波形发生器的设计波形发生器的设计 摘 要 各种各样的信号是通信领域的重要组成部分，其中正弦波、三角波和方波等是较为常见的信号。在科学研究及教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。为了实验、研究方便，研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。本文介绍的是利用AT89C51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，AT89C51的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片。根据对课程设计的要求，文中着重介绍了如何利用单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。信号频率幅度也按要求可调。本次关于产生不同低频信号的信号源的设计方案，不仅在理论和实践上都能满足实验的要求，而且具有很强的可行性。该信号源的特点是：体积小、价格低廉、性能稳定、实现方便、功能齐全。
关键词：AT89C51单片机 ，DAC0832转换器，信号源
信号发生器是一类非常重要的电子仪器，在做实验、进行产品研制和调试以及系统测试中都是必不可少的，而一般的信号发生器是由硬件组成的，它的输出频率范围宽，各项指标高，性能优良，因而在对输出波形要求较高的地方被广泛采用。这种仪器的缺点是电路复杂，成本高，输出波形种类不多，不够灵活。在对波形指标要求不高、频率要求较低的场合，可以用单片机构成一个波形发生器，产生所需要的各种波形．这样的函数发生器靠软件产生各种波形，小巧灵活，便于修改，且成本低廉，容易实现。但受单片机工作频率的限制，它所构成的波形发生器的输出频率较低，各项指标也都不太高，只能用于对波形要求不高的场合。 2 系统主要硬件设计 2.1硬件电路构成本电路的核心部件是 AT89C51 单片机, 此芯片是美国 ATMEL公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机, 具有丰富的内部资源:4kB闪存、 128BRAM、 32 根 I/O口线、 2 个 16 位定时 / 计数器、 5 个向量两级中断结构、 2 个全双工的串行口, 具有 4.25～5.50V的电压工作范围和 0～24MHz工作频率, 使用 AT89C51 单片机时无须外扩存储器。另一主要部件是 DAC0832, 此芯片是 8 位分辨率 D/A转换集成芯片,与处理器完全兼容, 其价格低廉, 接口简单, 转换控制容易等优点, 因此在单片机应用系统中得到了广泛的应用。KA324 是四路独立的集成差分放大器。
图l 波形发生器的电路图 2.2 AT89C51单片机由图2可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。下面介绍几个主要部分。
图2 AT89C51 功能方块图 1．管脚说明 ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装形式。AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。 VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。 P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 3．振荡器特性： XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 4．芯片擦除： 整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 DAC0832芯片是8位D/A转换器芯片，转换时间为1 us。DAC0832输出为电流信号，因此需要外接运算发大器，才能得到模拟的电压输出。其内部哟两级锁存器：第一级为输入锁存器，第二级为DAC寄存器。由于芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现模拟信号的输出，同时还可以采集下一个数据，以便适于各种电路的需要，这样可以有效的提高转速和效率。
图3 D/A转换电路图 2.4 时钟电路的设计XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。 因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us[5]。如图4所示为时钟电路。
图4 时钟电路图 2.5 复位电路的设计 复位电路设计的核心是：在振荡器运行时，保证AT89C51的RST引脚上出现10ms以上稳定的高电平，这样可以使AT89C51可靠地复位。复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图5示为复位电路。
图5 复位电路图 3 系统软件设计 3.1总体软件设计 1．软件主流程图如图6所示。
图6 主程序流程图 2．中断服务子程序流程图如图7所示。
图7 中断服务子程序流程图 3.2主程序设计ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP CT0 ORG 0013H LJMP CT1 ORG 0100H MAIN: KEYFDATA10 DATA 27H KEYFDATA11 DATA 28H KEYFDATA1 DATA 29H KEYFDATA2 DATA 3AH KEYADATA3 DATA 2BH KEYNAME DATA 2CH MOV P1 ， #11100000B PSUH PSW MOV R7 ,#10H LOOP1;MOV R6 ,#30H LOOP2:DJNZ R6 LOOP2 DJNZ R7 LOOP1 POP PSW MOV P1, #00000000B MOV DPTR ,#8300H MOV A,#10001001B MOVX @DPTR,A MOV R2,#05H MOV DPTR ,#8100H MOV A,#OOH MOV R3,10H LOOP: MOVX @DPTR,A ADD A,R3 DJNZ R2 LOOP MOV DPTR ,#8200H MOV A,#00001111B MOVX @DPTR ,A CLR ITO ;中断初始化 MOV A, IPH ANL A ,#11111110B ORL A , #00000001B MOV IPH ,A CLR PXO SETB EXO SETB EA CLR IT1 MOV A,IPH ANL A, #11111110B ORL A, #00000001B MOV IPH ,A SETB PX1 SETB EX1 SETE EA START: MOX A ,#00000000B MOV P1 ,A PSUH PSW SETB RS0 CLR RS1 MOV R7 ,#10H LOOP3: MOV R6 ,#30H LOOP4: DJNZ R6 LOOP4 DJNZ R7 LOOP3 POP PSW MOV P1 ,A XRL A.