函數(shù)信號發(fā)生器是一種常用的信號源，它廣泛地應用在電子技術實驗。目前常用的函數(shù)信號發(fā)生器，一般可靠性較差，準確度較低，難以滿足科研和高精度實驗的需要?，F(xiàn)用單片機和支持軟件及其外設電路構成的智能函數(shù)信號發(fā)生器，采用編程的方法來實現(xiàn)波形，將產(chǎn)生波形的程序用子程序的形式編寫，在需要波形時再調(diào)用相應子程序，經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換、運算放大器處理后，作為該信號源輸出，其線路簡捷、功能強大、性價比較高。
1 主要芯片介紹
1.1 AT89C51單片機芯片
1.1.1 引腳圖
本文采用的單片機芯是AT89C51，它是采用高速CMOS制造工藝，通用型為40腳雙列直插封裝方式，其引腳如圖1所示。只要將+5 V電源接到VCC和VSS兩端，將晶振接到XTAL1和XTAL2兩端，給EA端加高電平控制電壓，然后將機器碼固化到AT89C51內(nèi)就可以使用了。
1.1.2 單片機基本功能
單片機基本系統(tǒng)即單片機正常工作不可缺少的部分，進行設計都要在此系統(tǒng)基礎上進行。
(1)外接晶振引腳XTAL1與XTAL2
單片機之所以要加振蕩器是因為單片機內(nèi)的CPU在執(zhí)行指定程序時，要經(jīng)過“取指”、“譯碼”，再定時給相關電路發(fā)出控制信號，以實現(xiàn)“機器碼指令”所要求的功能。這就要求內(nèi)部必須有一個基準時鐘?？赏ㄟ^外接晶振或振蕩信號二種方式來實現(xiàn)，一般采用外接晶振的方法較方便。
XTAL1(19)，XTAL2(18)為外接晶振的兩個引腳。接入晶振時，還要接入兩個20～30 pF的瓷片電容C1，C2，晶振頻率因單片機工作速度而異，Intel MCS-51系列為1.2～12 MHz，ATMEL89C系列為0～24 MHz，目前常采用6 MHz，11.059 MHz和12 MHz。石英晶振起振后，XTAL2(18)腳有一個3 V左右的正弦波。C1，C2短路、晶振不良，AT89C51(18)，(19)腳內(nèi)部反相器會損壞。VCC電源未加上等故障可能造成晶振不起振，使單片機無法工作。當采用外部振蕩器時，信號接入(19)腳，(18)腳懸浮。振蕩器的12分頻為一個機器周期，當外接12 MHz晶振時，一個機器周期為1μs。MCS-51大多數(shù)指令為一個機器周期。
(2)復位與復位電路
單片機必須進行復位，是因為單片機內(nèi)的CPU“取指”過程即為CPU從PC指針所指定的程序存儲器ROM地址單元中讀取“機器碼”的過程。單片機加電后，PC指針應指向ROM中某個固定的單元，當然，程序開始的第一條指令也應放在ROM的這一地址單元內(nèi)，這樣整個程序才能有序地執(zhí)行。這個單元就是 ROM的0000H單元。只有上電復位正常后，PC值才為0000H，即指向ROM的0000H單元。此外，專用寄存器SFR中的SP為07H，即指向片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器(片內(nèi)RAM)07H單元，P0～P3值為0FFH，其余的專用寄存器值大多為00H。
復位的方法：當振蕩器正常工作時，RST(9)腳上出現(xiàn)的兩個機器周期的高電平將使單片機有效復位?？紤]到振蕩器有一定的起振時間，該引腳必須保持 10 ms以上高電平，才能有效復位。復位電路有開機自動復位和手動復位。注意：復位信號為2個以上機器周期的高電平，單片機復位后正常工作時應該為低電平，如果未加復位電平或復位后復位電平仍未撤除，則單片機不能正常工作，此時，可檢查RST電壓及相關器件。
在掉電期問RST／VPD引腳如接入備用電源VPD(5 V±0.5 V)，則可保存片內(nèi)數(shù)據(jù)。當VCC下降到某一規(guī)定值時，VPD便向片內(nèi)RAM供電。
(3)EA／VDD片內(nèi)程序存儲器選用端
單片機復位后，PC指針可能指向片內(nèi)ROM0000H或片外ROM0000H單元，這取決于EA／VDD(31)腳外接高電平(指向片內(nèi) ROM0000H)還是低電平(指向片外ROM0000H)。AT89C51內(nèi)部有4 kB ROM，這時EA(31)腳需外接高電位VCC。
在編程期間，此引腳作編程電壓VDD的輸入端。
1.2 關于DAC0832
DAC0832是具有20條引腳的雙列直插式COMS器件，它內(nèi)部具有兩級數(shù)據(jù)寄存器，完成8位電流D／A轉(zhuǎn)換。其結構框圖及信號引線如圖2所示。
以下是其三種不同的工作方式：
(1)直通方式
將WR1，WR2，XFER，CS接地，ILE接高電平，就能使得兩個寄存器的輸出跟隨輸入的數(shù)字量變化，DAC0832的輸出也同時跟隨變化。直通方式常用于連續(xù)反饋控制的環(huán)路中。
(2)單緩沖方式
單緩沖方式就是將其中一個寄存器工作在直通狀態(tài)，另一個處于受控的鎖存器狀態(tài)。在實際應用中，如果只有一路模擬量輸出，或雖有幾路模擬量但并不要求同步輸出，就可采用單緩沖方式。
