摘 要

各种各样的信号是通信领域的重要组成部分，其中正弦波、三角波和方波等是较为常见的信号。在科学研究及教学实验中常常需要这几种信号的发生装置。为了实验、研究方便，研制一种灵活适用、功能齐全、使用方便的信号源是十分必要的。本文介绍的是利用AT89C51单片机和数模转换器件DAC0832产生所需不同信号的低频信号源，其信号幅度和频率都是可以按要求控制的。文中简要介绍了DAC0832数模转换器的结构原理和使用方法，AT89C51的基础理论，以及与设计电路有关的各种芯片。根据对课程设计的要求，文中着重介绍了如何利用单片机控制D/A转换器产生上述信号的硬件电路和软件编程。信号频率幅度也按要求可调。本次关于产生不同低频信号的信号源的设计方案，不仅在理论和实践上都能满足实验的要求，而且具有很强的可行性。该信号源的特点是：体积小、价格低廉、性能稳定、实现方便、功能齐全。

1 绪论

信号发生器是一类非常重要的电子仪器，在做实验、进行产品研制和调试以及系统测试中都是必不可少的，而一般的信号发生器是由硬件组成的，它的输出频率范围宽，各项指标高，性能优良，因而在对输出波形要求较高的地方被广泛采用。这种仪器的缺点是电路复杂，成本高，输出波形种类不多，不够灵活。在对波形指标要求不高、频率要求较低的场合，可以用单片机构成一个波形发生器，产生所需要的各种波形．这样的函数发生器靠软件产生各种波形，小巧灵活，便于修改，且成本低廉，容易实现。但受单片机工作频率的限制，它所构成的波形发生器的输出频率较低，各项指标也都不太高，只能用于对波形要求不高的场合。

2 系统主要硬件设计 2.1硬件电路构成

本电路的核心部件是 AT89C51 单片机, 此芯片是美国 ATMEL公司生产的低电压、高性能 CMOS 8 位单片机, 具有丰富的内部资源:4kB闪存、 128BRAM、 32 根 I/O口线、 2 个 16 位定时 / 计数器、 5 个向量两级中断结构、 2 个全双工的串行口, 具有 4.25～5.50V的电压工作范围和 0～24MHz工作频率, 使用 AT89C51 单片机时无须外扩存储器。另一主要部件是 DAC0832, 此芯片是 8 位分辨率 D/A转换集成芯片,与处理器完全兼容, 其价格低廉, 接口简单, 转换控制容易等优点, 因此在单片机应用系统中得到了广泛的应用。KA324 是四路独立的集成差分放大器。

图l 波形发生器的电路图

2.2 AT89C51单片机

由图2可见，在这一块芯片上，集成了一台微型计算机的主要组成部分，其中包括CPU、存储器、可编程I/O口、定时器/计数器、串行口等，各部分通过内部总线相连。下面介绍几个主要部分。

图2 AT89C51 功能方块图

1．管脚说明

ATMEL公司的AT89C51是一种高效微控制器。采用40引脚双列直插封装形式。AT89C51单片机是高性能单片机，因为受引脚数目的限制，所以有不少引脚具有第二功能。

VCC：供电电压。

GND：接地。

P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。

P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。

P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。

P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。

P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

P3.0 RXD（串行输入口）

P3.1 TXD（串行输出口）

P3.2 /INT0（外部中断0）

P3.3 /INT1（外部中断1）

P3.4 T0（记时器0外部输入）

P3.5 T1（记时器1外部输入）

P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）

P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）

P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。

XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。

XTAL2：来自反向振荡器的输出。

3．振荡器特性：

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。

4．芯片擦除：

整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。

此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。

2.3 DAC0832转换电路设计

DAC0832芯片是8位D/A转换器芯片，转换时间为1 us。DAC0832输出为电流信号，因此需要外接运算发大器，才能得到模拟的电压输出。其内部哟两级锁存器：第一级为输入锁存器，第二级为DAC寄存器。由于芯片内有两级输入寄存器，使DAC0832具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现模拟信号的输出，同时还可以采集下一个数据，以便适于各种电路的需要，这样可以有效的提高转速和效率。

图3 D/A转换电路图

2.4 时钟电路的设计

XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。

因为一个机器周期含有6个状态周期，而每个状态周期为2个振荡周期，所以一个机器周期共有12个振荡周期，如果外接石英晶体振荡器的振荡频率为12MHZ，一个振荡周期为1/12us，故而一个机器周期为1us[5]。如图4所示为时钟电路。

图4 时钟电路图

2.5 复位电路的设计

复位电路设计的核心是：在振荡器运行时，保证AT89C51的RST引脚上出现10ms以上稳定的高电平，这样可以使AT89C51可靠地复位。复位方法一般有上电自动复位和外部按键手动复位，单片机在时钟电路工作以后, 在RESET端持续给出2个机器周期的高电平时就可以完成复位操作。例如使用晶振频率为12MHz时，则复位信号持续时间应不小于2us。本设计采用的是外部手动按键复位电路。如图5示为复位电路。

图5 复位电路图

3 系统软件设计 3.1总体软件设计

1．软件主流程图如图6所示。

图6 主程序流程图

2．中断服务子程序流程图如图7所示。

图7 中断服务子程序流程图

3.2主程序设计

ORG 0000H

LJMP MAIN

ORG 0003H

LJMP CT0

ORG 0013H

LJMP CT1

ORG 0100H

MAIN:

