 任 意 波

K3 键 三 角 波

K4 键 正 弦 波

图 9 总体设计功能图

八、软件设计流程图
(一)、方波的产生过程
要实现方波的输出,只需开始是设置一个初值然后直接输出这个 初值就行了,输出一段时间后,然后再重新设置一个数据,然后再输 出这个数据一段时间,但此时的时间一定要等于前面的那段时间,这
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样才是方波的输出。





循环开始

给 P0 赋值 0x00

延时

给 P0 赋值 0xff 延时

判断按键是否为 0
图 10 方波产生流程图

(二)、三角波的产生过程
三角波的实现是设置一个初值,然后进行加 1 操作,当加到某 个值是再进行减 1 操作。 可以从 00H 开始加 1 直到溢出后开始执行减 1 操作,就这样不断的调用这个循环便可实现三角波波的产生。

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图 11 三角波产生流程图

(三)、正弦波的产生过程
正弦波的的实现方法则相对比较复杂,具体过程是通过定义一 些数据,然后在执行时直接输出这些已定义的数据便可。

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图 12 正弦波产生流程图

九、系统调试与仿真
、调试与仿真 (一) 调试与仿真: 、调试与仿
本设计主要应用了 protues 和 keil C 进行系统的设计与仿真, 经过仿真后,效果比较好。示波器可以输出正确的方波、任意波、三 角波和正弦波,并且所输出波形的幅度和频率均可调。

(二)、仿真结果: 仿真结果:
各种波形仿真结果如下:

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图 13 方波仿真结果

图 14 三角波仿真结果
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图 15 正弦波仿真结果

图 16 任意波形仿真结果

十、测试方法与仪器
(一)、测试方法 将作品输出端正确接入示波器中,通过选择不同键位来输出不同
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的波形,然后观察所输出的波形以及波形的幅度和频率。通过调节电 位器 RV1 和 RV2 来改变所输出波形的幅度和频率。 观察所得的数据是 否与题目所要求的值相符合,并与实验室给出的波形发生器进行比 较。

(二)、测试仪器
示波器一台、信号发生器一台、数字万用表一台、导线若干。

十一、 十一、测试数据与分析
(一)、测试数据: 测试数据:
经过反复实验, 我们用 STC89C52RC 八位单片机和 ADC0804 和 DAC0808 芯片,基本上完成了题目所要求的部分实现功能: ⑴ 方波 ① 信号频率:80Hz 至 535Hz 步进调整,步长为 100Hz。 ② 频率稳定度:优于 10-4。 ③ 非线性失真系数:≤3%。 ④ 方波的幅度可步进调整,调整范围为 0mV 至 10V,步长 为 100 mV。 (2)、能够产生任意波形,且频率和幅度均可调。 (3)三角波 ① 信号频率:124Hz 至 19.8kHz 步进调整,步长为 95Hz。 ② 频率稳定度:优于 10-4。 ③ 非线性失真系数:≤3%。 ④ 三角波的幅度可步进调整,调整范围为 0mV 至 10V,步
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长为 100 mV。 (4)、正弦波 ① 信号频率:142Hz 至 54Hz 步进调整,步长为 97Hz。 ② 频率稳定度:优于 10-4。 ③ 非线性失真系数:≤3%。 ④ 正弦波和脉冲波的幅度可步进调整,调整范围为 0mV 至 5V,步长为 100 mV。 (5)、具有波形显示功能,用发光二极管的亮灭指示来显示 所输出波形的类型。 (6)具有稳幅输出功能,当负载变化时,输出电压幅度变化 很微小,能在误差允许的范围内。 (7)能够产生多次特定波形的射出。 (8)能够产生三种波形的线性组合波形。

(二)、测试结果分析: 测试结果分析:
在这次电子设计竞赛中,我们的作品所得的结果不是特别明显, 对此我觉得我们可能使在某些硬件或软件的设计存在不当的地方, 或 者是由于在焊接电路是由于不小心造成电路的错接, 因此我们就可能 出现的原因做以下分析: (1)、由于方案的选择没有达到最优方案,或是在方案的某些核 心电路的设计上没有达到尽善尽美的电路,甚至会出一些小的差错, 从而使所设计的电路只能满足题目中的某些要求, 和题目的要求产生 一定的偏差。
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(2)、对于软件的设计可能也有一些不合理的地方,比如说没有 达到最优化的效果,使得程序有一定的冗余,从而造成不必要的资源 浪费和没有达到题目的要求。 (3)、由于对知识的系统掌握还不够熟练,使得本设计的液晶显 示部分、 波形存储部分的程序和 D/A 及 A/D 转换部分的程序产生干扰, 从而使波形不能够正常的输出,为了不影响本设计的整体效果,因此 将液晶显示部分和波形存储部分电路给省略掉了。在以后的设计当 中,还需掌握更多更系统的知识,已解决这部分别的问题。 (4)、 由于 PCB 板的布局布线的不当或是在硬件调试测试方法的 不科学,也有可能影响到设计的效果。这在以后的学习和制作过程中 我们会更加注意这方面的操作习惯, 以培养我们合理科学的动手调试 和测试的能力。

