一种基于AT89C51低频信号源的设计

函数信号发生器是一种常用的信号源，它广泛地应用在电子技术实验。目前常用的函数信号发生器，一般可靠性较差，准确度较低，难以满足科研和高精度实验的需要。现用单片机和支持软件及其外设电路构成的智能函数信号发生器，采用编程的方法来实现波形，将产生波形的程序用子程序的形式编写，在需要波形时再调用相应子程序，经过D／A转换、运算放大器处理后，作为该信号源输出，其线路简捷、功能强大、性价比较高。

1 主要芯片介绍

1.1 AT89C51单片机芯片

1.1.1 引脚图

本文采用的单片机芯是AT89C51，它是采用高速CMOS制造工艺，通用型为40脚双列直插封装方式，其引脚如图1所示。只要将+5 V电源接到VCC和VSS两端，将晶振接到XTAL1和XTAL2两端，给EA端加高电平控制电压，然后将机器码固化到AT89C51内就可以使用了。

1.1.2 单片机基本功能

单片机基本系统即单片机正常工作不可缺少的部分，进行设计都要在此系统基础上进行。

(1)外接晶振引脚XTAL1与XTAL2

单片机之所以要加振荡器是因为单片机内的CPU在执行指定程序时，要经过“取指”、“译码”，再定时给相关电路发出控制信号，以实现“机器码指令”所要求的功能。这就要求内部必须有一个基准时钟。可通过外接晶振或振荡信号二种方式来实现，一般采用外接晶振的方法较方便。

XTAL1(19)，XTAL2(18)为外接晶振的两个引脚。接入晶振时，还要接入两个20～30 pF的瓷片电容C1，C2，晶振频率因单片机工作速度而异，Intel MCS-51系列为1.2～12 MHz，ATMEL89C系列为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)脚有一个3 V左右的正弦波。C1，C2短路、晶振不良，AT89C51(18)，(19)脚内部反相器会损坏。VCC电源未加上等故障可能造成晶振不起振，使单片机无法工作。当采用外部振荡器时，信号接入(19)脚，(18)脚悬浮。振荡器的12分频为一个机器周期，当外接12 MHz晶振时，一个机器周期为1μs。MCS-51大多数指令为一个机器周期。

(2)复位与复位电路

单片机必须进行复位，是因为单片机内的CPU“取指”过程即为CPU从PC指针所指定的程序存储器ROM地址单元中读取“机器码”的过程。单片机加电后，PC指针应指向ROM中某个固定的单元，当然，程序开始的第一条指令也应放在ROM的这一地址单元内，这样整个程序才能有序地执行。这个单元就是 ROM的0000H单元。只有上电复位正常后，PC值才为0000H，即指向ROM的0000H单元。此外，专用寄存器SFR中的SP为07H，即指向片内数据存储器(片内RAM)07H单元，P0～P3值为0FFH，其余的专用寄存器值大多为00H。

复位的方法：当振荡器正常工作时，RST(9)脚上出现的两个机器周期的高电平将使单片机有效复位。考虑到振荡器有一定的起振时间，该引脚必须保持 10 ms以上高电平，才能有效复位。复位电路有开机自动复位和手动复位。注意：复位信号为2个以上机器周期的高电平，单片机复位后正常工作时应该为低电平，如果未加复位电平或复位后复位电平仍未撤除，则单片机不能正常工作，此时，可检查RST电压及相关器件。

在掉电期问RST／VPD引脚如接入备用电源VPD(5 V±0.5 V)，则可保存片内数据。当VCC下降到某一规定值时，VPD便向片内RAM供电。

(3)EA／VDD片内程序存储器选用端

单片机复位后，PC指针可能指向片内ROM0000H或片外ROM0000H单元，这取决于EA／VDD(31)脚外接高电平(指向片内 ROM0000H)还是低电平(指向片外ROM0000H)。AT89C51内部有4 kB ROM，这时EA(31)脚需外接高电位VCC。

在编程期间，此引脚作编程电压VDD的输入端。

1.2 关于DAC0832

DAC0832是具有20条引脚的双列直插式COMS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D／A转换。其结构框图及信号引线如图2所示。

以下是其三种不同的工作方式：

(1)直通方式

将WR1，WR2，XFER，CS接地，ILE接高电平，就能使得两个寄存器的输出跟随输入的数字量变化，DAC0832的输出也同时跟随变化。直通方式常用于连续反馈控制的环路中。