KEYFDATA10 DATA 27H

KEYFDATA11 DATA 28H

KEYFDATA1 DATA 29H

KEYFDATA2 DATA 3AH

KEYADATA3 DATA 2BH

KEYNAME DATA 2CH

MOV P1 ， #11100000B

PSUH PSW

MOV R7 ,#10H

LOOP1;MOV R6 ,#30H

LOOP2:DJNZ R6 LOOP2

DJNZ R7 LOOP1

POP PSW

MOV P1, #00000000B

MOV DPTR ,#8300H

MOV A,#10001001B

MOVX @DPTR,A

MOV R2,#05H

MOV DPTR ,#8100H

MOV A,#OOH

MOV R3,10H

LOOP:

MOVX @DPTR,A

ADD A,R3

DJNZ R2 LOOP

MOV DPTR ,#8200H

MOV A,#00001111B

MOVX @DPTR ,A

CLR ITO ;中断初始化

MOV A, IPH

ANL A ,#11111110B

ORL A , #00000001B

MOV IPH ,A

CLR PXO

SETB EXO

SETB EA

CLR IT1

MOV A,IPH

ANL A, #11111110B

ORL A, #00000001B

MOV IPH ,A

SETB PX1

SETB EX1

SETE EA

START:

MOX A ,#00000000B

MOV P1 ,A

PSUH PSW

SETB RS0

CLR RS1

MOV R7 ,#10H

LOOP3: MOV R6 ,#30H

LOOP4: DJNZ R6 LOOP4

DJNZ R7 LOOP3

POP PSW

MOV P1 ,A

XRL A.#00H

JZ STARD

XRL A ,#00000001B

JZ SQUAR

XRL A,#00000010B

JZ SINE

XRL A ,#00000100B

JZ RECT

LJMP ATRART

3.3子程序设计

1．正弦波发生子程序如下：

MOV DPTR,#SINTAB ;正弦表写入内部RAM6DH-7FH

MOV R0,#6DH

LOOP: CLR A

MOVC A,@A+DPTR

MOV @R0,A

INC DPTR

INC R0

CJNE R0,#80H,LOOP

MOV DPTR,#7FFFH ;设置D/A转换器的端口地址

MOV R0,#6DH ;设置正弦表指针

LOOP1: MOV A,@R0 ;查表

MOVX @DPTR,A ;D/A转换

ACALL DELAY ;延时，等待转换结束

DEC R0 ;正弦表位移量增量

CJNE R0 #6DH,LOOP1 ;第一象限输出完？

LOOP2: MOV A,@R0 ;查表

MOVX @DPTR,A ;D/A转换

ALCALL DELAY ;延时，等待转换结束

DEC R0 ;正弦表位移量减量

CJNE R0 #6DH,LOOP2 ;第二象限输出完？

LOOP3: MOV A,@R0 ;查表

CPLA ;表值取反

MOVX @DPTR,A ;D/A转换

ACLALL DELAY ;延时，等待转换结束

INC R0 ;正弦表位移量增量

CJNE R0,#7FH,LOOP3 ;第三象限输出完？

LOOP4:MOV A,@R0 ;查表

CPL A ;表值取反

MOVX @DPTR,A ;D/A转换

ALCALL DELAY ;延时，等待转换结束

DEC R0 ;正弦表位移量减量

CJNE R0,#6DH,LOOP4 ;第四象限输出完？

SJMP LOOP1

DELAY:MOV R7,#200 ; 延时50ms

DEL1:MOVR6,#123

NOP

DEL2:DJNZ R6,DEL2

DJNZ R7,DEL1

RET

SINTAB: DB 7FH,89H,94H,9FH,0AAH,0B4H,0C8H,0D1H,0D9H

DB 0E0H,0E7H,0EDH,0F2H,0F7H,0FAH,0FCH,,OFEH,0FFH

END

2．锯齿波发生子程序如下：

MOV DPTR,#7FFFH ;端口地址7FFFH—间址寄存器

MOV R7,#0 ;R7为0

DASAW:MOV A,R7 ;A清零

MOVX @DPTR,A ;写RAM

INC R7 ;R7寄存器加一

NOP ;空操作

NOP

NOP

SJMP DASAW ;转移

END

3．方波发生子程序：

MOV DPTR,#7FFFH ; 设置D/A转换器的端口地址

MOV R7,#FFH ；将#FFH送R7

FANGB:MOV A,R7 ;给A赋值

MOVX @DPTR,A ;写RAM

ACALL DELAY ;调用延时子程序

CPL A ;A取反

MOVX @DPTR,A ;写RAM

ACALL DELAY ;调用延时子程序

SJMP FANGB ；返回FANGB

DELAY:MOV R7,#200 ; 延时50ms

DEL1:MOVR6,#123

NOP

DEL2:DJNZ R6,DEL2

DJNZ R7,DEL1

RET

END ; 程序结束

4．三角波发生子程序如下：

MOV DPTR,#7FFFH ; 设置D/A转换器的端口地址

L1：MOV R7,#00H ；A清零

MOV A，R7

L2: MOVX @DPTR,A ；写外部存储器

NOP ；延时

NOP

NOP

INC A ；A加1

JNZ L1 ；不等与零则转L1

L3: MOVX @DPTR,A ；写外部存储器

结 论

信号发生器是一种能产生标准信号的电子仪器，是工业生产和电工、电子实验中经常使用的电子仪器之一。信号发生器种类较多，性能各有差别，但它们都可以产生不同频率的正弦波、调幅波调频波信号，以及各种频率的正弦波、方波、三角波、锯齿波等。本课程设计在AT89C51单片机的基础上，通过对时钟电路，复位电路，DAC0832转换电路的设计实现了正弦波、方波、三角波、锯齿波的输出，达到了设计的目的。