【正文】 designed to be simple, excellent performance, with a certain degree of practicality. Key words: AT89S51。 Generator。但是 這種電 路存在波形 質(zhì) 量差，控制 難 ，可 調(diào) 范 圍 小， 電 路 復(fù)雜 和體 積 大等缺點(diǎn)。而由硬件 電 路 構(gòu) 成的低 頻 信 號(hào) 其性能 難 以令人 滿(mǎn) 意，而且由于低 頻 信 號(hào)源所需的 RC 很大；大 電 阻，大 電 容在制作上有困 難 ， 參數(shù) 的精度亦 難 以保 證 ；體 積 大， 漏電 ， 損 耗 顯 著更是其致命的弱點(diǎn)。 單片機(jī)在低頻信號(hào)發(fā)生器中的應(yīng)用 當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會(huì)，電子技術(shù)的進(jìn)步，給人們帶來(lái)了根本性的轉(zhuǎn)變。單片機(jī)構(gòu)成的儀器具有高可靠性、高性能價(jià)格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域得以極為廣泛的應(yīng)用，并走入家庭，從洗衣機(jī)、微波爐到音響汽車(chē)，處處可見(jiàn)其應(yīng)用。 一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。使其具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，因此在各個(gè)領(lǐng)域中都得到了迅猛的發(fā)展。 (1) 具有優(yōu)異的性能價(jià)格比 單片機(jī)盡可能地把應(yīng)用所需的存儲(chǔ)器 ,各種功能的 I/O 接口集成在一塊芯片內(nèi) ,因而其性能很高 ,而價(jià)格卻相對(duì)較低廉 ,即性能價(jià)格比很高。為了滿(mǎn)足 工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)的指令系統(tǒng)中有極豐富的轉(zhuǎn)移指令， I/O 口的邏輯操作指令以及位操作指令。 (3) 集成度高、體積小、可靠性高 單片機(jī)把各種功能部件集成在一塊芯片上，因而集成度高，均為大規(guī)?；虺笠?guī)模集成電路。同時(shí)，其體積小，對(duì)于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環(huán)境下工作。目前， 許多單片機(jī)已可在 電壓下運(yùn)行 ,有的已能在 或 下工作，功耗降至 μA級(jí) ,一粒鈕扣電 池就可長(zhǎng)期使用。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(mǎn)足系統(tǒng)的要求。 本文 采用 AT89S51 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。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)方案的比較 選題論證 制作低頻信號(hào)發(fā)生器可以用一片 DAC0832 來(lái)實(shí)現(xiàn)，它可以分為單極性和雙極性。之所以選單片雙極性是因?yàn)槠渚雀撸瑸V波好，抗干擾效果好 。 方案二： AT89S51 芯片中只有一路模擬輸出或幾路模擬信號(hào)非同步輸出，這種情況下CPU 對(duì) DAC0832 執(zhí)行一次寫(xiě)操作，則把一個(gè)數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入 DAC 寄存器， DAC0832 的輸出模擬信號(hào)隨之對(duì)應(yīng)變化。因此我們?cè)O(shè)計(jì)中采用方案二。它把構(gòu)成計(jì)算機(jī)的中央處理器 CPU、存儲(chǔ)器、 寄存器、 I/O 接口制作在一塊集成電路芯片中，從而構(gòu)成較為完整的計(jì)算機(jī)。 ⑵ ISP 在線編程功能，這個(gè)功能的優(yōu)勢(shì)在于改寫(xiě)單片機(jī)存儲(chǔ)器內(nèi)的程序不需要把芯片從工作環(huán)境中剝離。 ⑶ 最高工作頻率為 33MHz，大家都知道 89C51 的極限工作頻率是 24M，就是說(shuō) 89S51 具有更高 的 工作頻率，從而具有了更快的 計(jì)算速度。 ⑸ 內(nèi)部集成看門(mén)狗計(jì)時(shí)器，不再需要像 89C51 那樣外接看門(mén)狗計(jì)時(shí)器單元電路。 ⑺ 電源關(guān)閉標(biāo)識(shí)。 ⑼ 兼容性方面：向下完全兼容 51 全部子 系列產(chǎn)品。也就是說(shuō)所有教科書(shū)、網(wǎng)絡(luò)教程上的程序（不論教科書(shū)上采用的單片機(jī)是 80589C51 還是 MCS51），在 89S51 上一樣可以照常運(yùn)行， 這就是所謂的向下兼容。除了具有標(biāo)準(zhǔn) AT89S51 的數(shù)字外設(shè)部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。 3 硬件電路的設(shè)計(jì) 系統(tǒng)框圖 圖 低頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)框圖 低頻信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)主要由 CPU、 D/A 轉(zhuǎn)換電路、基準(zhǔn)電壓電路、電流 /電壓轉(zhuǎn)換電路、按鍵和波形指示電路、電源等電路組成。 P2 口與 DAC0832 的 DI0DI7 數(shù)據(jù)輸入端相連 。 