基于AT89S51單片機(jī)的低頻信號設(shè)計(jì)及仿真研究

摘要：文中采用AT89S51單片機(jī)來設(shè)計(jì)簡易的信號發(fā)生器，通過DAC0832轉(zhuǎn)換并還原了波形信號，得到了相應(yīng)的方波、鋸齒波、三角波和正弦波等波形信號。在電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，本文還對上述4種波形進(jìn)行了波形自由轉(zhuǎn)換、相位和頻率自由調(diào)節(jié)等技術(shù)設(shè)計(jì)，并對其進(jìn)行了仿真調(diào)試。
關(guān)鍵詞：低頻信號；AT89S51；DAC0832；Protues

傳統(tǒng)的低頻信號源或發(fā)生裝置，因其大部分采用模擬電路設(shè)計(jì)的原因，一般具有價(jià)格昂貴、輸出性能欠佳且不便于調(diào)節(jié)等問題，工程應(yīng)用價(jià)值較低。為避免傳統(tǒng)低頻信號源或發(fā)生裝置的上述技術(shù)缺點(diǎn)，降低技術(shù)開發(fā)成本和提高技術(shù)開發(fā)效率，文中利用AT89S51可以在線編寫程序的特點(diǎn)，結(jié)合了DAC接口技術(shù)，設(shè)計(jì)了波形、頻率、相位均調(diào)節(jié)方便并可產(chǎn)生方波、三角波、鋸齒波、正弦波四種波形的技術(shù)方案。這種新的低頻信號源設(shè)計(jì)方案，可以使得波形信號的產(chǎn)生由單片機(jī)查表軟件產(chǎn)生，波形的周期依靠程序設(shè)置來改變，具有線路簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、價(jià)格低廉、性能優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)目標(biāo)和思路
文中設(shè)計(jì)目標(biāo)是完成4種波形信號輸出，即正弦波、三角波、方波和鋸齒波，并使其在低頻范圍內(nèi)具有穩(wěn)定穩(wěn)定性好、性能可靠、體積較小、占空比調(diào)節(jié)方便等技術(shù)優(yōu)勢。文中采用鍵盤控制的辦法，來實(shí)現(xiàn)并輸出方波、鋸齒波、三角波和正弦波等信號。另外，對頻率和幅值的變換情況，用鍵盤也能夠較好的進(jìn)行控制和調(diào)整。同時(shí)，本文還將其產(chǎn)生的信號參數(shù)用LCD進(jìn)行仿真顯示和調(diào)試。
在設(shè)計(jì)中，首先在函數(shù)中對某個數(shù)組附值，利用DAC0832來實(shí)現(xiàn)輸出波形信號輸出轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過功放濾波模塊處理，這樣的話，就會在示波器上觀察到不同函數(shù)值的波形信號。但是，因?yàn)楹瘮?shù)對數(shù)組中的數(shù)附值之后并不是一次就輸出顯示出來，這就需要編寫AT89S51的控制字，使其開中斷，然后再用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)器溢出時(shí)便提出中斷請求，這時(shí)調(diào)用中斷函數(shù)，將數(shù)組中一個值送到DAC0832中。這樣連續(xù)不斷的送值，最后在示波器上顯示的就是一個連續(xù)的波形。最后，為了產(chǎn)生不同的波形，利用獨(dú)立按鍵開關(guān)實(shí)現(xiàn)波形的不同頻率，來控制波形的頻率，以及利用滑動變阻器來為DAC0832提供不同的參考電壓來實(shí)現(xiàn)不同幅值的波形。

2 電路原理圖
當(dāng)按下“波形選擇”鍵時(shí)，發(fā)生外部中斷，并在LCD顯示所對應(yīng)的波形序號，通過AT89S51單片機(jī)執(zhí)行某一段中斷波形發(fā)生程序，向DAC0 832轉(zhuǎn)換器的輸入端按一定的規(guī)律發(fā)送數(shù)據(jù)，從而在DA0832轉(zhuǎn)換電路的輸出端得到相應(yīng)的電壓波形。再經(jīng)過放大器的放大作用和二階低通濾波電路濾波作用，濾除高次諧波，最后在模擬示波器上顯示出更加光滑平整的目標(biāo)波形。在上述的基礎(chǔ)上，通過選擇按下頻率增加鍵和頻率減少鍵可以改變波形的頻率，再利用滑動變阻的分壓作用，改變DAC0832的參考電壓Vref以致改變電流i，即改變參考電壓，使輸出電壓幅度隨i發(fā)生改變，從而實(shí)現(xiàn)幅度的調(diào)節(jié)。
基于單片機(jī)函數(shù)信號發(fā)生器原理接線圖如圖1所示。

