【正文】 為重要。目前，,，功耗降至μA級(jí),一粒鈕扣電池就可長(zhǎng)期使用。利用單片機(jī)采用程序設(shè)計(jì)方法來(lái)產(chǎn)生低頻信號(hào)，其下限頻率很低。具有線路相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)緊湊，價(jià)格低廉，頻率穩(wěn)定度高，抗干擾能力強(qiáng)，用途廣泛等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠?qū)Σㄐ芜M(jìn)行細(xì)微調(diào)整，改良波形，使其滿足系統(tǒng)的要求。只要對(duì)電路稍加修改，調(diào)整程序，即可完成功能升級(jí)。這里介紹一種采用AT89S52單片機(jī)和一片DAC0832數(shù)模轉(zhuǎn)換器做成的數(shù)字式低頻信號(hào)發(fā)生器，它的特點(diǎn)是價(jià)格低、性能高，在低頻范圍穩(wěn)定性好、操作方便、體積小、耗電少等。信號(hào)發(fā)生器與其它相比還具有如下優(yōu)點(diǎn)：較分立元件信號(hào)發(fā)生器而言，具有頻率高，工作穩(wěn)定，容易調(diào)試等特性；較專用DDS芯片的信號(hào)發(fā)生器而言，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低等特性。2. 函數(shù)發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計(jì)函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案可用多種方案來(lái)完成。在設(shè)計(jì)前對(duì)各種方案進(jìn)行了比較：方案一：用差分放大電路實(shí)現(xiàn)三角波到正弦波以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器。波形變換的原理是利用差分放大器的傳輸特性曲線的非線性，傳輸特性曲線越對(duì)稱，線性區(qū)域越窄越好。三角波的幅度應(yīng)正好使晶體接近飽和區(qū)域或者截至區(qū)域。方案二：用二極管折線近似電路以及集成運(yùn)放組成的電路實(shí)現(xiàn)函數(shù)發(fā)生器。根據(jù)二極管折線近似電路實(shí)現(xiàn)三角波——正弦波的變換頻率調(diào)節(jié)部分設(shè)計(jì)時(shí)，可先按三個(gè)頻率段給定三個(gè)電容值：1000pF、。手控與壓控部分線路要求更換方便。為滿足對(duì)方波前后沿時(shí)間的要求，以及正弦波最高工作頻率（10kHz）的要求，在積分器、比較器、正弦波轉(zhuǎn)換器和輸出級(jí)中應(yīng)選用Sr值較大的運(yùn)放（如LF353）。為保證正弦波有較小的失真度，應(yīng)正確計(jì)算二極管網(wǎng)絡(luò)的電阻參數(shù)，并注意調(diào)節(jié)輸出三角波的幅度和對(duì)稱度。輸入波形中不能含有直流成分。方案三 ：利用單片機(jī)AT89C51和8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832共同實(shí)現(xiàn)正弦波，方波，三角波，鋸齒波這四種常見(jiàn)波形的發(fā)生，并且可以接收外接鍵盤輸入而在一定范圍內(nèi)改變頻率?？尚行苑治觯荷厦嫒N方案中，方案一與方案二中三角波——正弦波部分原理雖然不一樣，但是他們有共通的地方就是都要認(rèn)為地搭建波形變換的電路圖。而方案三利用單片機(jī)構(gòu)成的應(yīng)用系統(tǒng)有較大的可靠性。系統(tǒng)擴(kuò)展、系統(tǒng)配置靈活。容易構(gòu)成各種規(guī)模的應(yīng)用系統(tǒng)，且應(yīng)用系統(tǒng)有較高的軟、硬件利用系數(shù)。單片機(jī)具有可編程性，硬件的功能描述可完全在軟件上實(shí)現(xiàn)，而且設(shè)計(jì)時(shí)間短，成本低，可靠性高。綜上所述我選擇了第三種設(shè)計(jì)方案。該函數(shù)發(fā)生器有以下幾部分組成：1) 控制模塊2) 按鍵及其顯示模塊3) D/A轉(zhuǎn)換模塊三部分組成。 控制模塊方案一：用單片AT89S52作為系統(tǒng)的主控核心。單片機(jī)具有體積小，使用靈活的，易于人機(jī)對(duì)話和良好的數(shù)據(jù)處理，有較強(qiáng)的指令尋址和運(yùn)算功能等優(yōu)點(diǎn)。且單片機(jī)功耗低，價(jià)格低廉的優(yōu)點(diǎn)。方案二：用FPGA等可編程器件作為控制模塊。