2018年04月05日 | 单片机AT89C52和D／A转换器DAC0832芯片为核心的信号发生器设计

    信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制系统和教学实验等领域。信号的产生有模拟电路、专用硬件和软件产生等方法。采用模拟电路搭建函数信号发生器，可同时产生方波、三角波、正弦波，但不能产生任意波形，存在波形质量差、控制难、可调范围小，电路复杂和体积大等缺点，且频率调节不方便。专用硬件方法产生的信号频率分辨率高、稳定性好、在线调整方便，如目前在通讯系统中应用广泛的直接数字频率合成(DDS)技术，例如AD9854是一种典型的信号产生方法，但是价格昂贵。

    利用单片机通过程序设计方法产生低频信号，其频率底线较低，具有线路简单、结构紧凑、体积小、价格低廉、频率稳定度高、抗干扰能力强、用途广泛等优点，且如需要产生新的波形时，只需对程序进行修改即可。文中利用单片机AT89S52和D／A转换器DAC0832转换数字信号为0～5 V模拟电压信号，并在LCD1602显示。

    1 系统硬件设计

    系统硬件采用模块化设计，以单片机控制器为核心，与D／A转换电路、按键电路、LCD显示电路等组成信号发生器控制系统。字符型液晶显示模块是一种专用于显示字母、数字、符号等点阵式LCD，目前常用的有16×1、16×2、20×2和40×2行等模块。系统选用1602字符型LCD模块，其控制器为日立公司生产的HD44780，可用来显示数字、字符等。按键输入使用独立式按键K1、K2，主要实现数字信号DAC值的加减。

    系统硬件组成框图如图1所示。

      1．1 主控芯片电路

    在大部分的工控或测控设备中，8位的MCS-51系列单片机能满足大部分的控制要求，加之MCS-51系列单片机的价格优势，使MCS-51系列单片机成为单片机应用主流。AT89S52是MCS-51系列兼容单片机中的代表产品。鉴于此，本系统选用AT89S52单片机作为主控制器。

    1．2 D／A转换电路

    D／A模块由D／A芯片和放大电路组成，系统D／A芯片选用DAC0832芯片来完成数／模转换过程。数字信号的输入从“D0～D7”端口输入，通过按键K1、K2实现DAC值的加减，其值在0～255之间，并在LCD1602上显示。控制DAC0832工作的控制信号南“WR-CS”端口输入。DAC 0832是电流输出型D／A转换芯片，通过集成运放LF393完成电流到电压的转换，由于LF393工作在双电源条件下，因此要给LF393加入±12 V电压。DAC转换的模拟电压值从“D／A输出”口输出。

    系统硬件电路原理图如图2所示。

      2 系统软件设计

    系统的软件设计使用C51编程，采用模块化设计方法，主要由主函数、定时器T0中断服务函数、D／A转换函数、计算D／A转换值函数、按键扫描函数、LCD显示函数、LCD显示A／D转换值函数等模块组成。根据D／A转换芯片DAC0832的工作时序，20 ms进行一次D／A转换，可以利用单片机AT89S52的定时器T0定时，20 ms定时到时，产生定时器T0中断，在定时器T0中断服务函数巾调用DAC0832采样转换函数进行D／A采样转换，然后调用计算D／A转换值函数把D／A转换值转换成相应的ASCⅡ码，最后通过LCD显示D／A转换值函数把DAC转换的模拟电压值(0～5 V)显示在液晶LCD1602上，并从“D／A输出”端子输出DAC转换的0～5 V模拟电压。系统软件结构框图如图3所示。

    
    主函数是完成硬件初始化、数据初始化、函数调用等功能，等待中断到来。计算D／A转换值ASCII码函数实现把D／A转换值dabl转换为相应的ASCII码，以便在LCD上显示。按键扫描函数实现了通过系统程序改变数字量初始值，按键K1实现数字量加1，按键K2实现数字量减1，使数字量在0～255的范围内变化，从而模拟数字信号的输入。LCD显示函数包括LCD初始化函数、写入指令数据到LCD函数、写入显示数据到LCD函数、LCD显示D／A转换值函数、延时函数等模块。软件程序的核心由定时器T0中断服务程序、DAC0832采样转换程序构成。

    2．1 定时器T0中断服务函数设计

    当定时器T0定时20 ms后，进入定时器T0中断服务函数。首先重装定时器T0初值，设置按键输入口P1口的值为0xdf，调用按键扫描函数。接着调用D／A转换函数进行D／A转换，得到D／A转换值dabl，然后调用计算D／A转换值函数计算dabl相应的ASCII码，再调用LCD显示D／A转换值函数把数字量输入值D／A进行转换后的模拟量显示在液晶LCD1602上。最后T0中断函数返回主程序等待下一次D／A转换。定时器T0中断服务函数设计流程图如图4所示。

    2．2 DAC0832采样转换函数设计

    根据D／A转换芯片DAC0832的工作时序，片选信号低电平有效。把芯片DAC0832的片选信号置低电平，选中该芯片。把数字量D／A转换值dabl送给P0口，准备送入芯片DAC0832进行D／A转换处理。芯片DAC0832写信号置低电平后再过两个时钟周期至高电平，产生一个上升沿信号，进行数据D／A转换处理。模拟量dabl从Iout1、Iout2引脚输出送到运算放大器LF393进行处理，最后从“D／A输出”端子输出，可用万用表测量到输出电压。数据转换完毕，把芯片DAC0832片选信号置高电平，最后函数返回。D／A转换函数设计流程图如图5所示。

    3 实验测试分析

    根据输入单片机的数字信号，用万用表测量从“D／A输出”端子测试输出模拟电压信号，如表1所示。从表1可知，该信号发生器的电压输出误差小、精度高。

      4 结束语

    系统按照简单化、便捷化原则设计，介绍了系统的总体结构、硬件设计和软件设计。侧重阐述了采用AT89S52单片机与D／A转换器DAC08 32对输入数字信号进行处理，最后驱动输出显示装置LCD1602显示D／A转换的0～5 V模拟电压信号。实验调试表明该信号发生器在技术指标上达到了设计要求，具有精度高、抗干扰性强、性能稳定、升级方便等特点，有较高的应用价值。