逯久鑫，彭 旋，樊軍慶

（海南大學(xué)機(jī)電學(xué)院 海南 儋州 571737）

單片機(jī)是在20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種大規(guī)模集成電路芯片，是由中央處理器（CPU）芯片、ROM芯片、RAM芯片和I/O接口以及其他外圍電路等通過(guò)印刷電路板上總線連接成一體的完整的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。具有成本低、體積小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)。信號(hào)發(fā)生器是一種在生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中都有著廣泛應(yīng)用的一種信號(hào)源。傳統(tǒng)的正弦信號(hào)源根據(jù)實(shí)際需要一般價(jià)格昂貴，低頻輸出時(shí)性能不好且不便于自動(dòng)調(diào)節(jié)，工程實(shí)用性較差。現(xiàn)利用單片機(jī)的優(yōu)越特性制作一種體積小，使用方便的低頻信號(hào)發(fā)生器。以AT89C51單片機(jī)為核心結(jié)合低速D/A，通過(guò)設(shè)計(jì)與編程實(shí)現(xiàn)了鋸齒波、方波、正弦波的產(chǎn)生及其自由切換以及實(shí)現(xiàn)頻率、相位的可調(diào)與多相波的同時(shí)輸出。

1 方案設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電路如圖1所示，由波形的控制端口控制何種波形的輸出并使連接在P0口的相應(yīng)指示燈亮。信號(hào)數(shù)據(jù)由P0口輸出，經(jīng)低速D/A、放大電路、濾波電路最后輸出。頻率的調(diào)整信號(hào)由P2口輸入，經(jīng)過(guò)改變相應(yīng)的延時(shí)子程序改變輸出波的頻率，相位的調(diào)整信號(hào)由P2口輸入。而信號(hào)的幅值是通過(guò)改變連接在D/A上的滑動(dòng)變阻器而改變D/A的參考電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)的[2]。

圖1 電路圖Fig.1 Circuit diagram

1.1 產(chǎn)生波形的原理

由D/A的模擬輸出公式 Vout=B×VR（VR為常數(shù)，由參考電壓 VREF=Vref+－Vref－決定；B 為數(shù)字量，常為一個(gè)二進(jìn)制數(shù)，由單片機(jī)輸出給D/A）可知：當(dāng)改變數(shù)字量B時(shí)，D/A產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的Vout。如果單片機(jī)輸出給D/A的B1值由延時(shí)子程序保持一段時(shí)間（如1/2周期T）后再突變?yōu)榱硪粋€(gè)數(shù)值B2并保持相同一段時(shí)間之后再變回B1，循環(huán)上述程序即可產(chǎn)生一個(gè)方波；當(dāng)B3在00H～0FFH線性變化為B4時(shí)（如以 00H開始，每相隔一定的時(shí)間用“INC”指令加1，直至等于B4=0FFH）再突變回B3，此時(shí)Vout也產(chǎn)生一個(gè)線性值，同樣循環(huán)上述程序便可產(chǎn)生鋸齒波；同理，如果將正弦波對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼放在單片機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)，通過(guò)“MOVC A，@A+DPTR”不斷取數(shù)據(jù)送P0端口，則在濾波輸出端可得到正弦波信號(hào)[3]。此時(shí)由D/A轉(zhuǎn)換出的波形信號(hào)是一種離散信號(hào)。既所獲得的信號(hào)不是連續(xù)的模擬信號(hào)，而是由一個(gè)個(gè)離散的點(diǎn)組成的離散信號(hào)。所以，為了使輸出的波形信號(hào)盡量減少失真，必須要獲得準(zhǔn)確的波形數(shù)據(jù)。為此，需要對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行離散化處理[4]。這里以正弦信號(hào)為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖2所示，正弦信號(hào)是由D1，D2，D3……DN這種的點(diǎn)組合成的離散信號(hào)。為了減小輸出信號(hào)的失真度，必須保證組成信號(hào)離散點(diǎn)的個(gè)數(shù)，使其盡可能的接近正弦波以滿足失真度滿足使用要求。根據(jù)不同的采樣的多少計(jì)算出相應(yīng)的失真度如表1所示。由表1可知，采樣點(diǎn)越多，失真度越小[5]。離散時(shí)取得的采樣點(diǎn)越多，數(shù)值量化的位數(shù)越多，則用DAC復(fù)現(xiàn)的波形精度越高。但是這時(shí)由于選取的點(diǎn)過(guò)多的話會(huì)影響單片機(jī)的輸出速度（會(huì)直接影響得到的波形的頻率）。由于離散點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)存在于程序的表格中，離散點(diǎn)取的過(guò)多會(huì)使表格占用單片機(jī)內(nèi)存過(guò)多。