十二、 十二、心得
自始自终我们团队都本着以科技创新, 迎难而上的精神来参见本 次竞赛,在这四天的设计当中,我们碰到许多问题,使我们认识到处 理问题可以用多方法、多角度地处理。使我们不仅增强了实践能力和 协作精神,而且懂得了联系实际的重要性,这对我们今后的学习和工 作是不无裨益。在整个作品的制作过程中,我们在团队的分工、以及 团队协作方面都做得很好。都发挥出每一个队员的优势,充分体现出 了“电子设计竞赛”中团队协作的精神,我们这种取每个人之所长的 分工方式,尽量发挥出每一个队员的优势,使我们的工作能够顺利、 有序的开展。当然,我们的设计受到时间、地域和价格的限制,还有
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可以改进的地方,希望能在将来设计中进一步功能扩充。在此恳请各 位老师批评指正。

十三、 十三、致谢
该报告将 STC89C52RC 单片机、A/D 转换器件 ADC0804 和 D/A 转 换器件 DAC0808 相结合, 给出了作品的整体硬件设计和相应的软件流 程图,能较好的实现其功能。值此之际,我们团队衷心感谢校教务处 及学院老师和同学们的支持与帮助。对赵行知老师、孙向荣老师和聂 思敏老师的指导、帮助和支持表示衷心的感谢,团队的每一步成长都 离不开他们的指引。感谢各位专家、评委的批评指正。

十四、 十四、结语
随着新科技、新材料、新器件的不断涌现,波形发生器作为一种 常用的信号源,将广泛的应用于电子电路、制动控制系统和教学实验 等领域额。 本设计是将单片机作为主控芯片所构成的波形发生器可以 产生方波、 三角波和正弦波等多种波形, 并且波形的幅度和频率可调, 具有线路简单、结构紧凑和性价比高等优点。

参考文献
1、 《单片机 C 语言编程与实例》 赵亮 侯国瑞 2、 《单片机语言 C51 应用实战集锦》 范凤强 3、 《集成运放应用电路设计 360 例》 王昊 李昕 人民邮电出版社 电子工业出版社 电子工业出版社

4、 《单片机电路设计、分析与制作》 周润景 机械工业出版社 5、 《51 单片机 C 语言教程》 6、 《电子技术基础》 康华光 郭天祥 电子工业出版社

高等教育出版社
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7、 《数字电子技术》 江晓安 西安电子科技大学出版社 8、 《电子线路 CAD 实用教程》 潘永雄 西安电子科技大学出版社

波形发生器电路总设计原理图: 附录 1:波形发生器电路总设计原理图:

程序代码: 附录 2:程序代码:
#include<reg52.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int sbit SQU_K=P3^4; sbit WAN_K=P3^5; sbit TRI_K=P3^6; sbit SIN_K=P3^7; sbit SQU_L=P1^0; sbit WAN_L=P1^1; sbit TRI_L=P1^2; sbit SIN_L=P1^3;
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sbit INTad=P3^3; sbit CS=P3^0; sbit W_R=P3^2; //使能端 //写端口

sbit R_D=P3^1; //读端口 uchar code sin_tab[]={0,0,0,0,1,1,2,3,4,5,6,8, 9,11,13,15,17,19,22,24, 27,30,33,36,39,42,46,49, 53,56,60,64,68,72,76,80, 84,88,92,97,101,105,110,114, 119,123,128,132,136,141,145,150, 154,158,163,167,171,175,179,183, 187,191,195,199,202,206,209,213, 216,219,222,225,228,231,233,236, 238,240,242,244,246,247,249,250, 251,252,253,254,254,255,255,255,}; //延时函数 //{ // while(time!=0) // { // // // uint i; for(i=0;i<100;i++) time--;
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// } //} //读 ADCO0804 子程序 uchar adc0804(void) { uchar dat,i; R_D=1; W_R=1; INTad=1; P2=0xff; CS=0; W_R=0; W_R=1; while(INT1==1); R_D=0; i=i; dat=P2; R_D=1; CS=1; return(dat); } //方波发生函数
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void square() { uchar a,b; for(a=0;a<127;a++) { P0=0xff; P2=0xff; b=adc0804(); b=~b; while(b--); } for(a=0;a<127;a++) { P0=0; P2=0xff; b=adc0804(); b=~b; while(b--); } } //锯齿波发生函数 void sawtooth()
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{ uchar a,b; for(a=0;a<127;a++) { P0=0; P2=0xff; b=adc0804(); b=~b; while(b--); } } //三角波发生函数 void triang() { uchar a,b; for(a=0;a<254;a=a+2) { P0=a; P2=0xff; b=adc0804(); b=~b; while(b--);
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} for(a;a>1;a=a-2) { P0=a; P2=0xff; b=adc0804(); b=~b; while(b--); } } //正弦波发生函数 void sinwave() { uchar a,b; for(a=0;a<92;a++) { P0=sin_tab[a]; P2=0xff; b=adc0804(); b=~b; while(b--); }
27

for(a=a-1;a>0;a--) { P0=sin_tab[a]; P2=0xff; b=adc0804(); b=~b; while(b--); } } //主函数 void main() { P1=0xff; P1=0xff; P2=0xff; while(1) { P0=0; if(SQU_K==0) { SQU_L=0; square();
28

} SQU_L=1; if(SAW_K==0) { SAW_L=0; sawtooth(); } SAW_L=1; if(TRI_K==0) { TRI_L=0; triang(); } TRI_L=1; if(SIN_K==0) { SIN_L=0; sinwave(); } SIN_L=1; } }
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