基于單片機設計的簡易信號源

1． 引言

信號發(fā)生器在教學、試驗、測控等各個領域有十分廣泛的應用，其輸出信號的頻率范圍覆蓋了各個頻段，從甚低頻到甚高頻，操作方式也從手動旋鈕到程控，產(chǎn)生的波形從傳統(tǒng)的正（余）弦波和脈沖波形，發(fā)展到現(xiàn)在能產(chǎn)生各種任意波形。以前的信號發(fā)生器往往獨占一個機箱，而現(xiàn)在的一些應用中，它只是一塊插在計算機中的擴展卡，還有一些信號發(fā)生器設計成一個獨立的小模塊，通過RS-232C或RS-422，RS-485等串行總線和計算機連接。

其實，在許多固定的控制應用中，只要求信號發(fā)生器產(chǎn)生單一波形，或可數(shù)的幾個波形。如果僅僅要求產(chǎn)生單一的正（余）弦波或者脈沖波形，可以利用傳統(tǒng)的振蕩器電路。當信號頻率有所選擇時，問題仍然比較簡單。但若產(chǎn)生的信號波形比較復雜時，電路的設計也同樣變得很復雜。加之傳統(tǒng)振蕩器電路由于有較大的溫度漂移，需要較長的預熱時間，為達到較高的頻率精度，需仔細調(diào)節(jié)電路各個參數(shù)。

數(shù)字頻率合成技術(shù)的采用，大大簡化了信號發(fā)生器的設計。但在某些特定情況，需要的僅僅是幾個單獨的波形，這時我們可以使用單片機和DAC芯片，用十分簡單的電路產(chǎn)生所需要的波形。

2． 電路設計及編程考慮

單片機簡易信號發(fā)生器電路框圖如圖1，僅由一片AT89C2051單片機，一片DAC0832和由運放組成的低通濾波器組成。AT89C2051內(nèi)部有 2KB的FLASH存儲器，可以保存運行程序和波形參數(shù)，128字節(jié)的RAM可以用于存放波形參數(shù)。由于采用了數(shù)字合成技術(shù)，可以產(chǎn)生各種簡單或復雜的波形。

工作過程說明如下；(1)決定產(chǎn)生的信號波形；通電穩(wěn)定工作以后，單片機首先讀取P3.0和P3.1引腳信號，決定程序應跳轉(zhuǎn)的地址。每個跳轉(zhuǎn)地址有一個輸出波形。(2)將保存在FLASH中的樣本數(shù)據(jù)送往DAC0832，供其轉(zhuǎn)換成模擬電壓。

首先應將波形參數(shù)轉(zhuǎn)換成樣本數(shù)據(jù)。假若每周期有N個樣本數(shù)據(jù)，則第K個樣本數(shù)據(jù)的計算方法為：
DK=127(1+SIN(2πK/N) K=0,1,2,……N-1

由于在實際產(chǎn)生波形的過程中，數(shù)據(jù)由運行程序逐個取得送出，在產(chǎn)生周期波時是一個循環(huán)過程。因此必須考慮程序取數(shù)、送數(shù)、循環(huán)等操作的時間開銷。對于 MCS51系列單片機，在晶振頻率為12MHz時，每條指令的執(zhí)行時間為1～2μs。為了使波形足夠光滑，每周期的點數(shù)應盡可能多，這樣要求單片機發(fā)送樣本數(shù)據(jù)的速率盡量快。由于送數(shù)周期的限制，在增加樣本點數(shù)時，輸出信號頻率會降低。同時從程序存儲器空間取數(shù)時需要較長的時間，當樣本數(shù)據(jù)的個數(shù)不多時，可以把樣本數(shù)據(jù)先移到RAM中，程序執(zhí)行時直接從RAM中取數(shù)送往DAC，就能增加發(fā)送樣本數(shù)據(jù)的速率。

