浅谈基于AT89S51单片机的信号发生器设计

　　浅谈基于AT89S51单片机的信号发生器设计
　　本文提出并设计了一种基于AT89S51单片机控制的MAX038信号发生芯片的信号发生器设计。对其振荡频率控制、信号输出幅度控制以及频率和幅度数显的实现作了较详细的论述。该函数信号发生器可输出三角波,方波和正弦波。pf.39.net/whbdf/
　　引言
　　本文提出并设计了一种基于AT89S51微处理器控制的MAX038信号发生芯片的信号发生器设计。文中详细介绍了该系统的原理、构成及其设计方法。依据MAX038 输出频率的数控调节原理,配合单片机控制,我们可以实现数控的函数信号发生器。
　　1系统总体设计
　　如图1所示，利用单片机AT89C51对主信号发生芯片进行数字控制。因为MAX038原是模拟量控制型芯片，所以中间要通过数模转换电路，对MAX038产生的波形信号进行频率、占空比、幅度的控制，以及产生波形的选择控制。
　　图1 方案框图
　　MAX038 的输出频率主要受振荡电容CF、IIN端电流和FADJ端电压的控制,其中前二者与输出频率的关系如图2所示。选择一个CF值,对应IIN端电流的变化,将产生一定范围的输出频率。另外,改变FADJ端的电压,可以在IIN控制的基础上,对输出频率实现微调控制。为实现输出频率的数控调整,在IIN端和FADJ端分别连接一个电压输出的DAC。首先，通过DACB产生0V(00H)~2.5V(0FFH)的输出电压,经电压/ 电流转换网络,产生0μA到748μA的电流,叠加上网络本身产生的2μA电流,最终对IIN端形成2μA~750μA的工作电流,使之产生相应的输出频率范围。DACB将此工作电流范围分为256级步进间隔,输出频率范围也被分为256级步进间隔。所以,IIN端的电流对输出频率实现粗调。第二步,通过DACA 在FADJ端产生一个从-2.3V(00H)~+2.3V(0FFH)的电压范围,该范围同样包含256级步进间隔,IIN 端的步进间隔再次细分为256级步进间隔,从而在粗调的基础上实现微调。
　　1.1单片机介绍及外围电路
　　图2 单片机外围电路
　　如图2所示，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压、高性能CMOS 8位单片机，片内含4k bytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。[1]
　　如图2中所示，在单片机的I/O口分配上利用率比较高，应为I/O资源刚好可以满足控制设计的需要，所以不需要另外扩充I/O资源。根据P0口，P1口，P2口及P3口各自的特点，我们选用P0口作为数据口，通过分时复用的方法分别送数据给MAX505的A、B、C通道控制频率和占空比;送数据给LCD1602传送信息显示数据。选用P1口的P1.0～P1.5做按键输入口。P1.6与P1.7做幅度控制的I2C数据输出口，单片机自身不具备I2C功能，所以要通过软件控制实现。另外，P2口与P3口做MAX505、MAX038、4052(段选芯片)的数据控制口及片选口。还有P3.0(RXD)、P3.1(TXD)做上位机通信口分别接MAX232芯片的OUT输出IN与输入引脚。
　　1.2D/A转换电路(频率，占空比控制电路)
　　如图3所示，我们用+2.5V做MAX505的基准电源。我们选用了MAX505的3路D/A输出分别控制MAX038的DADJ、FADJ和IIN引脚，在前面我们知道MAX038的DADJ和FADJ引脚要求输入的电压信号时在-2.3V～+2.3V之间，IIN的输入要求是0μA～750μA的电流。通过一个转换电路将MAX505的输出是0～2.5V的电压转换为所需要的电压电流。
　　在MAX038的FADJ端选择DACB通道，同样的接法可以实现-2.3V～+2.3V 的电压控制信号。
　　图3D/A转换电路图
　　这样就实现了所需要的模拟量的输入，D/A转换图如图3所示。
　　1.3频段选择电路
　　我们选用多路开关CD4052做为切换不同电容所需要用的芯片器件。每当S1，S2出于不同的的组合状态的时候，可以同时选通两路开关AxBx,因此采用如图4所示的连接方式可以实现将电容连接到5脚COCS上。
　　1.4幅度控制电路
　　该部分电路主要有放大器电路和数字电位器电路两部分组成，其中放大器部分电路的作用是将MAX038产生的电压波形2Vp-p放大为5Vp-p，数字电位器电路的作用是为了实现产生的电压波形在-5V～+5V之间数字可调。
　　美国模拟器件公司推出一次性编程(OTP)数字电位计系列产品AD5171，用来读/写滑片位置，而OTP性能则能永久设定滑片的位置。工作温度范围为-40℃~+125℃之间，温度系数为35ppm/℃，工作电压在2.7~5.5V之间，工作电流不大于5A。AD5171是64滑点的数字电位计。
　　图4 频段选择电路
　　I2C(Inter-Integrated Circuit)总线是一种由PHILIPS公司开发的两线式串行总线，用于连接微控制器及其外围设备。I2C总线最主要的优点是其简单性和有效性。总线的构成及信号类型是由数据线SDA和时钟SCL构成的串行总线，可发送和接收数据。总线必须由主器件(通常为微控制器)控制，主器件产生串行时钟(SCL)控制总线的传输方向，并产生起始和停止条件。
　　当SCL保留高电位同时SDL变低时传送开始。这个开始状态之后，时钟信号变低来启动数据传送。在每一个数据位，时钟位在确保数据位正确时变高电平。在每一个8位数据的结尾发送一个确认信号，而不管它是地址还是数据。在确认时，传送端不会把SDL变为低电平，如果正确接收到了数据允许接收端把电位变为0。确认信号后，当SCL处于高电平时SDL从低变为高，指示数据传送停止。