FPGA可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，密度高，速度快，穩(wěn)定性好等許多有點(diǎn)。FPGA在掉電后會(huì)丟失數(shù)據(jù)上電后須進(jìn)行一次配置，因此FPGA在應(yīng)用中需要配置電路和一定的程序。并且FPGA作為數(shù)字邏輯器件，競(jìng)爭(zhēng)、冒險(xiǎn)是數(shù)字邏輯器件較為突出的問(wèn)題，因此在使用時(shí)必須注意毛刺的產(chǎn)生、消除及抗干擾性。在次系統(tǒng)中，采用單片機(jī)作為控制比采用FPGA實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)便?；诰C合性價(jià)比，確定選擇方案一。 按鍵及其顯示模塊方案一：采用傳統(tǒng)的獨(dú)立式按鍵；用傳統(tǒng)的LED段選位選的方式進(jìn)行波形的切換及顯示。這種方式占用系統(tǒng)資源較多，并且效率低，程系編寫大量而復(fù)雜。方案二：為了提高單片機(jī)的資源利用率和運(yùn)行的效率,按鍵顯示部分我們直接使用zlg7289擴(kuò)展鍵盤，鍵盤與單片機(jī)連接。zlg7289芯片與單片機(jī)之間通信方便，而且由zlg7289對(duì)鍵盤進(jìn)行自動(dòng)掃描，可以去抖動(dòng)，充分的提高了單片機(jī)的工作效率。在次系統(tǒng)中，我們直接采用zlg7289擴(kuò)展鍵盤實(shí)現(xiàn)更簡(jiǎn)便，確定選擇方案二。 波形產(chǎn)生模塊方案一：使用鎖相環(huán)通過(guò)分頻運(yùn)算實(shí)現(xiàn)頻率的步進(jìn)，這種方案頻率穩(wěn)定度高，但程控比較困難，而且步進(jìn)范圍過(guò)大，鑒于鎖相環(huán)技術(shù)比較復(fù)雜，沒(méi)有采用這種方案。方案二：使用專用函數(shù)發(fā)生電路，如ICL8038 或MAX038，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換調(diào)整函數(shù)發(fā)生器控制電壓實(shí)現(xiàn)頻率的控制，這種方案可以使頻率連續(xù)可調(diào)，省卻了波形轉(zhuǎn)換電路，但控制電壓與頻率的變化不是嚴(yán)格的線性關(guān)系，如果不加頻率負(fù)反饋則頻率無(wú)法穩(wěn)定準(zhǔn)確，加上頻率負(fù)反饋將使電路大大復(fù)雜，穩(wěn)定度也會(huì)下降，而且如果要實(shí)現(xiàn)比較大的帶寬，就需要不斷更換振蕩電容，電路復(fù)雜程度進(jìn)一步增加。為避免調(diào)試?yán)щy，沒(méi)有采用這種方案。方案三：使用單片機(jī)的定時(shí)器設(shè)置定時(shí)時(shí)間，每半個(gè)周期對(duì)I/O 口取反一次，從而實(shí)現(xiàn)頻率輸出。這種方案雖然在高頻頻段誤差比較大，但是編程簡(jiǎn)單控制容易。 權(quán)衡以上利弊，我們選擇了方案三。 D/A轉(zhuǎn)換單片輸出的是數(shù)字信號(hào)，必須通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換后才能模擬信號(hào)。方案一：采用D/A轉(zhuǎn)換器AD7543。AD7543是一種串行的D/A轉(zhuǎn)換器，與單片機(jī)之間的連線少，布線方便，而且又是12位的D/A轉(zhuǎn)換器，精度高。但串行數(shù)據(jù)傳輸速度慢,當(dāng)頻率較高時(shí),必須減少每周期輸出的點(diǎn)數(shù),這將會(huì)導(dǎo)致階梯現(xiàn)象更加明顯,因此,此方案不宜使用。方案二：采用DAC0832。這是8位的并行D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換速度快。方案三：采用2片DAC0832。由其中一芯片的輸出電壓作為另一芯片的參考電壓，這樣就可以方便的控制最大輸出電壓。若采用方案二，在輸出電壓較低的情況下，比如為1V時(shí)，輸出的最大電壓只有參考電壓的1/5，這將會(huì)使精度降低，而方案三剛好可以解決這個(gè)問(wèn)題，因此，本系統(tǒng)選擇了方案三。DAC0832芯片介紹DAC0832 是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種8 位分辨率、雙通道A/D轉(zhuǎn)換芯片。由于它體積小，兼容性，性價(jià)比高而深受單片機(jī)愛(ài)好者及企業(yè)歡迎，其目前已經(jīng)有很高的普及率。學(xué)習(xí)并使用DAC0832 可是使我們了解A/D轉(zhuǎn)換器的原理，有助于我們單片機(jī)技術(shù)水平的提高。