下面以產(chǎn)生單一4800Hz正弦波為例，說明程序設計過程。參數(shù)N的計算見后面的說明。
ORG 0000H
MOV R0,#0
MOV R1,#4
MOV R2,#124
MOV DPTR,#200H
MOV A,#0
MOVD: MOVC A,@A+DPTR ;將樣本數(shù)據(jù)從FLASH
MOV @R1,A ;移到內(nèi)部RAM中，
INC R0 ;可以減少送數(shù)時間
INC R1
MOV A,R0
DJNZ R2,MOVD
MOV R0,#04
DOUT: MOV A,@R0 ;輪流送數(shù)到DAC
MOV P1,A
INC R0
CJNE R0,#128,DOUT
MOV P1,#128 ;從起點開始重新送樣本數(shù)據(jù)
MOV R0,#04 ;
SJMP DOUT ;送數(shù)循環(huán)結(jié)束
;
ORG 0200H ;樣本數(shù)據(jù)表
DB 0147
DB 165
……

以上程序中，DOUT標號開始的一段循環(huán)程序送樣本數(shù)據(jù)。該段循環(huán)程序指令經(jīng)過精心選擇，N個樣本數(shù)據(jù)共用4條指令，執(zhí)行時間為5μs。但對4800 Hz的信號頻率，信號周期為208.3333μs，計算得到樣本數(shù)據(jù)的個數(shù)N=208.3333/5=41.6667。由于樣本數(shù)據(jù)的個數(shù)不能為小數(shù)，可以考慮采用4舍5入，以得到最接近的信號頻率。因此取樣本個數(shù)為42，但信號周期變?yōu)?10μs，信號頻率為4762Hz，頻率誤差很大，達不到使用要求。

為此，可采用多周期綜合技術(shù)。多周期綜合的方法就是在計算樣本數(shù)據(jù)時，將M個周期一并考慮。即N個樣本數(shù)據(jù)代表了M個信號周期的波形，使每個周期的樣本數(shù)與要求值最接近。計算公式如下：
DK=127(1+SIN(2лMK/N) K=0,1,2,3……N-1

為此，需合理確定N和M的值。

M的值可如下確定；取單周期樣本數(shù)據(jù)個數(shù)的小數(shù)部分，除1的結(jié)果既為M。對f0=4800Hz，可知M恰好等于3。

下面計算N；已知每個樣本數(shù)據(jù)需要5μs，樣本周期數(shù)為3，信號頻率為4800 Hz，則
N=3/4800*1000000/5=125

由此可知樣本數(shù)據(jù)的計算公式：
DK=127（1+SIN(6л/125)） K=0,1,2……124

實用中，用該信號源產(chǎn)生了4800Hz正弦波，400Hz正弦波、480Hz正弦波和1000Hz方波四種波形。400Hz、480Hz正弦波和1000Hz方波的波形參數(shù)計算此處略。實測表明四種信號的頻率誤差都小于0.5Hz。

如果信號頻率比較低，樣本數(shù)據(jù)很多，就不需要把樣本數(shù)據(jù)先移到RAM中，而直接從FLASH中取得樣本數(shù)據(jù)送往DAC。對正弦波來說，當每周期有20個以上的樣本數(shù)據(jù)時，就有比較好的波形。對于矩形波來說，每周期只需要2個樣本數(shù)據(jù)。

3． 小結(jié)

以上電路雖然簡單，但有比較精確的波形。由于波形參數(shù)完全由軟件預先設定，除了產(chǎn)生正弦波、方波以外，還能產(chǎn)生梯形波或sin(x)/x等形狀復雜的波形?？梢詫㈦娐吩O計成嵌入式結(jié)構(gòu)，從而在一些工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場得到應用。

參考文獻
1 余永權(quán)．ATMEL89系列(MCS-51兼容)FLASH單片機原理及應用．電子工業(yè)出版社．1997年
2 蔣煥文，孫續(xù)．電子測量．中國計量出版社．1988年