3 4種波形技術(shù)分析
文中利用定時(shí)器TMR0定時(shí)中斷與預(yù)設(shè)波形數(shù)據(jù)表配合，來實(shí)現(xiàn)波形生成，將定時(shí)器設(shè)定成定時(shí)方式1，在每次中斷發(fā)生時(shí)，對波形數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，或者對定時(shí)時(shí)間進(jìn)行調(diào)整。從而實(shí)現(xiàn)當(dāng)前時(shí)刻的波形數(shù)據(jù)的輸出，以及頻率的調(diào)整。
3．1 方波技術(shù)分析
生成方波原理：周期性翻轉(zhuǎn)輸出引腳(端口)的電平，只取兩種電平數(shù)據(jù)極限值之一：0XFF(對應(yīng)輸出高電平)，0X00(對應(yīng)輸出低電平)。每次TMR0發(fā)生中斷時(shí)，立即翻轉(zhuǎn)端口電平：0XFF-0X00或0X00—0XFF，定時(shí)時(shí)間也不同，輸出波形頻率也不同，所以要改變輸出頻率，就要通過定時(shí)初值來控制中斷時(shí)間完成。
相關(guān)的2個變量：iudge……………／／方波當(dāng)前判斷值
DAdata…………／／定義為P1口
judge=1，DAdata=0XFF，正向翻轉(zhuǎn)；judge=0，DAdata=0X00，負(fù)向翻轉(zhuǎn)。
3．2 鋸齒波技術(shù)分析
生成鋸齒波的原理是每次定時(shí)器TMR0發(fā)生中斷時(shí)。并將更新后的采樣值立即通過單片機(jī)端口輸出至DAC0832進(jìn)行D／A轉(zhuǎn)換成對應(yīng)模擬電壓。為了控制輸出數(shù)值范圍，當(dāng)采樣值增至8位最大值0XFF即255時(shí)，立即將其置0，如此周而復(fù)始連續(xù)的操作，每次從0增至255又返回0，這樣通過D／A轉(zhuǎn)換后的模擬電壓即為鋸齒波波形。對波形頻率的控制可通過改變采樣步進(jìn)值，增加步進(jìn)值，則采樣數(shù)值增幅變大。因此從0～255之間采樣點(diǎn)數(shù)減少，所以完成一個周期波形所需要時(shí)間相應(yīng)變小，輸出波形頻率增大，反之亦然。但是步進(jìn)若增幅過大，則采樣點(diǎn)數(shù)急劇減少，輸出波形離散化趨勢增加，波形變得不再連續(xù)平滑，因此可在DAC0832轉(zhuǎn)換器輸出端接上濾波電路，以濾除高次諧波，使波形趨于平滑。
相關(guān)的2個變量：juchibo—tab[]………／／鋸齒波數(shù)組
DAdata………／／定義為P1口
3．3 三角波技術(shù)分析
其原理與鋸齒波類似，不同的是在于當(dāng)采樣值增加至最大值0XFF(255)時(shí)，在隨后的采樣時(shí)刻，采樣值減去步進(jìn)值，以此更新。當(dāng)采樣值減小到0時(shí)，在后續(xù)采樣時(shí)刻，采樣值則與步進(jìn)值相加，以此更新。如此周而復(fù)始連續(xù)地操作，采樣值經(jīng)過D／A轉(zhuǎn)換后就能輸出對稱三角波，調(diào)節(jié)頻率的方法和鋸齒波相同。
相關(guān)2個變量：triangle_tab[]…………／／三角波采樣輸出數(shù)組
DAdata…………／／定義為P1口
3．4 正弦波技術(shù)分析
一個正弦數(shù)值表Table(含256個元素值)，此表是將一個周期的正弦波離散成256個采樣值，在每個采樣時(shí)刻，按索引值序號選取并輸出此表中相應(yīng)的值，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換后輸出與此表值對應(yīng)的模擬電壓信號，則采樣完此表中256個數(shù)值即可輸出一個完整周期的正弦波。此處的所引值取代了鋸齒波或三角波中的步進(jìn)值，在調(diào)節(jié)正弦波頻率時(shí)依然有兩種方法：一種是計(jì)數(shù)上限(即調(diào)節(jié)采樣周期)，上限值越大，采樣周期越長，輸出波形周期也越長，頻率則越小，反之亦然。第二種是調(diào)節(jié)索引值步進(jìn)，增加步進(jìn)值，則采樣數(shù)值增幅變大，因此從0～255之間采樣點(diǎn)數(shù)減少，所以完成一個周期波形所需要時(shí)間相應(yīng)變小，輸出波形頻率增大，反之亦然。但是步進(jìn)若增幅過大，則采樣點(diǎn)數(shù)急劇減少，輸出波形離散化趨勢增加，波形變得不再連續(xù)平滑，因此可在DAC0832轉(zhuǎn)換器輸出端接上濾波電路，以濾除高次諧波，使波形趨于平滑。
相關(guān)2個變量：sine_tab[256]………／／正弦波數(shù)組
DAdata………／／定義為P1口