基于单片机的低频信号发生器设计

[收稿日期]2008207201　[作者简介]徐阳(19842),男,2005年大学毕业,硕士生,现主要从事计算机与嵌入式系统应用和网络安全等方面的研究工作。

基于单片机的低频信号发生器设计
徐　阳,钟宝荣　(长江大学计算机科学学院,湖北荆州434023)
[摘要]讨论了以SST89E564单片机为核心的低频信号发生器设计原理和方法,采用单片机外部大容量存
储器扩展技术及DAC 接口技术简化了仪器硬件设计,以软件查表方式读取波形信号经离散化处理之后的
数据,通过D/A 转换还原成所需要的信号波形,讨论了波形离散化处理方法及数据采样点数与存储容量
的关系,给出了硬件电路和软件框图。

[关键词]单片机;DAC 接口;离散化处理;信号发生器
[中图分类号]TN91116;TP36811[文献标识码]A [文章编号]167321409(2008)032N071203
在工业测量控制系统开发过程中,常常需要采用信号发生器来模拟真实信号源,以达到降低开发成本、提高项目开发效率的目的。

笔者设计了一种以单片机为核心的低频信号发生器,利用单片机的强大控制和计算能力[1],结合DAC 接口技术,产生频率和幅度都可调整的各种信号波形,模拟不同的目标信息[2]。

信号波形的产生通过单片机查表软件实现,提高了仪器工作速度,并且在用作多通道信号发生器时,可以实现十分准确的相移,如双通道间的90°相移,三通道之间的120°相移甚至任意角度的相移,这是过去用常规电子技术不易做到的。

图1　低频信号发生器硬件组成
1　低频信号发生器硬件组成及工作过程
低频信号发生器的硬件结构框图如
图1所示。

单片机SST89E564为仪器
核心,它片内集成了64K 字节具有
“在系统编程(ISP )”功能的FL ASH
存储器,用于存放程序代码。

考虑到波
形数据点数与存储器容量成正比的关
系,为了精确复现模拟信号波形,仪器
应具有足够大的存储器容量来保存波形
数据,为此在单片机外部扩展了2M 字
节的数据存储器。

众所周知8051单片
机的基本寻址范围只有64K 字节,设
计中采用附加高位地址线和分页技术进行单片机外部数据存储器扩展,在常规
16位地址线基础上,将SST89E564的P113、P114、P115作为附加高位地址线,这样19根地址线可将寻址范围扩展到512K 字节,再以此512K 字节作为一个页面,利用SST89E564的P116、P117通过一个2～4译码器进行分页寻址,实现2M (512K B 34=2MB )字节容量的数据存储器扩展。

存储器采用4片容量为512K 字节的非易失型静态RAM 芯片DS1250,该芯片具有掉电数据保护功能,数据可安全保存10年以上。

单片机通过查询存储单元内的波形信号数据,执行波形生成程序,将不同数字量送往DAC 进行转换,输出所需要的信号波形。

D/A 转换电路由DAC1芯片和DAC2芯片以及两级运算放大器组成,DAC1负责将单片机送来的数字量转换成模拟量,输出信号波形,同时以DAC2的输出作为DAC1的参考电压,单片机根据需要改变DAC2的输出电压就可以实现信号波形的幅度控制。

采用可编・
17・长江大学学报(自然科学版)　
2008年9月第5卷第3期:理工Journal of Yangtze U niversity (N at Sci Edit)　Sep 12008,Vol 15No 13:Sci &Eng
程芯片8279管理仪器的键盘显示接口,减轻单片机扫描键盘的负担,从而可以腾出更多时间进行波形信号处理。

信号发生器工作时,单片机根据键盘输入命令,通过查表获得预先存放在数据存储器中与信号波形相关的数据值,送往D/A 转换电路,输出一个电压点,当查表地址从全“0”(也可以从任意予置数)开始计算到满度值后再次回到全“0”时,表示一个完整的信号波形被输出。

