单片机程序设计实践教程_第13章_简易数字信号发生器

第十三讲 简易数字信号发生器
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13.0 项目演示效果
图XP_13_01 步骤1-插接短接片连接示波器探针
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图XP_13_02 步骤2-开机后系统默认进入正弦波发生模式3
图XP_13_03 步骤3-系统的三角波发生模式
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图XP_13_04 步骤4-系统的锯齿波发生模式
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图XP_13_05 步骤5-系统的方波发生模式
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13.2 项目任务
图13-1 简易数字信号发生器项目的电路原理图
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简易数字信号发生器项目的电路原理图如图13-1所示，简易数字信号发生器主 要是借助于DAC0832数模转换芯片来实现。数字量由STC89C52RC给出，通 过DAC0832转换为模拟量并由参考电压Vrbf端输出。通过示波器，可以观测到 由DAC0832的8脚产生的4种波形，这4种波形分别为正弦波、三角波、锯齿波 和方波。 可以通过开发板上的按键S2、S3和S4选择三角波、锯齿波和方波的输出波形， S1、S5～S16为正弦波选择按键，程序应实现按压S1～S16键时，在数码管的1和 2位置显示相应键值。即， 〃按压S1～S16键，数码管1和2位置显示'01'，外接端子J3的1脚输出正弦波。 〃按压S2键，数码管1和2位置显示'02'，外接端子J3的1脚输出三角波。 〃按压S3键，数码管1和2位置显示'03'，外接端子J3的1脚输出锯齿波。 〃按压S4键，数码管1和2位置显示'04'，外接端子J3的1脚输出方波。 外接端子J3的1脚输出波形可以通过引入示波器来检测和观察，请读者在项目 实践前准备好示波器。
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图13-9 DAC0832的8位全0时T型电阻网络等效电路示意图
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13.6.3 DAC0832总线地址确定
在图13-1所示电路原理图中，三八译码器74HC138的Pin12引 脚输出与DAC0832的nCS引脚相连，74HC138的Pin12引脚为 nY3输出，低电平有效。因此，要求74HC138译码输入端的CBA 编 码 为 011 ， 则 STC89C52RC 的 P27 ～ P20 的 值 为 01111111B （7FH），P24～P20悬空应设为1；74HC373的地址引出脚A7～A0 的 选 取 与 DAC0832 的 地 址 确 定 无 关 ， 取 值 为 11111111B （FFH），所以DAC0832的地址最终确定为0x7fffH。 由 第 8 章 内 容 可 知 ， 对 DAC0832 进 行 总 线 控 制 前 ， 必 须 使 STC89C52RC的P16 引脚设为低电平，该信号（CS138）使三八 译码器74HC138被选中。
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图13-10 简易数字信号发生器项目的正弦波和三角波波形图
DAC0832是8位的D/A转换器，CMOS工艺，芯片内有 R-2R梯形电阻网络，用于对参考电压产生的电流进行分流完成 模数转换，转换结果以一组差动电流IOUT1和IOUT2输出。 以下为DAC0832的主要参数： •分辨率8位。 •D/A转换时间1μs。 •参考电压（Verf）为－10～+10V。 •单电源+5～+15V供电。 •满量程误差为－1～+11LSB，其中1LSB为Vref1/2n（n 是D/A转换的分辨率，此处为8位）。
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13.3 系统板上硬件连线
简易数字信号发生器项目的连接插线设置见图13-2。
图13-2 简易数字信号发生器项目的连接插线设置
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13.4 程序流程图
图13-3 简易数字信号发生器项目的C语言程序流程图
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13.5 C语言源程序（略） 13.6 系统构成和程序分析
13.6.1 DAC0832内部引脚功能和受控方式
