基于AT89S51单片机的低频信号设计及仿真研究

摘要：文中采用AT89S51单片机来设计简易的信号发生器，通过DAC0832转换并还原了波形信号，得到了相应的方波、锯齿波、三角波和正弦波等波形信号。在电路设计的基础上，本文还对上述4种波形进行了波形自由转换、相位和频率自由调节等技术设计，并对其进行了仿真调试。
关键词：低频信号；AT89S51；DAC0832；Protues

    传统的低频信号源或发生装置，因其大部分采用模拟电路设计的原因，一般具有价格昂贵、输出性能欠佳且不便于调节等问题，工程应用价值较低。为避免传统低频信号源或发生装置的上述技术缺点，降低技术开发成本和提高技术开发效率，文中利用AT89S51可以在线编写程序的特点，结合了DAC接口技术，设计了波形、频率、相位均调节方便并可产生方波、三角波、锯齿波、正弦波四种波形的技术方案。这种新的低频信号源设计方案，可以使得波形信号的产生由单片机查表软件产生，波形的周期依靠程序设置来改变，具有线路简单、结构紧凑、价格低廉、性能优越等优点。

1 设计目标和思路
    文中设计目标是完成4种波形信号输出，即正弦波、三角波、方波和锯齿波，并使其在低频范围内具有稳定稳定性好、性能可靠、体积较小、占空比调节方便等技术优势。文中采用键盘控制的办法，来实现并输出方波、锯齿波、三角波和正弦波等信号。另外，对频率和幅值的变换情况，用键盘也能够较好的进行控制和调整。同时，本文还将其产生的信号参数用LCD进行仿真显示和调试。
    在设计中，首先在函数中对某个数组附值，利用DAC0832来实现输出波形信号输出转换，再经过功放滤波模块处理，这样的话，就会在示波器上观察到不同函数值的波形信号。但是，因为函数对数组中的数附值之后并不是一次就输出显示出来，这就需要编写AT89S51的控制字，使其开中断，然后再用计数器计数。当计数器溢出时便提出中断请求，这时调用中断函数，将数组中一个值送到DAC0832中。这样连续不断的送值，最后在示波器上显示的就是一个连续的波形。最后，为了产生不同的波形，利用独立按键开关实现波形的不同频率，来控制波形的频率，以及利用滑动变阻器来为DAC0832提供不同的参考电压来实现不同幅值的波形。

2 电路原理图
    当按下“波形选择”键时，发生外部中断，并在LCD显示所对应的波形序号，通过AT89S51单片机执行某一段中断波形发生程序，向DAC0 832转换器的输入端按一定的规律发送数据，从而在DA0832转换电路的输出端得到相应的电压波形。再经过放大器的放大作用和二阶低通滤波电路滤波作用，滤除高次谐波，最后在模拟示波器上显示出更加光滑平整的目标波形。在上述的基础上，通过选择按下频率增加键和频率减少键可以改变波形的频率，再利用滑动变阻的分压作用，改变DAC0832的参考电压Vref以致改变电流i，即改变参考电压，使输出电压幅度随i发生改变，从而实现幅度的调节。
    基于单片机函数信号发生器原理接线图如图1所示。

