微控制器用作正弦波發(fā)生器

通過在微控制器存儲器中存儲預(yù)設(shè)值的方法,可以來將微控制器作為波形發(fā)生器使用。微控制器可以實(shí)現(xiàn)包括正弦波、三角波和鋸齒波在內(nèi)的所有類型的波形。

本文探討了如何通過在微控制器存儲器中預(yù)先加載一組固定數(shù)值，從而生成正弦波的方法。同時(shí)還探討了如何利用DAC將這些預(yù)設(shè)的數(shù)值轉(zhuǎn)換為模擬輸出。最后探討了用來改變正弦波頻率的機(jī)制。

用來實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)的器件是Cypress的子公司MicrosystemsTM PSoCTM(可編程系統(tǒng)芯片)器件。PSoC采用的是一個8位哈佛結(jié)構(gòu)的微處理器，器件內(nèi)部有16KB的可編程存儲器(閃存),用以存儲波形數(shù)據(jù)點(diǎn)。

可以采用任何具有顯示/圖形功能的軟件包來采集通過串行口傳輸?shù)牟ㄐ螖?shù)據(jù)。設(shè)計(jì)，采用的是NI公司的LabView編程軟件,以采集、格式化和顯示進(jìn)入和流出PSoC器件的數(shù)據(jù)。

任何可利用三角法計(jì)算的數(shù)學(xué)軟件或計(jì)算器都可以用來生成一組正弦波形數(shù)據(jù)。一旦確定了所需要的波形分辨率，就可以計(jì)算出產(chǎn)生所需波形的波形數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。

在器件中加載這些波形點(diǎn)的數(shù)據(jù)值之前，還需要確定幾個參數(shù)。其中一個參數(shù)是器件的輸出范圍，這可協(xié)助確定偏置數(shù)值。在PSoC器件中，有幾個輸出范圍可供選擇，包括(Vcc/2)±(Vcc/2)和(Vcc/2)±頻帶間隙。

我們選擇該器件最大可能的輸出范圍(Vcc/2)±(Vcc/2)。本參考設(shè)計(jì)的輸出采用了PSoC器件的全輸出擺幅(0～5V）。為使用最大的輸出范圍，輸出信號的偏置必須置于+2.5V，最大的振幅也必須設(shè)為+2.5V。這些數(shù)值保證了DAC的波形輸出具有最大電壓擺幅，同時(shí)又不會有削波現(xiàn)象。

正確設(shè)定這些參數(shù)以后，即可將正弦波數(shù)據(jù)加載到存儲器中。在向PSoC器件閃速存儲器中寫入預(yù)先生成的數(shù)據(jù)時(shí)，可以在源代碼中將這些數(shù)據(jù)列在一個變量名下。這可保證在器件每次被編程時(shí)，存儲器加載過程都會自動執(zhí)行。圖1示出了如何利用C語言來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。之后存儲在變量中的數(shù)據(jù)被發(fā)送到DAC，每次一個字節(jié)循環(huán)進(jìn)行，DAC時(shí)鐘用來決定DAC轉(zhuǎn)換和輸出數(shù)據(jù)的速度，從而決定了輸出波形的周期。

用來編程和調(diào)試PSoC設(shè)計(jì)的PSoC DesignerTM軟件包示于圖2。該圖顯示的是DAC和生成DAC時(shí)鐘的計(jì)數(shù)器布局。圖中還顯示出了用來生成中斷信號的第二個計(jì)數(shù)器。中斷程序用來將數(shù)據(jù)傳送到DAC,然后DAC將轉(zhuǎn)換后的信號輸出至I/O引腳。DAC的最大刷新速率為125KHz，驅(qū)動DAC的時(shí)鐘必須設(shè)置為所需輸出頻率的4倍。

DAC需要進(jìn)行的設(shè)置包括時(shí)鐘相位參數(shù)。該參數(shù)將DAC輸出與另一個PSoC模塊的輸入同步。另一參數(shù)——模擬總線設(shè)置則用來將數(shù)據(jù)輸出至特定的I/O引腳。DAC需要的最后一個配置參數(shù)是二進(jìn)制偏置設(shè)置，該參數(shù)決定了DAC用來傳輸數(shù)據(jù)的格式。

其中一個計(jì)數(shù)器(counter_1)用來生成驅(qū)動DAC的時(shí)鐘信號。進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)數(shù)器參數(shù)設(shè)置，使計(jì)數(shù)器輸出信號是DAC轉(zhuǎn)換頻率的4倍。

第二個計(jì)數(shù)器(counter_2)用來生成周期性中斷信號。在中斷服務(wù)執(zhí)行過程中，閃速存儲器中的數(shù)據(jù)地址一增加，存儲在該地址單元中的數(shù)據(jù)則被發(fā)送到DAC。這一過程不斷重復(fù)直至達(dá)到最后一個數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后計(jì)數(shù)器復(fù)位，這一過程重新開始。在本例中，數(shù)據(jù)點(diǎn)的發(fā)送用以確定時(shí)間間隔緊密相連，從而生成周期性波形。

為調(diào)整輸出波形的周期，需要調(diào)整coanter1(它生成DAC時(shí)鐘)的周期。這一調(diào)整過程可動態(tài)完成，因?yàn)榭刂芇SoC模塊的參數(shù)是基于寄存器的。可建立一種協(xié)議架構(gòu)來將這些參數(shù)傳送至相應(yīng)的寄存器。一旦確定了相應(yīng)的協(xié)議架構(gòu)，參數(shù)即可被傳送至正確的寄存器，而模塊輸出則根據(jù)新的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。

設(shè)計(jì)檢查相對比較簡單。因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)中DAC的輸出通過I/O端口輸出，因此進(jìn)行設(shè)計(jì)的最方便的方法是檢查該引腳輸出的信號。通過檢查輸出信號的頻率、幅度、偏置和信號質(zhì)量,可以保證他們滿足設(shè)計(jì)的要求。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)正常工作，開發(fā)了LabView接口。

微控制器是非常靈活的，他們可完成的功能也幾乎是沒有限制的。本文給出的僅是如何實(shí)現(xiàn)這些眾多可能功能的一個例子。■