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13.1 项目目标设计
1.掌握DAC0832的工作原理和控制方式； 2.熟练掌握STC89C52RC的总线控制方法； 3.掌握示波器的基本使用方法； 4.理解给出的C语言源程序的结构和各语句所起作用；
5.在达到以上四点目标之后，根据本章“项目扩展任务”
中提出的问题，以组或个人为单位，在规定时间里完成 扩展项目任务。
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图13-4 DAC0832内部结构和引脚功能
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DAC0832是20引脚的双列直插式器件【26】，引脚分配如图13-4所示。
各引脚的含义解释如下： •Vref 参考电压输入端，－10～+10V。 •VCC 工作电压输入端，+5～+15V。 •DI7～DI0 数字信号输入，其中DI0为最低位，DI7为最高位。 •IOUT1 模拟电流输出端1，当输入数字为全1时，输出电流最大；全0时，输出 电流为0。为了输出模拟电压，输出端须加I/V（电流/电压）转换电路。 •IOUT2 模拟电流输出端2，规定IOUT1+IOUT2=常数。 •Rfb 片内反馈电阻引脚,与运放配合构成I/V转换电路。 •ILE 输入锁存使能信号输入端，高电平有效。
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按图13-1给出的原理图，通过引入示波器来观察外接 端子J3的1脚输出波形。给开发板上电后，程序默认是正 弦波输出，图13-10（a）给出了由示波器实测的波形图， 截图显示正弦波的频率在40.65Hz左右，最大幅值为 1.82V，最小为－140mV（包含测量误差），最大幅值 对应数字量FFH，即对应图13-8给出的情况；最小幅值 对应数字量0，对应图13-9给出的情况。 图13-10（b）和图13-11（a）所示分别三角波和锯 齿波截图，频率和幅值情况与正弦波一样。
状态，选通输入寄存器。图13-6给出了输入寄存器工作于受控状态，
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图13-6 DAC0832的单缓冲控制方式
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13.6.2 为什么模拟输出电压从参考电压输入端Vref引出
正常情况下，DAC0832转换后的模拟信号由IOUT1和IOUT2引
脚输出，为了得到输出模拟电压，输出端须加I/V转换电路，见图 13-5和图13-6所示。但是图13-1给出的开发板这一部分原理图中 并未采用上面提及的转换电路，而是直接从参考电压输入端Vref引 出了模拟输出电压，这是什么原因呢？ 先来看看DAC0832内部是如何进行数模转换的，DAC0832内部 数模转换是由8位T型电阻网络完成的 【26】，其原理图如图13-7所 示。
•nCS 片选信号端，低电平有效。
•nWR1 写信号1端，低电平有效。 •nWR2 写信号2端，低电平有效。
•nXfer 传输控制信号输入端，低电平有效。
来自百度文库14
当ILE为高电平，nCS和nWR1同时为低电平时，8位数字量可 以通过DI0 ～DI7引脚输入寄存器；当nCS或nWR1由低变高时，数 据被锁存在输入寄存器的输出端。 对于DAC寄存器来讲,当nXfer和nWR2 同时为低电平时，DAC 寄存器中的数据与输入寄存器的输出数据一致；当nXfer或nWR2 由低变高时，输入寄存器的数据被锁存在DAC寄存器的输出端，即 可加到D/A转换器去进行转换。 图13-4还给出了DAC0832 内部结构功能图，在DAC0832 内 部有1个8位的输入寄存器和1个8位的DAC寄存器，根据前面给出 的分析，它们可以分别被选通。这样，CPU送来的数据先进入输入 寄存器（由nCS控制），在需要进行D/A转换时，再选通DAC 寄 存器（由nXfer控制），实现D/A转换，这种方式称为双缓冲方式。
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图13-7 DAC0832的8位T型电阻网络工作原理图
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由图13-7可以看出，解码网络电阻只有两种，即R和2R，且构 成T型，故又称为R-2RＴ型电阻网络DAC。其中，S0 ～S7 为模拟 开关，表示了8位二进制数DI0～DI7，当某一位数DIi=1，即表示Si 接1，这时相应电阻上通过电流Ii流向IOUT1；当DIi=0，即表示Si接 0，这时相应电阻上通过电流Ii流向IOUT2。 由于用作分流的电阻网络中各电阻值为R或2R，而IOUT1是流向运 算放大器的反相输入端，其“虚地”可以看作0V。因此，电阻网络 从各节点A、B、C、…、H向右看的二端网络的等效电阻为R，这 与开关Si接0还是接1无关，由任一个节点向右流出去的两个支路电 流Ii和ILi总是相等。 设基准电压源电压为Vref，则总电流为I=Vref/R，则流过各开关 支路（从左到右）的电流分别为I/2、I/4、…、I/128。经过计算 （此处省略），对于在图13-7电路中输入的每一个二进制数，均能 在其输出端Vout得到与之成正比的模拟电压。