如此反复,即可以获得连续的信号波形。

图2　正弦波形的离散化
2　波形信号的离散化处理
为了使输出信号波形尽量减少失真,必须获得准确的波
形数据,为此需要对模拟信号进行离散化[3]处理。

图2所示
为正弦波形的离散化,对于一个正弦波如取N 等分离散点,
可按定义计算出相对应于1,2,3,…,N 各点的值D 1,D 2,D 3,
…,D N 。

因为正弦波在半周期内是以极值点为中心对称,而且
正负波形为互补关系,故只需计算1/4周期,即取0～
π/2之间的数值,步骤如下:
1)计算0～
π/2区间N /4个离散的正弦值;2)根据对称关系,复制π/2～π区间的值;3)将0～
π区间各点根据求补即得π～π区间的值;4)将得到的这些数据根据所用DAC 的位数进行量化,得到相应的数字值,依次存入EEPROM 中,即可得到一个全周期的正弦编码表。

从图2可见,由数字合成的正弦波是由等时间分割阶梯波所组成的,为了减小数字合成波形的失真表1　采样点与失真度之间的关系采样点N 1010010004096失真度δ18%210%613×10-3414×10-4
度,应在一个周期内,取得足够多的N 等分阶梯波来逼
近正弦波,只要采样点N 取得足够大,就可以使数字合
成波形保持足够小的失真度。

根据不同采样点计算出相
应的失真度如表1所示。

由表1可知,采样点越多,失
真度越小。

离散时取得的采样点越多,数值量化的位数越多,则用DAC 复现的波形精度越高。

当然这时会在复现速度和存储器容量方面付出代价。

如正弦表中按每周期4096个点,每点数据按8位存储,一个周期正弦表需要的存储器容量为4K 字节;如果每点数据按12位存储,一个数据要占用2个字节,则一个周期正弦表的的容量将增加为8K 字节。

如以完成一次量化数据占用时间为250ns 计算,当正弦波失真度优于011%,取4096个采样点时,上限频率为:
f x max =1250×10-9×4096≈1(k Hz )如果采样点降低为128点,则上限频率可提高到约32KHz ,但失真度降低为2%,由此可见在对波形信号进行离散化处理时合理选择每周期的采样点数是十分重要的。

为了减小失真,可以在DAC 之后加上低通滤波器,但在多通道时,低通滤波器会影响通道之间波形的相移,这一点在实际应用时应加以注意。

信号发生器输出波形频率的上限受数据传送速度、数据锁存器及DAC 转换时间等因素的影响[4]。

按照以上原理可以实现任意波形发生器,凡是用数学公式可以表达的曲线,或无法用数学公式表达但可以画出来的曲线,通过离散化处理之后都可以用计算机在DAC 接口上复制出来。

3　信号发生器软件设计
低频信号发生器软件程序由整机初始化、DAC 波形输出、键盘控制等3大部分组成,采用模块化设计,整个程序采用单片机高级语言C51编写,其总体结构流程如图3所示。

・27・　长江大学学报(自然科学版)2008年9月
图3　软件程序总体结构流程开机或复位后,首先进行整机初始化处理,完成硬件、软件所有初始状态设置,包括对键盘显示模块初始化、显示预定义字符串以及开中断等。

完成初始工作状态设置后,还要对波形发生器进行一次自检和自校参数的测量。

整机初始化结束后,进入DAC 主程序模块,根据键盘命令通过查表读取存储器中不同的波形数据开始产生波形。

DAC 主程序给DAC2芯片预置一个波形幅度初值,使其输出一个初始电压作为DAC1芯片的参考电压,通过改变这个参考电压,就可以实现DAC1输出波形的幅度调节,波形的频率调节则通过改变输出数据的延时时间来实现。

键盘中断服务程序根据不同按键的键值选择不同的输出波形,整个键盘显示管理由可编程芯片8279完成,单片机只需要执行按键中断服务程序,可以腾出更多时间进行波形数据处理,使得输出波形更为平滑。

4　结 语
单片机低频信号发生器具有如下特点:较分立元件信号发生器而言,工作稳定,容易调试;较采用专门DDS 芯片的信号发生器而言,整体结构简单,成本低廉。

输出波形电压调节范围为0～510V ;频率调节范围为1～30k Hz 。

通过对仪器软、硬件调试和检测表明,仪器性能稳定,工作可靠,由于采用了具有ISP 功能的SST89E564单片机,可以在线修改片内程序,根据现场需要产生一些特殊形状的数字合成波形,满足特殊试验要求。

该信号发生器以8位D/A 转换器芯片DAC0832作为主DAC ,受到DAC0832转换位数和建立时间的限制,数字合成波形的输出频率不能太高,若采用其它转换位数更高、建立时间更短的D/A 转换芯片如DAC712来代替DAC0832,则能够获得更加完美的输出波形。