圖2 正弦波形的離散化Fig.2 Sine wave discretization

表1 采樣點(diǎn)與失真度之間的關(guān)系Tab.1 Relationship between sampling points and the distortion degree

1.2 波形頻率與相位的調(diào)整

由圖2所示，由于得到的信號(hào)[6]是由一個(gè)個(gè)的離散點(diǎn)組成的離散信號(hào)。此時(shí)，一個(gè)點(diǎn)與另一個(gè)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔△t1主要是由延時(shí)子程序（其中也包括單片機(jī)執(zhí)行每個(gè)命令所使用的時(shí)間）所控制的。以取256個(gè)點(diǎn)為例，正弦波的周期T=256×△t1當(dāng)延時(shí)子程序所控制的時(shí)間間隔△t1正弦波周期T也就有相應(yīng)的時(shí)間變化。所以基于上述原理，通過(guò)在單片機(jī)的P2.0與P2.1兩端口設(shè)兩個(gè)獨(dú)立按鍵來(lái)實(shí)現(xiàn)延時(shí)子程序所控制的時(shí)間間隔△t1的增大與減少進(jìn)而實(shí)現(xiàn)波形頻率的可調(diào)。以正弦波為例，當(dāng)需要改變波形的初始相位時(shí)即改變波形在t=0時(shí)刻的值。由圖2所示，可看出初始設(shè)定的正弦波在t=0時(shí)刻的值為零。這時(shí)單片機(jī)從查表程序中取出的是以零對(duì)應(yīng)的表中數(shù)據(jù)，然后依次向外輸送之后表中的數(shù)據(jù)，由此推知，如果在t=0時(shí)輸出與圖2中D1的值所對(duì)應(yīng)的程序表中的數(shù)據(jù)，這時(shí)在t=0時(shí)刻的值就由0變?yōu)榱薉1，也就可以看出，正弦波形向左移動(dòng)了一個(gè)單位。

1.3 波形幅值的調(diào)整

由D/A的模擬輸出公式Vout=B×VR。當(dāng)Vout與B為常量時(shí)，改變VR的大小可以相應(yīng)改變Vout，即改變波形的幅值。由電路圖1可以看出，Vref是由外部電源提供一個(gè)+5 V的電壓，這里通過(guò)串聯(lián)一個(gè)滑動(dòng)變阻器R1。通過(guò)改變滑動(dòng)變阻器R1的大小改變VR，當(dāng)VR線性變化時(shí)也就實(shí)現(xiàn)了波形幅值的連續(xù)可調(diào)。

1.4 三波異相的同時(shí)輸出

實(shí)際使用過(guò)程中通常會(huì)遇到要使用多波同時(shí)輸出，為了實(shí)現(xiàn)這種功能可以使用3塊低速D/A轉(zhuǎn)換器（包括其后的放大電路與低通濾波電路）連接在同一單片機(jī)上。雖然一塊單片機(jī)不能同時(shí)向3塊D/A輸出其所需要的數(shù)據(jù)，但可以通過(guò)單片機(jī)向D/A的控制端口輸送不同的控制信號(hào)，是其中的一塊D/A工作另兩塊不工作，并向其中的工作的D/A輸送數(shù)據(jù)，然后關(guān)閉第一塊D/A開放第二塊，以此進(jìn)行循環(huán)。三波的幅值是由各D/A的參考電壓Vref決定，參照1.3中敘述的方法，可以改變各自的幅值。這里筆者通過(guò)單片機(jī)給通過(guò)P3.0，P3.1，P3.2 3接口連接相應(yīng)3塊D/A的控制端口。由程序控制P3.0，P3.1，P3.2 端口，依次使 P3.0，P3.1，P3.2 處于低電平，另外兩個(gè)端口處于高電平（連接高電平端口的D/A處于不工作狀態(tài)）。使單片機(jī)向3塊D/A逐個(gè)輸送數(shù)據(jù)便可實(shí)現(xiàn)3波同時(shí)輸出。但由于單片機(jī)的主頻限制，這時(shí)會(huì)使輸出波的頻率大大下降。