DAC0832 具有以下特點(diǎn)：　　 8位分辨率；　　 雙通道A/D轉(zhuǎn)換；　　 輸入輸出電平與TTL/CMOS相兼容；　　 5V電源供電時(shí)輸入電壓在0~5V之間；　　 工作頻率為250KHZ，轉(zhuǎn)換時(shí)間為32μS；　　 一般功耗僅為15mW；　　 8P、14P—DIP（雙列直插）、PICC 多種封裝； 商用級(jí)芯片溫寬為0176。C to +70176。C，工業(yè)級(jí)芯片溫寬為?40176。C to +85176。C；　　芯片接口說(shuō)明：　　 CS_ 片選使能，低電平芯片使能。　　 CH0 模擬輸入通道0，或作為IN+/使用?！　?CH1 模擬輸入通道1，或作為IN+/使用?！　?GND 芯片參考0 電位（地）?！　?DI 數(shù)據(jù)信號(hào)輸入，選擇通道控制?！　?DO 數(shù)據(jù)信號(hào)輸出，轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)輸出?！　?CLK 芯片時(shí)鐘輸入?！　?Vcc/REF 電源輸入及參考電壓輸入（復(fù)用）。DAC0832 為8位分辨率A/D轉(zhuǎn)換芯片，其最高分辨可達(dá)256級(jí)，可以適應(yīng)一般的模擬量轉(zhuǎn)換要求。其內(nèi)部電源輸入與參考電壓的復(fù)用，使得芯片的模擬電壓輸入在0~5V之間。芯片轉(zhuǎn)換時(shí)間僅為32μS，據(jù)有雙數(shù)據(jù)輸出可作為數(shù)據(jù)校驗(yàn)，以減少數(shù)據(jù)誤差，轉(zhuǎn)換速度快且穩(wěn)定性能強(qiáng)。獨(dú)立的芯片使能輸入，使多器件掛接和處理器控制變的更加方便。通過(guò)DI 數(shù)據(jù)輸入端，可以輕易的實(shí)現(xiàn)通道功能的選擇。單片機(jī)對(duì)DAC0832 的控制原理：　　正常情況下DAC0832 與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線，分別是CS、CLK、DO、DI。但由于DO端與DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，所以電路設(shè)計(jì)時(shí)可以將DO和DI 并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線上使用。當(dāng)DAC0832未工作時(shí)其CS輸入端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK 和DO/DI 的電平可任意。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，須先將CS使能端置于低電平并且保持低電平直到轉(zhuǎn)換完全結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK 輸入時(shí)鐘脈沖，DO/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1 個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前DI端必須是高電平，表示啟始信號(hào)。在第3個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2 位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能 當(dāng)此2 位數(shù)據(jù)為“1”、“0”時(shí)，只對(duì)CH0 進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”、“1”時(shí)，只對(duì)CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“0”時(shí)，將CH0作為正輸入端IN+，CH1作為負(fù)輸入端IN進(jìn)行輸入。當(dāng)2 位數(shù)據(jù)為“0”、“1”時(shí)，將CH0作為負(fù)輸入端IN，CH1 作為正輸入端IN+進(jìn)行輸入。到第3 個(gè)脈沖下沉之后DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后DO/DI端則開(kāi)始利用數(shù)據(jù)輸出DO進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由DO端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位 DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉DO端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19 個(gè)脈沖時(shí)數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志著一次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。