3 4种波形技术分析
    文中利用定时器TMR0定时中断与预设波形数据表配合，来实现波形生成，将定时器设定成定时方式1，在每次中断发生时，对波形数据进行采集，或者对定时时间进行调整。从而实现当前时刻的波形数据的输出，以及频率的调整。
3．1 方波技术分析
    生成方波原理：周期性翻转输出引脚(端口)的电平，只取两种电平数据极限值之一：0XFF(对应输出高电平)，0X00(对应输出低电平)。每次TMR0发生中断时，立即翻转端口电平：0XFF-0X00或0X00—0XFF，定时时间也不同，输出波形频率也不同，所以要改变输出频率，就要通过定时初值来控制中断时间完成。
    相关的2个变量：iudge……………／／方波当前判断值
                   DAdata…………／／定义为P1口
    judge=1，DAdata=0XFF，正向翻转；judge=0，DAdata=0X00，负向翻转。
3．2 锯齿波技术分析
    生成锯齿波的原理是每次定时器TMR0发生中断时。并将更新后的采样值立即通过单片机端口输出至DAC0832进行D／A转换成对应模拟电压。为了控制输出数值范围，当采样值增至8位最大值0XFF即255时，立即将其置0，如此周而复始连续的操作，每次从0增至255又返回0，这样通过D／A转换后的模拟电压即为锯齿波波形。对波形频率的控制可通过改变采样步进值，增加步进值，则采样数值增幅变大。因此从0～255之间采样点数减少，所以完成一个周期波形所需要时间相应变小，输出波形频率增大，反之亦然。但是步进若增幅过大，则采样点数急剧减少，输出波形离散化趋势增加，波形变得不再连续平滑，因此可在DAC0832转换器输出端接上滤波电路，以滤除高次谐波，使波形趋于平滑。
    相关的2个变量：juchibo—tab[]………／／锯齿波数组
                   DAdata………／／定义为P1口
3．3 三角波技术分析
    其原理与锯齿波类似，不同的是在于当采样值增加至最大值0XFF(255)时，在随后的采样时刻，采样值减去步进值，以此更新。当采样值减小到0时，在后续采样时刻，采样值则与步进值相加，以此更新。如此周而复始连续地操作，采样值经过D／A转换后就能输出对称三角波，调节频率的方法和锯齿波相同。
    相关2个变量：triangle_tab[]…………／／三角波采样输出数组
                 DAdata…………／／定义为P1口
3．4 正弦波技术分析
    一个正弦数值表Table(含256个元素值)，此表是将一个周期的正弦波离散成256个采样值，在每个采样时刻，按索引值序号选取并输出此表中相应的值，经D／A转换后输出与此表值对应的模拟电压信号，则采样完此表中256个数值即可输出一个完整周期的正弦波。此处的所引值取代了锯齿波或三角波中的步进值，在调节正弦波频率时依然有两种方法：一种是计数上限(即调节采样周期)，上限值越大，采样周期越长，输出波形周期也越长，频率则越小，反之亦然。第二种是调节索引值步进，增加步进值，则采样数值增幅变大，因此从0～255之间采样点数减少，所以完成一个周期波形所需要时间相应变小，输出波形频率增大，反之亦然。但是步进若增幅过大，则采样点数急剧减少，输出波形离散化趋势增加，波形变得不再连续平滑，因此可在DAC0832转换器输出端接上滤波电路，以滤除高次谐波，使波形趋于平滑。
    相关2个变量：sine_tab[256]………／／正弦波数组
                 DAdata………／／定义为P1口

4 ProtueS仿真调试
    本设计方案的思路是通过Protues软件仿真来进行波形调试，利用定时器TMR0定时中断与预设波形数据表配和起来实现波形的生成，将定时器设定成定时方式1，在每次中断发生时，对波形数据进行采集，或者对定时时间进行调整。从而实现当前时刻的波形数据的输出，以及频率的调整。是在keil软件上编译，用C语言设计程序的源代码。
    下图2～5即为调试所得各类波形。

    仿真过程中，本设计可以实现预期的4种常用低频信号波形的输出，各输出波形标准规范。同时各种波形的输出均可实现调频和调幅操作：对于调频操作，在单片机工作时钟频率为24 MHz条件下，正弦波、锯齿波、三角波可以在1 kHz以下范围内保持输出波形不变形，方波的保形频率范围则可以达到2 kHz，对调幅操作，可以做到4种波形幅值在0～5 V范围内连续调节。

5 结束语
    尽管技术调试过程中，出现了诸如正弦波、三角波、锯齿波的频率在0～1 kHz范围调节可以得到清晰、连续平整的没有变形的波形，但是超过这个范围输出的波形会失真变形；不能一次同时多波形输出等技术难题。但是，实验数据仍然表明，文中采用AT89S51单片机设计的方案，是合理可行。同时，从仿真的数据结果和分析来看，新的设计技术方案获得的输出低频波形信号规整、可靠性较好，符合普通常用低频
信号源基本要求，其实验结果是令人满意的。
    另外，在调试中发现，因DAC0832受到转换位数和建立时间的限制，从而引起了输出波形不够规整、前后沿不陡峭等问题。我们认为，如果能够采用其他诸如DAC9881等芯片来提高转换位数和建立时间的话，设计方案将能够获得更加完美的输出波形。