1.5 數(shù)模（D/A）轉(zhuǎn)換部分

D/A轉(zhuǎn)換部分選用的是DAC0832。DAC0832是CMOS工藝制造的8位單片D/A轉(zhuǎn)換器，屬于R-2RT型電阻網(wǎng)絡(luò)的8位D/A轉(zhuǎn)換器，建立時(shí)間150 ms，為電流輸出型，并且片內(nèi)帶輸入數(shù)字鎖存器[7]。DAC0832與8031接成的是直通方式。由單片機(jī)的P0口直接把信號(hào)送達(dá) “八位DAC寄存器”，ILE接+5 V，XFER、WR2接地以及 WR1與 CS分別接單片機(jī)的WR與P3.0（當(dāng)使用多片D//A產(chǎn)生3相信號(hào)時(shí)，另外兩個(gè)與P3.1與P3.2相接）相接。為提高波形質(zhì)量和負(fù)載能力，后級(jí)處理采用低通濾波器和功率放大電路。濾波電路采用一階低通濾波器，其阻帶特性衰減太慢，一般為-20 dB/10，所以這種電路適用于對(duì)低頻信號(hào)濾波特性要求不高的場(chǎng)合。

2 程序流程圖

主程序的流程圖如圖3所示。子程序流程圖如圖4所示。

圖3 主程序流程圖Fig.3 Flow chart of main program

圖4 子程序流程圖Fig.4 Subroutines flowchart

3 軟件仿真

在Protues繪制電路圖，加載單片機(jī)程序，有如下仿真。

1）不同波形的仿真，如圖5所示。

圖5 不同的波形仿真Fig.5 Different waveform simulation

2）不同頻率的波形，以正弦波為例，如圖6所示。

圖6 不同頻率的波形Fig.6 Waveforms of different frequency

3）改變滑動(dòng)變阻器來(lái)改變波形的幅值以正弦波為例，如圖7所示。

圖7 不同幅值的波形Fig.7 Waveform of different amplitude

4）三相正弦波波同時(shí)輸出以正弦波為例，如圖8所示。

圖8 三相正弦波Fig.8 Three-phase sine wave

4 結(jié) 論

由以上仿真結(jié)果可以表明，以單片機(jī)為核心制作的小型低頻的信號(hào)發(fā)生器[8]不僅成功的產(chǎn)生了方波、鋸齒波、正弦波以及多鐘波型的共同產(chǎn)生，并且實(shí)現(xiàn)了頻率與相位的可調(diào)，而且波形并無(wú)明顯失真現(xiàn)象。

不足之處就是筆者以12 MHz的晶振進(jìn)行仿真，得到的信號(hào)頻率很低。理論上提高晶振的頻率或是使用更高速的單片機(jī)可以改善低頻的現(xiàn)象。

[1]李道霖，韓緒鵬，肖春芳.正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（12）:165-169.

LI Dao-lin，HAN Xu-peng，XIAO Chun-fang.Design and implementation of sinusoidal signal generator[J].Electronic Design Engineering， 2010，18（12）:165-169.

[2]胡漢才.單片機(jī)原理及其接口技術(shù)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2004.

[3]雷發(fā)禹，賓淼林，李永枧，等.基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與仿真[J].邵陽(yáng)學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，6（3）:39-43.

LEI Fa-yu， BIN Miao-lin， LI Yong-jian，et al.The design and simulation of signal generator based on MCU[J].Journal of Shaoyang University：Natural Science Edition，2009，6（3）:39-43.

[4]徐愛鈞.智能化測(cè)量控制儀表原理與設(shè)計(jì)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2004.

[5]徐陽(yáng)，鐘寶榮.基于單片機(jī)的低頻信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2008，5（3）：71-73.

XU Yang，ZHONG Bao-rong.Design of a microcontrollerbased low frequency signal generator[J].Journal of Yangtze University：Natural Science Edition， 2008，5（3）：71-73.

[6]李婷婷.絕緣子放電聲信號(hào)研究及污穢度預(yù)測(cè)[J].陜西電力，2010，38（3）:38-41.

LI Ting-ting.Study on acoustic emission signal of insulator and ESDD forecasting[J].Shaanxi Electric Power，2010，38（3）:38-41.

[7]唐麗麗，何剛，文小森.基于89C51的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2007（2）：76-78.

TANG Li-li，HE Gang，WEN Xiao-sen.Design and implement of signal generator based on 89C51[J].Instrument Technique and Sensor，2007（2）：76-78.

[8]安平花，薛安成，畢天姝.調(diào)速系統(tǒng)引入遠(yuǎn)方信號(hào)抑制區(qū)域低頻振蕩可行性研究[J].陜西電力，2009，37（4）:1-5.

AN Ping-hua，XUE An-cheng，BI Tian-shu.Feasibility study on governor-side damping controller for inter-area low frequency oscillation of power system with remote signal[J].Shaanxi Electric Power，2009，37（4）:1-5.