单片机应用技术 课件 项目10 信号发生器设计与实现

项目9信号发生器设计与实现素质目标1.通过转换芯片的调查选型培养学生的环保和节约意识。2.通过项目任务实施及过程培养学生自主学习能力，团队协作精神和探究精神。知识目标1.能阐述信号发生器实现原理。2.能说明D/A转换原理和作用。3.能使用DAC0832芯片完成数据转换。能力目标1.熟练运用DAC0832芯片实现DA转换。2.熟练地编程实现数字信号的模拟化。根据任务要求选择适合的芯片及工作方式。设计要求：

使用DAC0832芯片，设计信号发生器系统结构，该信号发生器主要功能如下：

1.能通过STC12C5A60S2单片机控制DAC0832芯片输出不同波形的模拟信号；

2.能通过波形切换按键切换输出不同的模拟信号波形；

3.能通过频率设置按键调节输出模拟信号的频率。信号发生器设计与实现信号发生器一般是指能够通过自身电路和程序自动产生锯齿波、三角波、方波、正弦波等模拟量电压信号波形的电路。常见的烟雾报警器外形如下图所示：信号发生器可以由硬件电路制作而成，但纯硬件电路设计信号发生器难度较大，且电路相对复杂；在实际应用中，往往也可以使用D/A转换芯片设计制作，使用单片机驱动D/A转换器芯片制作信号发生器往往更为简洁。本项目中我们将使用典型D/A转换器——DAC0832芯片，搭配STC12C5A60S2单片机实现信号发生器的功能。D/A转换的概念和典型D/A转换器

与前项目所学习的A/D转换相反，D/A转换是指模/数转换；实现D/A转换功能的器件被称为D/A转换器，是一种把数字信号转换成模拟信号的器件。D/A转换器被广泛用于计算机函数发生器、计算机图形显示以及与A/D转换器相配合的控制系统等应用中。典型D/A转换器——DAC0832

本项目中将使用到典型D/A转换器——DAC0832，该D/A转换器是8位D/A转换器，它的D/A转换结果采用电流形式输出。DAC0832的应用范围非常广泛。DAC0832的结构和特点一、DAC0832的硬件结构DAC0832硬件结构示意图DAC0832由两个数据锁存器、一个8位D/A转换器和相关控制电路组成，其内部结构如下图10-4所示：DAC0832芯片内部集成两级输入寄存器，使得DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适用于各种不同的电路需要。DAC0832的结构和特点一、DAC0832的硬件结构

DAC0832芯片是采用CMOS工艺制成的单片直流输出型8位D/A转换器，采用20引脚双列直插封装，DAC0832的结构和特点一、DAC0832的结构特点

DAC0832是一种典型的T型电阻网络电流输出型D/A转换器，其内部功能原理如下图由上图可以，DAC0832的输出Vo，由其内部各级T型电阻网络的电阻决定，计算公式如下：DAC0832输出的模拟量VO与输入的数字量B之间成正比关系，输入信号强度越强，输出信号强度越强。基于DAC0832的信号发生器原理一、DAC0832芯片的工作方式——单缓冲方式此种方式适用于只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。单缓冲方式DAC0832与单片机连接示意图具体地说，就是使

和都为低电平，DAC寄存器的锁存选通端得不到有效电平而直通；此外，使输入寄存器的控制信号处于高电平、处于低电平。这样，当端收到一个负脉冲时，就可以完成1次转换。

使得两个锁存器之一的输入寄存器处于导通状态，或者两个寄存器同时处于导通状态，DAC0832就工作于单缓冲方式。基于DAC0832的信号发生器原理一、DAC0832芯片的工作方式——双缓冲方式此种方式适用于多个D/A转换器同步输出的情况。双缓冲方式DAC0832与单片机连接示意图具体地说，此时DAC0832的操作分为两步：首先，使输入寄存器处于导通状态，接收输入数据；其次，使DAC寄存器导通，DAC寄存器从输入寄存器的输出端接收数据。注：在第二步中，输入寄存器锁存，只有DAC寄存器导通，此时在DAC0832数据输入端写入数据无意义。基于DAC0832的信号发生器原理一、DAC0832芯片的工作方式——直通方式数据不经过两级锁存器锁存，当8位数字量抵达时输入引脚时，立即进行D/A转换，输出转换的模拟量。注：直通方式下

