单片机在多种波形发生器中的应用图--电子技术文章-技术

单片机在多种波形发生器中的应用（图）

http: 2005-10-6

北极星电技术网 钱宏

摘 要：介绍了基于80C51单片机产生几种基本波形的方法。采用微处理器兼容的14位数模转换器MAX7534，高速，稳定，具有良好的线性。用户通过按键选择输出需要的波形，波形精度能够满足一般的使用条件。

关键词：波形发生器；单片机；MAX7534；方波；锯齿波；正弦波

本文利用80C51单片机外接数模转换器和I/V转换电路，由用户通过按键选择输出实验中经常使用到的几种基本波形：方波、锯齿波、正弦波。方波由80C51单片机内部自带的计数器/定时器产生，并由用户通过小键盘选择波形周期。与微处理器兼容的14位数模转换器MAX7534将数字量转换为模拟量电流信号，通过I/V转换电路得到双极性的锯齿波和正弦波信号，波形保证了他的精度和平滑、稳定。 1 硬件电路设计

80C51单片机时钟电路采用内部方式，外接陶瓷谐振器（频率为12 MHz），微调电容值为30 pF。系统复位采用按键式外部复位方式，复位信号至少保持8 μs以上。通过按键由用户选择要输出的波形，按键选择占用P1.1~P1.7口，采用独立式键盘结构。利用80C51单片机内部自带的计数器/定时器在P1.0口上产生连续方波，由用户通过按键选择输出方波周期。系统结构框图如图1所示。

1.1 D/A转换电路

本文采用美国MAXIM公司的微处理器兼容高性能单片14位数模转换器MAX7534。MAX7534内部功能框如图2所示。MAX7534的高质量、激光校准、薄膜电阻和带温度补偿的NMOS开关等确保了器件在整个工作温度范围内具有良好的线性和增益稳定性。MAX7534接收8位总线的2个字节，内部包括1个LS输入寄存器和1个MS输入寄存器，分时接收低8位和高6位的14位待转换数字量、1个14位DAC寄存器、1个14位DAC数模转换器和逻辑控制电路。数模转换器（DAC）电路包括由激光校准的11个薄膜R2R电阻阵、1个3位分段电阻阵和NMOS电流开关。该D/A转换器具有保护CMOS寄存器的功能，无需使用外加肖特基二极管保护。

MAX7534与80C51的具体连接见图3。工作时，通过A1、A0引脚确定MAX的工作过程，其对应关系见下表，当出现表中的第3种情况时，14位待转换的数字量通过MAX7534内部总线输入到14位DAC进行转换。转换结束，模拟量以电流形式输出。

1.2 I/V转换电路

由MAX7534转换得到的模拟量电流信号要转换成电压信号，需外加I/V转换电路。I/V转换电路与MAX7534的具体连接见图3。

图3是MAX7534的双极性或四象限乘法工作电路图电路提供的是偏移二进制码，为解决高温时的低泄漏，对VSS进行负偏置；C1为补偿电容，用来消除由DAC的输出电容和内部反馈电阻构成的极点，其值根据采用运放的不同而不同；在接近DAC的VDD和GND管脚处放置1个1 μF的旁路电容，再与1个0.01 μF的陶瓷电容相并联，抑制高频噪声。按图中给定的器件参数，输出电压的表达式为： VOUT=［(D-8192)/8192］×VIN

VIN=+5V，当D=0时，VOUT=－5V；当D=8192时，VOUT=0V；当D=16384时，VOUT=4.96V。转换关系见表2。

2 软件设计

在硬件设计的基础上进行软件编程。由用户通过按键选择需要输出何种波形。 2.1 方波输出

本文通过80C51单片机内部自带的定时器/计数器实现方波输出。采用定时器/计数器T1，工作方式1，计数器位数是16位；门控位GATE置0，定时器的运行只受控制寄存器TCON中运行控制位（TR）的控制；计数器初值的设定由以下公式计算得到：

N=2n-TCfosc/12

n为计数器位数；TC为定时时间；fosc为振荡频率。通过小键盘，由用户键入需要输出方波的周期（周期只能为正数，如1 ms,2 ms,10 ms等，最大为65 ms），在P0口将得到所需的方波波形。 2.2 锯齿波、正弦波输出

锯齿波中的斜线用一个个小台阶来逼近，在一个周期内从最小值开始逐步递增，当达到最大值后又回到最小值，如此循环，当台阶间隔很小时，波形基本上近似于直线。适当选择循环的时间，可以得到不同周期的锯齿波。由图3所示连接可知：选通MAX7534的LS寄存器地址为5FFFH；选通MS寄存器地址为：3FFFH；选通DAC寄存器地址为：7FFFH；选通DAC转换地址为：1FFFH。锯齿波产生程序流程图如图4所示。

正弦波的产生采用查表法，单片机的I/O输出均为+5 V的TTL电平，因此产生的正弦波幅值为+5 V。将一个周期内的正弦波形等分为N份，那么第1点的角度为0°，对应的正弦值为5sin0°；第2点的角度为360°/N，对应的正弦值为5sin (360°/N ) ……，如此计算下去，将这些模拟量正弦值都转换为双极性方式下的数字量，得到一张按照点号顺序排列的数字量正弦值表格。程序流程图与锯齿波产生子程序流程大致一致，只是每次送到MAX7534转换的14位数字量是根据得到的表格所查得的。 3 结语

