基于单片机设计的简易信号源

1． 引言
    信号发生器在教学、试验、测控等各个领域有十分广泛的应用，其输出信号的频率范围覆盖了各个频段，从甚低频到甚高频，操作方式也从手动旋钮到程控，产生的波形从传统的正（余）弦波和脉冲波形，发展到现在能产生各种任意波形。以前的信号发生器往往独占一个机箱，而现在的一些应用中，它只是一块插在计算机中的扩展卡，还有一些信号发生器设计成一个独立的小模块，通过RS-232C或RS-422，RS-485等串行总线和计算机连接。
    其实，在许多固定的控制应用中，只要求信号发生器产生单一波形，或可数的几个波形。如果仅仅要求产生单一的正（余）弦波或者脉冲波形，可以利用传统的振荡器电路。当信号频率有所选择时，问题仍然比较简单。但若产生的信号波形比较复杂时，电路的设计也同样变得很复杂。加之传统振荡器电路由于有较大的温度漂移，需要较长的预热时间，为达到较高的频率精度，需仔细调节电路各个参数。
    数字频率合成技术的采用，大大简化了信号发生器的设计。但在某些特定情况，需要的仅仅是几个单独的波形，这时我们可以使用单片机和DAC芯片，用十分简单的电路产生所需要的波形。

2． 电路设计及编程考虑
    单片机简易信号发生器电路框图如图1，仅由一片AT89C2051单片机，一片DAC0832和由运放组成的低通滤波器组成。AT89C2051内部有 2KB的FLASH存储器，可以保存运行程序和波形参数，128字节的RAM可以用于存放波形参数。由于采用了数字合成技术，可以产生各种简单或复杂的波形。

     工作过程说明如下；(1)决定产生的信号波形；通电稳定工作以后，单片机首先读取P3.0和P3.1引脚信号，决定程序应跳转的地址。每个跳转地址有一个输出波形。(2)将保存在FLASH中的样本数据送往DAC0832，供其转换成模拟电压。
    首先应将波形参数转换成样本数据。假若每周期有N个样本数据，则第K个样本数据的计算方法为：
    DK=127(1+SIN(2πK/N)  K=0,1,2,……N-1
    由于在实际产生波形的过程中，数据由运行程序逐个取得送出，在产生周期波时是一个循环过程。因此必须考虑程序取数、送数、循环等操作的时间开销。对于 MCS51系列单片机，在晶振频率为12MHz时，每条指令的执行时间为1～2μs。为了使波形足够光滑，每周期的点数应尽可能多，这样要求单片机发送样本数据的速率尽量快。由于送数周期的限制，在增加样本点数时，输出信号频率会降低。同时从程序存储器空间取数时需要较长的时间，当样本数据的个数不多时，可以把样本数据先移到RAM中，程序执行时直接从RAM中取数送往DAC，就能增加发送样本数据的速率。
    下面以产生单一4800Hz正弦波为例，说明程序设计过程。参数N的计算见后面的说明。
 ORG    0000H
         MOV    R0,#0
         MOV    R1,#4
         MOV    R2,#124
         MOV    DPTR,#200H
         MOV     A,#0
MOVD:  MOVC    A,@A+DPTR  ;将样本数据从FLASH
         MOV     @R1,A   ;移到内部RAM中，
         INC     R0   ;可以减少送数时间
         INC R1
         MOV     A,R0
         DJNZ    R2,MOVD
         MOV     R0,#04
DOUT:   MOV     A,@R0   ;轮流送数到DAC
         MOV     P1,A
         INC  R0
         CJNE    R0,#128,DOUT
         MOV     P1,#128  ;从起点开始重新送样本数据
         MOV     R0,#04  ;
         SJMP  DOUT   ;送数循环结束
      ;
 ORG 0200H   ;样本数据表
 DB 0147
 DB 165
 ……   
    以上程序中，DOUT标号开始的一段循环程序送样本数据。该段循环程序指令经过精心选择，N个样本数据共用4条指令，执行时间为5μs。但对4800 Hz的信号频率，信号周期为208.3333μs，计算得到样本数据的个数N=208.3333/5=41.6667。由于样本数据的个数不能为小数，可以考虑采用4舍5入，以得到最接近的信号频率。因此取样本个数为42，但信号周期变为210μs，信号频率为4762Hz，频率误差很大，达不到使用要求。
    为此，可采用多周期综合技术。多周期综合的方法就是在计算样本数据时，将M个周期一并考虑。即N个样本数据代表了M个信号周期的波形，使每个周期的样本数与要求值最接近。计算公式如下：
DK=127(1+SIN(2лMK/N)    K=0,1,2,3……N-1
    为此，需合理确定N和M的值。
    M的值可如下确定；取单周期样本数据个数的小数部分，除1的结果既为M。对f0=4800Hz，可知M恰好等于3。
    下面计算N；已知每个样本数据需要5μs，样本周期数为3，信号频率为4800 Hz，则
             N=3/4800*1000000/5=125
    由此可知样本数据的计算公式：
    DK=127（1+SIN(6л/125)）  K=0,1,2……124
    实用中，用该信号源产生了4800Hz正弦波，400Hz正弦波、480Hz正弦波和1000Hz方波四种波形。400Hz、480Hz正弦波和1000Hz方波的波形参数计算此处略。实测表明四种信号的频率误差都小于0.5Hz。
如果信号频率比较低，样本数据很多，就不需要把样本数据先移到RAM中，而直接从FLASH中取得样本数据送往DAC。对正弦波来说，当每周期有20个以上的样本数据时，就有比较好的波形。对于矩形波来说，每周期只需要2个样本数据。

3． 小结
    以上电路虽然简单，但有比较精确的波形。由于波形参数完全由软件预先设定，除了产生正弦波、方波以外，还能产生梯形波或sin(x)/x等形状复杂的波形。可以将电路设计成嵌入式结构，从而在一些工业生产现场得到应用。

参考文献
1  余永权．ATMEL89系列(MCS-51兼容)FLASH单片机原理及应用．电子工业出版社．1997年
2 蒋焕文，孙续．电子测量．中国计量出版社．1988年