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13.6.4 定时器0和外部中断1的关系
在3.1小节和10.6小节中，已经对外部中断1的概念和程序进行 了详尽地介绍和分析，本项目中的外部中断1同样是用来检测由 ZLG7290发出的按键中断信号，当矩阵键盘中的任一键被按下时， ZLG7290不但能够记录键值，而且还发出按键中断信号，请读者 复习相关内容。 void time_t0() interrupt 1函数是定时器T0的中断服务子程序， 主要完成4个波形选择和采样计数的任务，定时时间间隔（装入值） 为： 装入值=65536－要计算的脉冲数。
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对于程序中的TH0=(65536－div_value)/256，当div_value＝ 70时，16位定时器就是从(65536－70)＝65466开始自加，加到 65536就计满，如果允许定时器中断，就会产生定时器T0的中断， 所以16位方式装入值的计算很简单。开发板的机器周期是12/晶振 值，如果外接晶振是12MHZ，那么机器周期是1μs，开发板的外接 晶振实际上是11.0592MHZ，机器周期是1.1μs左右，所以定时时 间间隔大约是77us，由于这个原因，用单片机自己的定时器做数 字钟设计，并不能准确计时，这里用11.0592MHZ的晶振主要是 为了串行通信中便于产生所需波特率。
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13.6.5 项目结果分析
在本项目中用到了外部中断1和定时器T0的中断，外部中断1服 务子程序void INT1_SVC() interrupt 2中的2代表在MCS-51单片 机中外部中断1的优先级为第2级；同样，对于定时器T0中断服务 子程序中的1来说，就代表优先级为第1级。因此，定时器T0可以 打断外部中断1的正常执行而进行嵌套运行，而外部中断1却不能打 断定时器T0的运行。 这一点在将程序中的div_value值减小后将会显现。实验表明， 当div_value＝50时，定时器T0中断间隔减小，加上定时器T0中断 服务程序的运行时间，4×4键盘所产生的外部中断1很难找到时间 使得CPU对其进行处理，几乎所有的系统资源都被定时器T0所占用， 有兴趣的读者可以修改给出的C语言程序源代码，观察开发板会出 现何种现象。
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图13-8 DAC0832的8位全1时T型电阻网络等效电路示意图
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在分析完DAC0832的内部解码原理之后，接着讨论图13-1给出 的DAC0832外部接法原理。按照开发板上的接法，讨论两个极端 的情况，即给出数字量FFH和0，对于前一种情况，实际上Ｔ型电 阻网络的8位二进制数DI0～DI7都为1，这时所有开关Si都接1，等 效电路见图13-8，反馈电阻Rfb与外接电阻R9并联，一端接电源 VCC，另一端接R10和其它8个2R电阻的一端，由电路分析【27】中 的基尔霍夫电流定律可以算出H点电流和电压值，该点电压即为 Vref输出电压值，此时为最大输出值。 当数字量为0时，所有开关Si都接0，等效电路见图13-9。此时 除了外接电阻R9、R10和反馈电阻Rfb中有电流流过之外，Ｔ型电阻 网络内无电流流过，因此H点电压值为0。 数字量FFH~0之间的电压输出呈线型变化，数字量中间值的T型 电阻网络原理图分析请读者自行完成。
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图13-5 DAC0832的双缓冲控制方式
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如图13-5为DAC0832的双缓冲控制方式构成示意图，地址译码
可以由74HC138来实现，当CS0832A和CS0832B片选信号被分 别给出，即可实现双缓冲控制方式。 DAC0832也可以工作在单缓冲方式，这种方式下可将输入寄存 器设为直通状态，选通DAC 寄存器；也可将DAC寄存器设为直通 DAC寄存器工作于直通状态的单缓冲控制方式，对照图13-1可以 看出PMY单片机开发板即采用了上述单缓冲控制方式。