基于at89s51單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于AT89S51單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)</p><p>　　摘 要：本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于AT89S51單片機(jī)控制的MAX038信號(hào)發(fā)生芯片的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。對(duì)其振蕩頻率控制、信號(hào)輸出幅度控制以及頻率和幅度數(shù)顯的實(shí)現(xiàn)作了較詳細(xì)的論述。該函數(shù)信號(hào)發(fā)生器可輸出三角波,方波和正弦波。 </p><p>　　關(guān)鍵詞：函數(shù)信號(hào)；D/A ；單片機(jī)控制 </p>

2、<p><b>　　引言 </b></p><p>　　本文提出并設(shè)計(jì)了一種基于AT89S51微處理器控制的MAX038信號(hào)發(fā)生芯片的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)。文中詳細(xì)介紹了該系統(tǒng)的原理、構(gòu)成及其設(shè)計(jì)方法。依據(jù)MAX038 輸出頻率的數(shù)控調(diào)節(jié)原理,配合單片機(jī)控制,我們可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。 </p><p><b>　　1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) </b&

3、gt;</p><p>　　如圖1所示，利用單片機(jī)AT89C51對(duì)主信號(hào)發(fā)生芯片進(jìn)行數(shù)字控制。因?yàn)镸AX038原是模擬量控制型芯片，所以中間要通過數(shù)模轉(zhuǎn)換電路，對(duì)MAX038產(chǎn)生的波形信號(hào)進(jìn)行頻率、占空比、幅度的控制，以及產(chǎn)生波形的選擇控制。 </p><p><b>　　圖1 方案框圖 </b></p><p>　　MAX038 的輸出頻率主

4、要受振蕩電容CF、IIN端電流和FADJ端電壓的控制,其中前二者與輸出頻率的關(guān)系如圖2所示。選擇一個(gè)CF值,對(duì)應(yīng)IIN端電流的變化,將產(chǎn)生一定范圍的輸出頻率。另外,改變FADJ端的電壓,可以在IIN控制的基礎(chǔ)上,對(duì)輸出頻率實(shí)現(xiàn)微調(diào)控制。為實(shí)現(xiàn)輸出頻率的數(shù)控調(diào)整,在IIN端和FADJ端分別連接一個(gè)電壓輸出的DAC。首先，通過DACB產(chǎn)生0V（00H）~2.5V（0FFH）的輸出電壓,經(jīng)電壓/ 電流轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò),產(chǎn)生0μA到748μA的電流,疊

5、加上網(wǎng)絡(luò)本身產(chǎn)生的2μA電流,最終對(duì)IIN端形成2μA~750μA的工作電流,使之產(chǎn)生相應(yīng)的輸出頻率范圍。DACB將此工作電流范圍分為256級(jí)步進(jìn)間隔,輸出頻率范圍也被分為256級(jí)步進(jìn)間隔。所以,IIN端的電流對(duì)輸出頻率實(shí)現(xiàn)粗調(diào)。第二步,通過DACA 在FADJ端產(chǎn)生一個(gè)從-2.3V（00H）~+2.3V（0FFH）的電壓范圍,該范圍同樣包含256級(jí)步進(jìn)間隔,IIN 端的步進(jìn)間隔再次細(xì)分為256級(jí)步進(jìn)間隔,從而在粗調(diào)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)微調(diào)。

6、</p><p>　　1.1單片機(jī)介紹及外圍電路 </p><p>　　圖2 單片機(jī)外圍電路 </p><p>　　如圖2所示，AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和128 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)

7、生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元。[1] </p><p>　　如圖2中所示，在單片機(jī)的I/O口分配上利用率比較高，應(yīng)為I/O資源剛好可以滿足控制設(shè)計(jì)的需要，所以不需要另外擴(kuò)充I/O資源。根據(jù)P0口，P1口，P2口及P3口各自的特點(diǎn)，我們選用P0口作為數(shù)據(jù)口，通過分時(shí)復(fù)用的方法分別送數(shù)據(jù)給MAX505的A、B、C通道控制頻率和占空比；送數(shù)據(jù)給LCD1602

8、傳送信息顯示數(shù)據(jù)。選用P1口的P1.0～P1.5做按鍵輸入口。P1.6與P1.7做幅度控制的I2C數(shù)據(jù)輸出口，單片機(jī)自身不具備I2C功能，所以要通過軟件控制實(shí)現(xiàn)。另外，P2口與P3口做MAX505、MAX038、4052（段選芯片）的數(shù)據(jù)控制口及片選口。還有P3.0（RXD）、P3.1（TXD）做上位機(jī)通信口分別接MAX232芯片的OUT輸出IN與輸入引腳。 </p><p>　　1.2D/A轉(zhuǎn)換電路（頻率，占空

