基于AT89S51單片機的低頻信號設計及仿真研究

摘要：文中采用AT89S51單片機來設計簡易的信號發生器，通過DAC0832轉換并還原了波形信號，得到了相應的方波、鋸齒波、三角波和正弦波等波形信號。在電路設計的基礎上，本文還對上述4種波形進行了波形自由轉換、相位和頻率自由調節等技術設計，并對其進行了仿真調試。
關鍵詞：低頻信號；AT89S51；DAC0832；Protues

傳統的低頻信號源或發生裝置，因其大部分采用模擬電路設計的原因，一般具有價格昂貴、輸出性能欠佳且不便于調節等問題，工程應用價值較低。為避免傳統低頻信號源或發生裝置的上述技術缺點，降低技術開發成本和提高技術開發效率，文中利用AT89S51可以在線編寫程序的特點，結合了DAC接口技術，設計了波形、頻率、相位均調節方便并可產生方波、三角波、鋸齒波、正弦波四種波形的技術方案。這種新的低頻信號源設計方案，可以使得波形信號的產生由單片機查表軟件產生，波形的周期依靠程序設置來改變，具有線路簡單、結構緊湊、價格低廉、性能優越等優點。

1 設計目標和思路
文中設計目標是完成4種波形信號輸出，即正弦波、三角波、方波和鋸齒波，并使其在低頻范圍內具有穩定穩定性好、性能可靠、體積較小、占空比調節方便等技術優勢。文中采用鍵盤控制的辦法，來實現并輸出方波、鋸齒波、三角波和正弦波等信號。另外，對頻率和幅值的變換情況，用鍵盤也能夠較好的進行控制和調整。同時，本文還將其產生的信號參數用LCD進行仿真顯示和調試。
在設計中，首先在函數中對某個數組附值，利用DAC0832來實現輸出波形信號輸出轉換，再經過功放濾波模塊處理，這樣的話，就會在示波器上觀察到不同函數值的波形信號。但是，因為函數對數組中的數附值之后并不是一次就輸出顯示出來，這就需要編寫AT89S51的控制字，使其開中斷，然后再用計數器計數。當計數器溢出時便提出中斷請求，這時調用中斷函數，將數組中一個值送到DAC0832中。這樣連續不斷的送值，最后在示波器上顯示的就是一個連續的波形。最后，為了產生不同的波形，利用獨立按鍵開關實現波形的不同頻率，來控制波形的頻率，以及利用滑動變阻器來為DAC0832提供不同的參考電壓來實現不同幅值的波形。

2 電路原理圖
當按下“波形選擇”鍵時，發生外部中斷，并在LCD顯示所對應的波形序號，通過AT89S51單片機執行某一段中斷波形發生程序，向DAC0 832轉換器的輸入端按一定的規律發送數據，從而在DA0832轉換電路的輸出端得到相應的電壓波形。再經過放大器的放大作用和二階低通濾波電路濾波作用，濾除高次諧波，最后在模擬示波器上顯示出更加光滑平整的目標波形。在上述的基礎上，通過選擇按下頻率增加鍵和頻率減少鍵可以改變波形的頻率，再利用滑動變阻的分壓作用，改變DAC0832的參考電壓Vref以致改變電流i，即改變參考電壓，使輸出電壓幅度隨i發生改變，從而實現幅度的調節。
基于單片機函數信號發生器原理接線圖如圖1所示。

3 4種波形技術分析
文中利用定時器TMR0定時中斷與預設波形數據表配合，來實現波形生成，將定時器設定成定時方式1，在每次中斷發生時，對波形數據進行采集，或者對定時時間進行調整。從而實現當前時刻的波形數據的輸出，以及頻率的調整。
3．1 方波技術分析
生成方波原理：周期性翻轉輸出引腳(端口)的電平，只取兩種電平數據極限值之一：0XFF(對應輸出高電平)，0X00(對應輸出低電平)。每次TMR0發生中斷時，立即翻轉端口電平：0XFF-0X00或0X00—0XFF，定時時間也不同，輸出波形頻率也不同，所以要改變輸出頻率，就要通過定時初值來控制中斷時間完成。
相關的2個變量：iudge……………／／方波當前判斷值
DAdata…………／／定義為P1口
judge=1，DAdata=0XFF，正向翻轉；judge=0，DAdata=0X00，負向翻轉。
3．2 鋸齒波技術分析
生成鋸齒波的原理是每次定時器TMR0發生中斷時。并將更新后的采樣值立即通過單片機端口輸出至DAC0832進行D／A轉換成對應模擬電壓。為了控制輸出數值范圍，當采樣值增至8位最大值0XFF即255時，立即將其置0，如此周而復始連續的操作，每次從0增至255又返回0，這樣通過D／A轉換后的模擬電壓即為鋸齒波波形。對波形頻率的控制可通過改變采樣步進值，增加步進值，則采樣數值增幅變大。因此從0～255之間采樣點數減少，所以完成一個周期波形所需要時間相應變小，輸出波形頻率增大，反之亦然。但是步進若增幅過大，則采樣點數急劇減少，輸出波形離散化趨勢增加，波形變得不再連續平滑，因此可在DAC0832轉換器輸出端接上濾波電路，以濾除高次諧波，使波形趨于平滑。
相關的2個變量：juchibo—tab[]………／／鋸齒波數組
DAdata………／／定義為P1口
3．3 三角波技術分析
其原理與鋸齒波類似，不同的是在于當采樣值增加至最大值0XFF(255)時，在隨后的采樣時刻，采樣值減去步進值，以此更新。當采樣值減小到0時，在后續采樣時刻，采樣值則與步進值相加，以此更新。如此周而復始連續地操作，采樣值經過D／A轉換后就能輸出對稱三角波，調節頻率的方法和鋸齒波相同。
相關2個變量：triangle_tab[]…………／／三角波采樣輸出數組
DAdata…………／／定義為P1口
3．4 正弦波技術分析
一個正弦數值表Table(含256個元素值)，此表是將一個周期的正弦波離散成256個采樣值，在每個采樣時刻，按索引值序號選取并輸出此表中相應的值，經D／A轉換后輸出與此表值對應的模擬電壓信號，則采樣完此表中256個數值即可輸出一個完整周期的正弦波。此處的所引值取代了鋸齒波或三角波中的步進值，在調節正弦波頻率時依然有兩種方法：一種是計數上限(即調節采樣周期)，上限值越大，采樣周期越長，輸出波形周期也越長，頻率則越小，反之亦然。第二種是調節索引值步進，增加步進值，則采樣數值增幅變大，因此從0～255之間采樣點數減少，所以完成一個周期波形所需要時間相應變小，輸出波形頻率增大，反之亦然。但是步進若增幅過大，則采樣點數急劇減少，輸出波形離散化趨勢增加，波形變得不再連續平滑，因此可在DAC0832轉換器輸出端接上濾波電路，以濾除高次諧波，使波形趨于平滑。
相關2個變量：sine_tab[256]………／／正弦波數組
DAdata………／／定義為P1口