[参考文献]
[1]朱定华,戴汝平1单片微机原理与应用[M ]1北京:北京交通大学出版社,20031
[2]李青鹏,路军,李俊杰等1基于单片机和DDS 的高精度频率信号实现[J ]1电子技术应用,2002,28(9):50～521
[3]徐爱钧1智能化测量控制仪表原理与设计[M ]1第2版1北京:航空航天大学出版社,20041
[4]张鹏,陈健1一种高精度波形发生器的设计[J ]1单片机及嵌入式系统应用,2005,(1):62～631
[编辑]　易国华
・
37・第5卷第3期:理工徐阳等:基于单片机的低频信号发生器设计　
soluted t he“jump flash”p henomenon in t he block scheduling st rategy1
K ey w ords:real2time;complex scene;block scheduling strategy
62Application of Data T ransfer in PCE DM Model B ased on SSIS
LI Peng2fei　(Daqi ng Pet roleum I nstit ute,Daqing163318)
ZH AO J un2qiang　(Daqi ng Oil f iel d,Daqing163414)
Abstract:Data t ransfer between heterogeneous databases was a problem often encountered when a system was up graded or a new system was brought into operation1Modelling ideas of t he exploration2 develop ment database and t he PCEDM database were analysed,and t he st ruct ural feat ures of t hem were gained in relation model1A general met hod of data migration between heteroid databases was discussed subsequently1The mapping rules between heterogeneous databases were analysed and t he mapping to PCEDM database f rom daily data table of oil wells was established according to t he fea2 t ures of exploration2develop ment database and t he PCEDM database,f urt hermore t he data in t his ta2 ble were t ransferred into PCEDM database based o n SSIS1The transfer result shows t hat it is simple, and migration p rocess is optimized by SSIS1
K ey w ords:heterogeneity;data t ransfer;mapping rule;SQL server integration services;data flow task
65Strategy2based Q oS Manggement Frame w ork in Mobile Ad hoc N et w orks(MANET) WANG Y an2nan,LI U Y ong　(S heny ang L i gong Universit y,S heny ang110168)
Abstract:Quality of Service(Qo S)in Mobile Ad hoc Networks(MAN ET)was one of t he hot topics1However,it was very difficult to realize Qo S in MAN ET due to dynamic changes of MAN ET topology,imp recise information of t he link state and ot her characteristics1The st ruct ure,characteris2 tics and inadequacies of t he existed st rategy2based management f ramework PBNM were introduced from t he perspective of strategic management1And t hen a management framework PQMM which p ro2 vides Qo S for applications suitable for MAN ET is p resented1The performance of PQMM is compared wit h ot her f rameworks1
K ey w ords:mobile Ad hoc network;quality of service(Qo S);management framework
71Design of A Microcontroller2based Low Frequency Signal G enerator
X U Y ang,ZH ONG Bao2rong　(Yangt ze Universit y,J ingz hou434023)
Abstract:It described t he principle and met hod for designing SST89E564microcont roller2based low frequency signal generator1The hardware was simplified by using mass storage banked memory ex2 tension technique and DAC interface technique,t he discrete data were read out t hough look2up table, and converted to analog waveform t hough D/A converter1The waveform discretion processing met hod and t he relationship of sampling data point and memory storage are discussed,t he hardware circuit and software flow chart are given1
K ey w ords:microcontroller;DAC interface;discrete process;signal generator
74R esearch on Erosion Damage Models for R ound2section Elbow in Liquid2particle Flows FE NG Jin,ZH ANG Man2lai　(Yangtze Uni versit y,J inz hou434023)
FE NG Zhong　(Dushanz i Oil Ref inery,Dushanz i833600)
Abstract:Through numerical simulation,t he ero sion behavior of liquid2particle flow in round2section elbow was determined and it s ero sive po sition and speed and effect of particle size on t he erosion rate were compared in different erosive models1The numerical result shows t hat t he A PE214E formulation is simple and conservative in relation to t he average statistical erosion1Ot her models are agreed better wit h each ot her,but t he predicted po sitions of ersion and t he influence of impact velocity particle di2 ameter are distinct1It p rovides valuable reference for choo sing t he right ero sion model and st udying t he erosion mechanism in practical production1
・
・
5。