(2)单缓冲方式

单缓冲方式就是将其中一个寄存器工作在直通状态，另一个处于受控的锁存器状态。在实际应用中，如果只有一路模拟量输出，或虽有几路模拟量但并不要求同步输出，就可采用单缓冲方式。

(3)双缓冲方式

所谓双缓冲方式就是将两个寄存器都处于受控的锁存方式。为了实现两个寄存器的可控，应当给它们各分配一个端口地址，以便能按照端口地址进行操作。 D／A转换采用两步写操作来完成。可在DAC0832转换输出前一个数据的同时，将下一个数据传送到输入寄存器，以提高D／A转换速度。还可用于多路数模转换系统，以实现多路模拟信号同步输出的目的。

在所设计的电路中DAC0832采用的是单缓冲方式。

2 原理概述

单片机通过扩展D／A转换接口，结合灵活的程序可以方便地产生各种低频信号。下面以正弦信号为例进行说明。

2.1 正弦波信号的产生原理

正弦波的产生比较特殊，它不能由单片机直接产生，它只能产生如图3所示的阶梯波来向正弦波逼近。

很显然，在一个周期内阶梯波的阶梯数目越多，单片机输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，则波谷对应的数字量为最小值00H，波峰对应的数字量为最大值FFH。将正弦波的第一个周期的波形按角度均分为若干等份，并计算出各点对应的电压值，电压值计算方法：Vx=2.5·(1+sinθ)，因为00H～FFH对应的数字量为0～255，所以根据算出的电压就可直接写出各点所对应的数字量。单片机将一个周期的数字量存入一定的存储区域中，然后依次循环取出这些数字量，并送D／A电路转换成阶梯波，即近似的正弦波输出。所输出的正弦波的幅值可以通过D／A转换电路实现。2.2 变频原理

单片机产生的阶梯逼近正弦波对应的程序中加入了软件延时，最后再加入根据20H单元中的内容进行延时的延时程序，那么20H单元中的内容一变，则输出正弦波的频率也就发生了变化。即：就是把一个正弦信号(阶梯逼近)取样、量化、编码，形成一个正弦函数表储存在了ROM中。合成时改变相位增量，由于相位增量不同，则一个周期内的取样点数也不同，从而达到频率合成的目的。

正弦信号本身是非线性的，而其相位是线性的，如图4所示。

因此，每隔一段时间△t(时钟周期)，有对应的相位变化△p，即：

p=ω△t=2πf△t

从上式可以得到合成信号的频率f为：

3 系统硬件设计

其系统硬件原理图如图5所示。

3.1 单片机选择

本系统中使用AT89C51单片机。电路板上的EA引脚可利用跳线接电源，也可接地。因此，在此管座上可以插AT89C51，AT80C31等芯片。

3.2 D／A转换电路

DAC0832与单片机的连接中对主要功能信号的处理方法如下：

图中DAC0832与AT89C51的连接方式是单缓冲方式。这种单缓冲方式是DAC0832的两个缓冲器同时受控，将CS与XFER相连受控于 AT89C51的P2.0信号，WR1和WR2相连受控于AT89C51的WR信号，由于P2.0连至DAC0832的CS，故该片的地址为FEFFH (无关位取“1”)。

3.3  开关的功能和应用

由于本设计中要用按键控制波形输出，现将各按键说明如下：

K0～K4分别与AT89C51的P1.0～P1.4相连，依次控制着锯齿波、方波、三角波、梯形波、正弦波的产生。

通过对51单片机进行D／A转换接口扩展，通过对INT0端设置按钮改变20H单元中的内容以调整频率，利用中断与查询相结合的方式进行波形选择，具体可以通过对P1口来设置完成。例P1.0为锯齿波信号选择开关，当加上电源后，自动复位电路开始工作，单片机开始工作。当K0键按下，即想要输出锯齿波时，P1.0为低电平，扫描程序调用锯齿波子程序，产生的数字信号送DAC0832进行数模转换，其输出经运算放大电路后输出锯齿波。

4 软件设计

4.1 主程序流程图

程序流程图如图6所示。

4.2 正弦波的流程图及子程序

4.2.1 流程图

流程图如图7所示。

4.2.2 子程序

5 结  语

该信号源的设计是以MCS-51单片机和DAC0832为核心元件，结合较简捷的外围电路来构建低频信号源。它能产生三角波、正弦波等5种信号，本设计采用硬件和软件相结合，电路较传统的简单且操作方便，具有一定的参考价值。