作為單通道模擬信號(hào)輸入時(shí)DAC0832的輸入電壓是0~。如果作為由IN+與IN輸入的輸入時(shí)，可是將電壓值設(shè)定在某一個(gè)較大范圍之內(nèi)，從而提高轉(zhuǎn)換的寬度。但值得注意的是，在進(jìn)行IN+與IN的輸入時(shí)，如果IN的電壓大于IN+的電壓則轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)結(jié)果始終為00H。本系統(tǒng)是以單片機(jī)AT89C52和8位D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832以及zlg7289鍵盤及顯示共同實(shí)現(xiàn)正弦波，方波，三角波，鋸齒波這四種常見(jiàn)波形的產(chǎn)生及顯示相互切換的功能。系統(tǒng)原理框圖如圖21。單片機(jī)按鍵電源液晶顯示數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換乘法器波形輸出圖21 信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖3. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 基本原理系統(tǒng)框圖如圖31所示單片機(jī)按鍵電源液晶顯示數(shù)模轉(zhuǎn)換數(shù)模轉(zhuǎn)換乘法器波形輸出圖31 信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖 單片機(jī)介紹1) AT89S52的引腳圖如圖32所示圖32 AT89S52引腳圖2) 管腳說(shuō)明 低頻信號(hào)發(fā)生器采用AT89S52單片機(jī)作為控制核心，其內(nèi)部組成包括：一個(gè)8位的微處理器CPU及片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘產(chǎn)生電路，但石英晶體和微調(diào)電容需要外接；片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM低128字節(jié)，存放讀/寫數(shù)據(jù)；高128字節(jié)被特殊功能寄存器占用；片內(nèi)程序存儲(chǔ)器4KB ROM；四個(gè)8位并行I/O（輸入/輸出）接口P3 P0，每個(gè)口可以用作輸入，也可以用作輸出；兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器，每個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器都可以設(shè)置成計(jì)數(shù)方式，用以對(duì)外部事件進(jìn)行計(jì)數(shù)，也可以設(shè)置成定時(shí)方式，并可以根據(jù)計(jì)數(shù)或定時(shí)的結(jié)果實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制；五個(gè)中斷源的中斷控制系統(tǒng)；一個(gè)全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口。VCC：供電電壓。GND：接地。RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ALE/PROG：當(dāng)訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無(wú)效。 /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。 /EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。 XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。AT89S52單片機(jī)外部有32個(gè)端口可供用戶使用，其功能見(jiàn)表21：表21 AT89S52并行I/O接口端口引腳位置第一功能第二功能 符號(hào) 功能符號(hào)功能P03932通用I/0口AD0AD7地址數(shù)據(jù)總線P118通用I/0口P22128通用I/0口A8A15地址總線（高位）P310