9、比控制電路） </p><p>　　如圖3所示，我們用+2.5V做MAX505的基準(zhǔn)電源。我們選用了MAX505的3路D/A輸出分別控制MAX038的DADJ、FADJ和IIN引腳，在前面我們知道MAX038的DADJ和FADJ引腳要求輸入的電壓信號(hào)時(shí)在-2.3V～+2.3V之間，IIN的輸入要求是0μA～750μA的電流。通過一個(gè)轉(zhuǎn)換電路將MAX505的輸出是0～2.5V的電壓轉(zhuǎn)換為所需要的電壓電流。[2] &

10、lt;/p><p>　　在MAX038的FADJ端選擇DACB通道，同樣的接法可以實(shí)現(xiàn)-2.3V～+2.3V 的電壓控制信號(hào)。 </p><p>　　圖3D/A轉(zhuǎn)換電路圖 </p><p>　　這樣就實(shí)現(xiàn)了所需要的模擬量的輸入，D/A轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。 </p><p>　　1.3頻段選擇電路 </p><p>　　我們選

11、用多路開關(guān)CD4052做為切換不同電容所需要用的芯片器件。每當(dāng)S1，S2出于不同的的組合狀態(tài)的時(shí)候，可以同時(shí)選通兩路開關(guān)AxBx,因此采用如圖4所示的連接方式可以實(shí)現(xiàn)將電容連接到5腳COCS上。[3] </p><p>　　1.4幅度控制電路 </p><p>　　該部分電路主要有放大器電路和數(shù)字電位器電路兩部分組成，其中放大器部分電路的作用是將MAX038產(chǎn)生的電壓波形2Vp-p放大為5

12、Vp-p，數(shù)字電位器電路的作用是為了實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生的電壓波形在-5V～+5V之間數(shù)字可調(diào)。 </p><p>　　美國模擬器件公司推出一次性編程（OTP）數(shù)字電位計(jì)系列產(chǎn)品AD5171，用來讀/寫滑片位置，而OTP性能則能永久設(shè)定滑片的位置。工作溫度范圍為-40℃~+125℃之間，溫度系數(shù)為35ppm/℃，工作電壓在2.7~5.5V之間，工作電流不大于5A。AD5171是64滑點(diǎn)的數(shù)字電位計(jì)。 </p>

13、<p>　　圖4 頻段選擇電路 </p><p>　　I2C（Inter-Integrated Circuit）總線是一種由PHILIPS公司開發(fā)的兩線式串行總線，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備。I2C總線最主要的優(yōu)點(diǎn)是其簡(jiǎn)單性和有效性。總線的構(gòu)成及信號(hào)類型是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。總線必須由主器件（通常為微控制器）控制，主器件產(chǎn)生串行時(shí)鐘（SCL）控制總線的傳輸方向，

14、并產(chǎn)生起始和停止條件。[4] </p><p>　　當(dāng)SCL保留高電位同時(shí)SDL變低時(shí)傳送開始。這個(gè)開始狀態(tài)之后，時(shí)鐘信號(hào)變低來啟動(dòng)數(shù)據(jù)傳送。在每一個(gè)數(shù)據(jù)位，時(shí)鐘位在確保數(shù)據(jù)位正確時(shí)變高電平。在每一個(gè)8位數(shù)據(jù)的結(jié)尾發(fā)送一個(gè)確認(rèn)信號(hào)，而不管它是地址還是數(shù)據(jù)。在確認(rèn)時(shí)，傳送端不會(huì)把SDL變?yōu)榈碗娖?，如果正確接收到了數(shù)據(jù)允許接收端把電位變?yōu)?。確認(rèn)信號(hào)后，當(dāng)SCL處于高電平時(shí)SDL從低變?yōu)楦?，指示?shù)據(jù)傳送停止。 <

15、;/p><p>　　I2C總線是由數(shù)據(jù)線SDA和時(shí)鐘SCL構(gòu)成的串行總線，可發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在CPU與被控IC之間、IC與IC之間進(jìn)行雙向傳送，最高傳送速率100kbps。CPU發(fā)出的控制信號(hào)分為地址碼和控制量兩部分，地址碼用來選址，即接通需要控制的電路，確定控制的種類；控制量決定該調(diào)整的類別（如對(duì)比度、亮度等）及需要調(diào)整的量。這樣，因?yàn)榈刂反a的作用各控制電路雖然掛在同一條總線上，卻彼此獨(dú)立，互不相關(guān)。 </p