本文基于80C51单片机的多种波形发生器产生的3种波形完全能够满足实验中的使用要求。采用的高性能数模转换芯片保证了输出波形的精度和稳定性。通过软件实现可以输出更多的基本波形如：梯形波、三角波、反向锯齿波等，具有实际的使用价值。 参考文献

1］周航慈,等.单片机程序设计基础［M］.北京：航空航天大学出版社，1999 2］李朝青.单片机原理及接口技术［M］.北京：航空航天大学出版社， 1994

在许多电子系统中，经常需要用到频率和幅度可调的正弦波信号作为基准或载波信号。正弦渡信号主要通过模拟电路或DDS(Direct Digital Synthesis)等两种方式产生.相对于模拟电路，DDS具有相位连续、频率分辨率高、转换速度快、信号稳定等诸多优点，因此，DDS存雷达、通信、测试、仪表等领域

得到了广泛的应用。

1 系统组成

该系统的核心部件是AD7008，AD7008是ADI公司推出的高集成度DDS频率台成器。首先单片机将频率控制字发送给AD7008，在AD7008的输出端口就可以得到所需的正弦信号，为了使输出信号的频率更为稳定，将输出信号通过由MAX262构成的中心频率可调带通滤波器进行滤波处理.MAX262的中心频率通过单片机按照AD7008的输出频率进行设置。DAC0832的作用是控制输出信号的幅度。系统组成框图如图1

所示。

2 主要硬件电路

系统的主要硬件电路如图2所示。其主要由AD7008与单片机之间的接口、程控滤波器、幅度控制

等三部分组成。现分别对其加以介绍。 1.2.1 A07008与单片机之间的接口

AD7008可以和外围MPU构成并行或串行两种接口方式，其中并行接口又可以分为8位和16位两种。由于系统采用8位单片机，考虑到响应速度，采用8位并行接口方式。当单片机将数据送到PO口时．如果AD7008的WR引脚(与单片机的P1.0相连)出现负脉冲，则PO口的数据被送入AD7008的并行寄存器。如果AD7008的LOAD引脚(与单片机的Pl.1相连)出现正脉冲，则根据TC3～TC0(与单片机的PO.3～PO.0相连)的逻辑关系，AD7008并行寄存器内的数据将会被送到片内命令寄存器、频率寄存器0、频率寄存器1或相位寄存器中。由此来对AD7008所产生的正弦信号进行控制。AD7008的输出引脚lOUT和IOUT通过一电阻接地，将输出电流转换成电压，再通过一运算放大器组成的减法电路后产生正弦波。

2.2 程控滤波器的设计

为了提高输出信号的质量，必须对由AD7008所产生的正弦信号进行滤波处理。由于该信号发生器用在电测仪表中，其对正弦信号的频率要求是40Hz～5kHz。笔者选用工作频率为1Hz～140kHz的MAX262来构成一个中心频率可程控的带通滤波器。MAX262有三个可程控参数：中心频率、Q值和工作模式。所有程控参数都通过数据引脚DO和Dl输入。地址引脚A3～A0控制输入数据进入不同的寄存器。当AD7008输出信号的频率确定后，就可以设定MAX262的中心频率和Q值。这样就构成一可程控的带通

滤波器对AD7008的输出信号进行滤波处理。

2.3 幅度控制

正弦信号的幅度控制是通过D/A转换器DAC0832来实现的。经过滤波处理的正弦信号接在DAC0832的参考电压引脚VREF上。DAC0832的八位数据输入引脚与单片机的P0口相连，由片选信号CS(与单片机的PI.2相连)来决定输入数据是否选通。由图2可知，DAC0832工作在单缓冲寄存器方式，

即当CS为低电平时，DO～D7数据线送来的数据直接进行D/A转换。

根据D/A转换的工作原理有：

将

代入，则有：

第一级运算放大器将电流转化为电压输出，则有：

将

表达式代入，得

第二级运算放大器起反向放大作用，它的输入和输出电压之间的关系为：

将

表达式代入，最后得到如下关系：

由于，所以输入电压通过该电路后，其输出受到由数字

控制的衰减。R改变DO～D7的值时，输出电压也随之变化，即实现了对正弦渡信号的幅度控制。

3 软件设计

单片机上电复位后，先对A D 7 0 0 8和MAX262进行初始化设置。然后开始检测外围输入单元。当有频率设置输入时．则将频率控制字送入AD7008，然后根据信号频率设置MAX262的中心频和Q

值。当有幅度设置输入时，则将幅度控制字送DAC0832。其程序流程框图如图3所示。

结 语

该信号发生器已经成功运用在某电测系统中，使用效果良好。由于受该系统的实际需求所限，还没有完全发挥DDS技术的全部优势。DDS还可以应用于跳频通信、数字调制等其它领域。尤其是那些要求频率精度高、转换时间短的应用场合，采用DDS技术相对其它频率合成技术来说具有无法比拟的优势。由

于DDS自身的优点，在性能要求较高的频率合成领域将会得到极为广泛的应用。