(3)雙緩沖方式
所謂雙緩沖方式就是將兩個寄存器都處于受控的鎖存方式。為了實現(xiàn)兩個寄存器的可控，應當給它們各分配一個端口地址，以便能按照端口地址進行操作。 D／A轉(zhuǎn)換采用兩步寫操作來完成。可在DAC0832轉(zhuǎn)換輸出前一個數(shù)據(jù)的同時，將下一個數(shù)據(jù)傳送到輸入寄存器，以提高D／A轉(zhuǎn)換速度。還可用于多路數(shù)模轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，以實現(xiàn)多路模擬信號同步輸出的目的。
在所設計的電路中DAC0832采用的是單緩沖方式。
2 原理概述
單片機通過擴展D／A轉(zhuǎn)換接口，結合靈活的程序可以方便地產(chǎn)生各種低頻信號。下面以正弦信號為例進行說明。
2.1 正弦波信號的產(chǎn)生原理
正弦波的產(chǎn)生比較特殊，它不能由單片機直接產(chǎn)生，它只能產(chǎn)生如圖3所示的階梯波來向正弦波逼近。
很顯然，在一個周期內(nèi)階梯波的階梯數(shù)目越多，單片機輸出的波形也就越接近正弦波。
先假定正弦波的振幅是2.56 V，則波谷對應的數(shù)字量為最小值00H，波峰對應的數(shù)字量為最大值FFH。將正弦波的第一個周期的波形按角度均分為若干等份，并計算出各點對應的電壓值，電壓值計算方法：Vx=2.5·(1+sinθ)，因為00H～FFH對應的數(shù)字量為0～255，所以根據(jù)算出的電壓就可直接寫出各點所對應的數(shù)字量。單片機將一個周期的數(shù)字量存入一定的存儲區(qū)域中，然后依次循環(huán)取出這些數(shù)字量，并送D／A電路轉(zhuǎn)換成階梯波，即近似的正弦波輸出。所輸出的正弦波的幅值可以通過D／A轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)。2.2 變頻原理
單片機產(chǎn)生的階梯逼近正弦波對應的程序中加入了軟件延時，最后再加入根據(jù)20H單元中的內(nèi)容進行延時的延時程序，那么20H單元中的內(nèi)容一變，則輸出正弦波的頻率也就發(fā)生了變化。即：就是把一個正弦信號(階梯逼近)取樣、量化、編碼，形成一個正弦函數(shù)表儲存在了ROM中。合成時改變相位增量，由于相位增量不同，則一個周期內(nèi)的取樣點數(shù)也不同，從而達到頻率合成的目的。
正弦信號本身是非線性的，而其相位是線性的，如圖4所示。
因此，每隔一段時間△t(時鐘周期)，有對應的相位變化△p，即：
p=ω△t=2πf△t
從上式可以得到合成信號的頻率f為：
3 系統(tǒng)硬件設計
其系統(tǒng)硬件原理圖如圖5所示。
3.1 單片機選擇
本系統(tǒng)中使用AT89C51單片機。電路板上的EA引腳可利用跳線接電源，也可接地。因此，在此管座上可以插AT89C51，AT80C31等芯片。
3.2 D／A轉(zhuǎn)換電路
DAC0832與單片機的連接中對主要功能信號的處理方法如下：
圖中DAC0832與AT89C51的連接方式是單緩沖方式。這種單緩沖方式是DAC0832的兩個緩沖器同時受控，將CS與XFER相連受控于 AT89C51的P2.0信號，WR1和WR2相連受控于AT89C51的WR信號，由于P2.0連至DAC0832的CS，故該片的地址為FEFFH (無關位取“1”)。
3.3 開關的功能和應用
由于本設計中要用按鍵控制波形輸出，現(xiàn)將各按鍵說明如下：
K0～K4分別與AT89C51的P1.0～P1.4相連，依次控制著鋸齒波、方波、三角波、梯形波、正弦波的產(chǎn)生。
通過對51單片機進行D／A轉(zhuǎn)換接口擴展，通過對INT0端設置按鈕改變20H單元中的內(nèi)容以調(diào)整頻率，利用中斷與查詢相結合的方式進行波形選擇，具體可以通過對P1口來設置完成。例P1.0為鋸齒波信號選擇開關，當加上電源后，自動復位電路開始工作，單片機開始工作。當K0鍵按下，即想要輸出鋸齒波時，P1.0為低電平，掃描程序調(diào)用鋸齒波子程序，產(chǎn)生的數(shù)字信號送DAC0832進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，其輸出經(jīng)運算放大電路后輸出鋸齒波。
4 軟件設計
4.1 主程序流程圖
程序流程圖如圖6所示。
4.2 正弦波的流程圖及子程序
4.2.1 流程圖
流程圖如圖7所示。
4.2.2 子程序
5 結 語
該信號源的設計是以MCS-51單片機和DAC0832為核心元件，結合較簡捷的外圍電路來構建低頻信號源。它能產(chǎn)生三角波、正弦波等5種信號，本設計采用硬件和軟件相結合，電路較傳統(tǒng)的簡單且操作方便，具有一定的參考價值。
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