波形指示 鍵 盤(pán) AT89S51 A/D 轉(zhuǎn)換 電流、電壓轉(zhuǎn)換 輸 出 電 源 基準(zhǔn)電壓 6 最小單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì) (1) AT89S51 功能特性概述 AT89S51 是一個(gè)低功耗，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 4k Bytes ISP(Insystem programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě) 1000 次的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn) MCS51 指令系統(tǒng)及 80C51 引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用 8 位中央處理器和 ISP Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的微型計(jì)算機(jī)的AT89S51 可為許多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高性?xún)r(jià)比的解決方案。 此外， AT89S51 設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為 0Hz，即零頻率的靜態(tài)邏輯操作， 并可通過(guò)軟件設(shè)置省電模式。同時(shí)該芯片還具有 PDIP、 TQFP 和 PLCC 等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。 ※ GND：接地。當(dāng)P1 口的管腳第一次寫(xiě) 1 時(shí)，被定義為高阻輸入。在 FIASH 編程時(shí)， P0 口作為原碼輸入口，當(dāng) FIASH 進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0 輸出原碼，此時(shí) P0 外部必須被拉高。 P1 口管腳寫(xiě)入 1 后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。 ※ P2 口： P2 口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的 8 位 準(zhǔn) 雙向 I/O 口， P2 口緩沖器可接收，輸出 4個(gè) TTL 門(mén)電流，當(dāng) P2 口被寫(xiě) “1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在給出地址 “1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)， P2 口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。 ※ P3 口： P3 口管腳是 8 個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的 準(zhǔn) 雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個(gè) TTL門(mén)電流。作為輸入，由于外部下拉為低電平， P3 口將輸出電流（ ILL）這是由于上拉的緣故 。 I/O 口作為輸入口時(shí)有兩種工作方式，即所謂的讀端口與讀引腳。只有讀端口時(shí)才真正地把外部的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)部總線。除了 P1口外 P0、 P P3口都還有其他的功能。當(dāng)振蕩器 工作 時(shí)，要保持 RST 腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在 FLASH 編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí) 。如想禁止 ALE 的輸出可在 SFR8EH 地址上置 0。另外，該引腳被略微拉高。 ※ /PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào) ，低電平有效 。 /PSEN 可以驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 負(fù)載。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。 ※ 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。 （ 3） AT89S51 的晶振及其連接方法 CPU 工作時(shí)都必須有一個(gè)時(shí)鐘脈沖。一般常用第二種方法，其電路見(jiàn)圖 (b)。 C C2：使用石英晶體時(shí)， C1=C2=30（ 177。10） pF （ 4） AT89S51 的復(fù)位 使 CPU 開(kāi)始工作的方法就是給 CPU 一個(gè)復(fù)位信號(hào)， CPU 收到復(fù)位信號(hào)后將內(nèi)部特殊功能寄存器設(shè)置為規(guī)定值，并將程序計(jì)數(shù)器設(shè)置為 “0000H”。 89S51 為高電平復(fù)位，一般有 3 種復(fù)位方法。通過(guò)外部復(fù)位電路的電 容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。設(shè)置一個(gè)復(fù)位按鈕，當(dāng)操作者按下按鈕時(shí)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。設(shè)計(jì)一個(gè)復(fù)位電路，當(dāng)系統(tǒng)滿(mǎn)足某一條件時(shí)自動(dòng)產(chǎn)生一個(gè)復(fù)位信號(hào)。 