#00H JZ STARD XRL A ,#00000001B JZ SQUAR XRL A,#00000010B JZ SINE XRL A ,#00000100B JZ RECT LJMP ATRART 3.3子程序设计1．正弦波发生子程序如下： MOV DPTR,#SINTAB ;正弦表写入内部RAM6DH-7FH MOV R0,#6DH LOOP: CLR A MOVC A,@A+DPTR MOV @R0,A INC DPTR INC R0 CJNE R0,#80H,LOOP MOV DPTR,#7FFFH ;设置D/A转换器的端口地址 MOV R0,#6DH ;设置正弦表指针 LOOP1: MOV A,@R0 ;查表 MOVX @DPTR,A ;D/A转换 ACALL DELAY ;延时，等待转换结束 DEC R0 ;正弦表位移量增量 CJNE R0 #6DH,LOOP1 ;第一象限输出完？ LOOP2: MOV A,@R0 ;查表 MOVX @DPTR,A ;D/A转换 ALCALL DELAY ;延时，等待转换结束 DEC R0 ;正弦表位移量减量 CJNE R0 #6DH,LOOP2 ;第二象限输出完？ LOOP3: MOV A,@R0 ;查表 CPLA ;表值取反 MOVX @DPTR,A ;D/A转换 ACLALL DELAY ;延时，等待转换结束 INC R0 ;正弦表位移量增量 CJNE R0,#7FH,LOOP3 ;第三象限输出完？ LOOP4:MOV A,@R0 ;查表 CPL A ;表值取反 MOVX @DPTR,A ;D/A转换 ALCALL DELAY ;延时，等待转换结束 DEC R0 ;正弦表位移量减量 CJNE R0,#6DH,LOOP4 ;第四象限输出完？ SJMP LOOP1 DELAY:MOV R7,#200 ; 延时50ms DEL1:MOVR6,#123 NOP DEL2:DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET SINTAB: DB 7FH,89H,94H,9FH,0AAH,0B4H,0C8H,0D1H,0D9H DB 0E0H,0E7H,0EDH,0F2H,0F7H,0FAH,0FCH,,OFEH,0FFH END 2．锯齿波发生子程序如下： MOV DPTR,#7FFFH ;端口地址7FFFH—间址寄存器 MOV R7,#0 ;R7为0 DASAW:MOV A,R7 ;A清零 MOVX @DPTR,A ;写RAM INC R7 ;R7寄存器加一 NOP ;空操作 NOP NOP SJMP DASAW ;转移 END 3．方波发生子程序： MOV DPTR,#7FFFH ; 设置D/A转换器的端口地址 MOV R7,#FFH ；将#FFH送R7 FANGB:MOV A,R7 ;给A赋值 MOVX @DPTR,A ;写RAM ACALL DELAY ;调用延时子程序 CPL A ;A取反 MOVX @DPTR,A ;写RAM ACALL DELAY ;调用延时子程序 SJMP FANGB ；返回FANGB DELAY:MOV R7,#200 ; 延时50ms DEL1:MOVR6,#123 NOP DEL2:DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET END ; 程序结束 4．三角波发生子程序如下： MOV DPTR,#7FFFH ; 设置D/A转换器的端口地址 L1：MOV R7,#00H ；A清零 MOV A，R7 L2: MOVX @DPTR,A ；写外部存储器 NOP ；延时 NOP NOP INC A ；A加1 JNZ L1 ；不等与零则转L1 L3: MOVX @DPTR,A ；写外部存储器 结 论信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验中经常使用的电子仪器之一。信号发生器种类较多，性能各有差别，但它们都可以产生不同频率的正弦波、调幅波调频波信号，以及各种频率的正弦波、方波、三角波、锯齿波等。本课程设计在AT89C51单片机的基础上，通过对时钟电路，复位电路，DAC0832转换电路的设计实现了正弦波、方波、三角波、锯齿波的输出，达到了设计的目的。 致 谢 经过一段时间的忙碌和工作，本次课程设计已经接近尾声，作为一个本科生的课程设计，由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有导师的督促指导，以及一起工作的同学们的支持，想要完成这个设计是难以想象的。
参考文献 [1] 胡汉才．单片机原理与接口技术[M]．北京：清华大学出版社，1995.6． [2] 楼然苗等．51系列单片机设计实例[M]．北京：北京航空航天出版社，2003.3． [3] 何立民. 单片机高级教程[M]．北京：北京航空航天大学出版社，2001． [4] 赵晓安. MCS-51单片机原理及应用[M]. 天津：天津大学出版社，2001.3． [5] 肖洪兵. 跟我学用单片机[M]. 北京：北京航空航天大学出版社,2002.8． [6] 夏继强. 单片机实验与实践教程[M]. 北京：北京航空航天大学出版社, 2001． [7]于凤明．单片机原理及接口技术[M]．北京：中国轻工业出版社．1998．
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