16、><p>　　I2C總線在傳送數(shù)據(jù)過程有3種類型信號(hào)，它們分別是：開始信號(hào)、結(jié)束信號(hào)和應(yīng)答信號(hào)。 </p><p>　　開始信號(hào)：SCL為高電平時(shí)，SDA由高電平向低電平跳變，開始傳送數(shù)據(jù)。 </p><p>　　結(jié)束信號(hào)：SCL為低電平時(shí)，SDA由低電平向高電平跳變，結(jié)束傳送數(shù)據(jù)。 </p><p>　　應(yīng)答信號(hào)：接收數(shù)據(jù)的IC在接收到8bit

17、數(shù)據(jù)后，向發(fā)送數(shù)據(jù)的IC發(fā)出特定的低電平脈沖，表示已收到數(shù)據(jù)。CPU向受控單元發(fā)出一個(gè)信號(hào)后，等待受控單元發(fā)出一個(gè)應(yīng)答信號(hào)，CPU接收到應(yīng)答信號(hào)后，根據(jù)實(shí)際情況做出是否繼續(xù)傳遞信號(hào)的判斷。若未收到應(yīng)答信號(hào)，由判斷為受控單元出現(xiàn)故障。 </p><p>　　接口的設(shè)計(jì)也大大提高了芯片的利用效率，我們利用AT89C51的P1.6、P1.7腳就可以控制數(shù)據(jù)對(duì)模擬量進(jìn)行數(shù)字控制。[4] </p><p

18、>　　圖5 幅度控制電路 </p><p><b>　　1.5鍵盤電路 </b></p><p>　　鍵盤用的是上拉電阻，選通接地的形式。 </p><p>　　KEY0鍵功能：三角波，正弦波，矩形波的循環(huán)選擇。 </p><p>　　KEY1鍵功能：頻段、頻率、占空比、幅度的控制的循環(huán)選擇。 </p>

19、<p>　　KEY2鍵功能：選定的控制對(duì)象步進(jìn)量增。 </p><p>　　KEY3鍵功能：選定的控制對(duì)象步進(jìn)量減。 </p><p>　　KEY4鍵功能：選擇確定。 </p><p>　　KEY5鍵功能：選擇不確定（即返回）。 </p><p>　　例如產(chǎn)生一個(gè)正弦波的控制方式：在開始界面用KEY0鍵選擇正弦波，用KEY4鍵確

20、定進(jìn)入頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，首先用KEY1鍵來選擇頻率，KEY4鍵確定進(jìn)入，然后用KEY2和KEY3鍵來實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定，然后KEY5鍵返回到頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，用KEY2鍵來選擇占空比，KEY4鍵確定進(jìn)入，然后用KEY2和KEY3鍵來實(shí)現(xiàn)占空比步進(jìn)的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定，然后KEY5鍵返回到頻率，占空比，幅度的控制的循環(huán)選擇界面，用KEY2鍵來選擇

21、幅度，KEY4鍵確定進(jìn)入，然后用KEY2和KEY3鍵來實(shí)現(xiàn)幅度步進(jìn)的增值或減值，數(shù)值確定后KEY4鍵確定。[5] </p><p><b>　　圖6 鍵盤電路 </b></p><p><b>　　2結(jié)束語 </b></p><p>　　采用MAX038 芯片制作函數(shù)信號(hào)發(fā)生器隨設(shè)計(jì)思想不同,具有多種方法,本文只是一種可能

22、實(shí)現(xiàn)的方法。此法的頻率控制和幅度控制分辨率高，且硬件集成度高,整機(jī)自動(dòng)化程度高,性能優(yōu)良,具有很高的實(shí)用價(jià)值。 </p><p>　　同時(shí)該信號(hào)源設(shè)計(jì)尚存在的不足之處，主要有兩個(gè)方面，第一為缺乏頻率準(zhǔn)確顯示的手段，可以配備相應(yīng)的數(shù)字頻率計(jì)模塊，但如何將顯示的精度與信號(hào)源的頻段配合有待討論研究；第二為輸出級(jí)可配以顯示輸出幅度的儀表，并且放大電路有待進(jìn)一步改進(jìn)，使其具有更強(qiáng)的輸出能力。 </p><

23、;p><b>　　參考文獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)（第4版）[M].北京:高等教育出版社.1998. </p><p>　　[2] 張友德等.單片微型機(jī)原理、應(yīng)用與實(shí)驗(yàn)[M].上海:復(fù)旦大學(xué)出版社,1993. </p><p>　　[3] 陳澤宗等.單片精密函數(shù)發(fā)生器應(yīng)用[J].電子技術(shù)報(bào)，1997，2