10 圖 89S51 的復(fù)位電路 （ 5） 芯片擦除 整個(gè) PEROM 陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過(guò)正確的控制信號(hào)組合，并保持 ALE 管腳處于低電平 10ms 來(lái)完成。 此外， AT89S51 設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可 以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。但 RAM，定時(shí)器，計(jì)數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。 各部分電路原理 DAC0832 芯片原理 （ 1） 管腳功能介紹 如圖 所示 89S51 11 圖 DAC0832 管腳圖 ※ DI7～ DI0： 8 位的數(shù)據(jù)輸入端， DI7 為最高位。 ※ IOUT2： DAC 電流輸出端 2，當(dāng) DAC 寄 存器中數(shù)據(jù) 全為 1 時(shí)，輸出電流最大，當(dāng) DAC寄存器中數(shù)據(jù) 全為 0 時(shí)，輸出電流 最小 ， IOUT2與 IOUT1的和為一個(gè)常數(shù)，即 IOUT1＋ IOUT2＝常數(shù)。 ※ refV ：參考電壓輸入 ，此端可接一個(gè)正電壓，也可接一個(gè)負(fù)電壓，它決定 0 至 255的數(shù)字量轉(zhuǎn)化出來(lái)的模擬量電壓值的幅度， refV 范圍 為 (+10～ 10)V。 ※ VCC： 數(shù)字電路電源 ，范圍為 (+5～ 15)V。 ※ DGND（ 10 腳）：數(shù)字量地。 一般情況下為了簡(jiǎn)化接口電路，可以把輸入端和輸出端直接接地，使第二級(jí) 8 位 DAC 12 寄存器的輸入端到輸出端直通，只有第一級(jí) 8 位輸入寄存器置成可選通、可鎖存的單緩沖輸入方式。 制作低頻信號(hào)發(fā)生器有許多方案：主要有單緩沖方式，雙緩沖方式和直通方式。而雙緩沖方式適用于在需要同時(shí)輸出幾路模擬信號(hào)的場(chǎng)合，每一路模擬量輸出需一片 DAC0832 芯 片，構(gòu)成多個(gè) DAC0832 同步輸出電路，程序簡(jiǎn)單化，但是電路線路連接比較復(fù)雜。 (2） 工作原理 DAC0832 主要由 8 位輸入寄存器、 8 位 DAC 寄存器、 8 位 D/A 轉(zhuǎn)換器以及輸入控制電路四部分組成。 DAC0832 與反相比例 放大器相連，實(shí)現(xiàn)電流到電壓的轉(zhuǎn)換，因此輸出模擬信號(hào)的極性與參考電壓的極性相反，數(shù)字量與模擬量的轉(zhuǎn)換關(guān)系為 Vout1=Vref（數(shù)字碼 /256） 若 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出為雙極性，如圖 所示。其原理是將 A2的輸入端 Σ 通過(guò)電阻 R1與參考電壓 VREF相連， VREF經(jīng) R1向 A2提供一Iout1 Iout2 Vfb DAC0832 U1 5 6 7 B 10 9 8 C R2=R R1=2R R3=2R R Vout2 A2 Vref +5V A1 Vout1 I1 I2 13 個(gè)偏流 I1，其電流方向與 I2相反，因此運(yùn)算放大器 A2的輸入電流為 I I2之代數(shù)和。 LM324 工作原理 圖 LM324 原理圖 管腳圖 LM324 是 四運(yùn)放集成電路 ，它采用 14 腳雙列直插塑料封袋，外形上圖所示。每一組運(yùn)算放大器可用圖中所示的符號(hào)來(lái)表示，它有 5 個(gè)引出腳，其中 “+”、 “”為兩個(gè)信號(hào)輸入端， “V+”、“V”為正、負(fù)電源端， “ 0V ”為輸出端。 LM324 的引腳排列見(jiàn)圖 。 14 電路原理 圖 電路原理圖 當(dāng)分別每按下按鍵一次就會(huì)分別出現(xiàn)方波、鋸齒波、正弦波，并且有數(shù)碼管會(huì)指示是那種波形的序號(hào)。 4 軟 件設(shè)計(jì) 軟件設(shè)計(jì)上，根據(jù)功能分了幾個(gè)模塊編程。 顯示波形模塊是利用 DAC0832 的 8 位特點(diǎn)，把波形的數(shù)據(jù)以 8 位數(shù)據(jù)的形勢(shì)送進(jìn) CPU中，只要一按鍵就能顯示波形。通過(guò)按鍵可以以任意循環(huán)方式輸出不同波形，數(shù) 碼管上顯示的數(shù)字分別對(duì)應(yīng)相應(yīng)的波形。 K1 按 1 次 輸出方波 K1 按 2 次 輸出 鋸齒 波 K1 按 3 次 輸出 正弦 波 開(kāi) 始 Y Y Y N N N 16 方 波程序流程圖 圖 方波程序流程圖 方 波產(chǎn)生首先將 DAC0832 口地址至為 4000H，當(dāng) A 中的內(nèi)容為 0 時(shí)，輸出對(duì)應(yīng)模擬量，然后延時(shí)，當(dāng) A 中的內(nèi)容為 0FFH 時(shí)，同樣輸出對(duì)應(yīng)模擬量，再延時(shí)，從而得到 方 波。 正弦波程序流程圖 開(kāi)始置ＤＡＣ0832口地址４0查表格取數(shù)送0832Ｒ１+1→Ｒ１取表格初值R1←0H 圖 正弦波程序流程圖 18 5 仿真結(jié)果 （ 1） 系統(tǒng)工作 狀態(tài)電路圖 如 下 圖 ： 圖 按鍵狀態(tài)圖形 （ 2） 方波波形 如 下 圖 ： 圖 方波仿真波形 19 （ 3） 鋸齒波波形 如 下 圖 ： 圖 鋸齒波仿真波形 （ 4） 正弦波波形 如 下 圖 ： 圖 正弦波仿真波形 20 6 測(cè)試結(jié)論 （ 1） 產(chǎn)生各種波形電壓輸出范圍及頻率如下 ： 方 波： VPP min= T= F= VPP max= 鋸齒波： VPP min= T= F= VPP max= 正弦波： VPP min= T= F= VPP max= 通過(guò)按鍵控制可