、

、

和

均为低电平，

为高电平。此方式适用于连续反馈控制线路。二、D/A转换器输出波形信号原理

根据需求分析任务中知识点3内容可知，D/A转换器输出的模拟量与输入的数字量之间成正比关系，利用这一特点，通过程序控制STC12C5A60S2单片机向D/A转换芯片输出随时间呈一定规律变化的数字量，D/A转换芯片就可以输出随时间按一定规律变化的波形，如方波信号、三角波信号、锯齿波信号、正弦波信号等。DAC0832的外接电路一、DAC0832的输入电路1.D/A转换器有无输入锁存器

当D/A转换器内部没有输入锁存器时，必须在单片机与D/A转换器之间扩展锁存器或连接单片机I/O接口。而DAC0832内部具有两个8位锁存器，这种情况下只需要将单片机的数据总线与DAC0832的数据输入端一一对应连接即可。2.D/A转换器的转换位数

当高于8位的D/A转换器与仅8位数据输入端的STC12C5A60S2单片机接口相连时，STC12C5A60S2单片机的数据必须分时连接，还必须考虑数据分时输出的格式和输出电压的“毛刺”问题。而DAC0832芯片是8位D/A转换器，其数据宽度与STC12C5A60S2单片机接口宽度一致，此种情况下，无需考虑数据分时连接的问题。DAC0832输入电路示意图DAC0832的外接电路二、DAC0832的输出电路

DAC0832即为电流输出型的8位D/A转换器，而信号波形需要展示出不同信号的电压幅值变化，所以要将DAC0832输出的模拟电流信号转换为相应的模拟电压信号，则DAC0832在本项目中需要外接高输入阻抗的线性运算放大器。需要注意的是，运放的反馈电阻可以通过RFB端引用片内固有电阻，也可以外接反馈电阻。2.D/A转换器的转换位数。DAC0832输出电路示意图D/A转换器模拟量波形生成方法锯齿波信号生成分析

由DAC0832芯片的硬件结构可知，DAC0832是8位D/A转换器，其输出模拟量信号强度与输入数字量信号强度成正比，利用这一特点，就可以使用STC12C5A60S2单片机控制DAC0832芯片输出特定波形的模拟量信号，下面以锯齿波信号为例进行分析：

显然，锯齿波信号就是电压从最小值开始逐渐上升到最大值，再回落到最小值逐步上升到最大值，如此往复的周期信号。即需要使用单片机控制DAC0832输出从最小值逐步上升到最大值，再回落到最小值逐步上升到最大值的模拟量信号，如此往复的过程。

根据DAC0832芯片输出模拟量信号强度与输入数字量信号强度成正比的特点，通过程序控制单片机输出逐步变大的数字信号，当输出达到最大值后，复位为最小值，往复执行此过程，就能使DAC0832芯片输出锯齿波波形信号。锯齿波波形结构：D/A转换器模拟量波形生成方法锯齿波信号生成分析

锯齿波生成逻辑流程示意图信号发生器算法分析信号发生器仿真电路设计

由于STC12C5A60S2单片机P2端口寄存器为8位寄存器，最大值为255，根据锯齿波生成算法流程，在锯齿波生成时，波形的周期即为数字量从0叠加到255的时间，假设忽略D/A转换所需要的时间，即：程序示例：使用P2端口驱动DAC0832芯片，输出频率为10Hz的锯齿波信号。首先，计算锯齿波周期，由可知，。则每一次数字量的持续时间delay为:unsignedinti=0;unsignedintfreqN=8;for(i=0;i<256;i++){P2=i;//P2端口数字量设置为idelay_50us(freqN);//delay_50us函数每单位延时50us，此处50us*freqN=400us}1.DAC0832接口仿真电路设计信号发生器仿真电路设计

本项目使用单缓冲方式控制，在该方式下，

、

接低电平，

接高电平，

直接连接到STC12C5A60S2单片机P2端口，

和

接STC12C5A60S2单片机P3.0端口，实现单片机对DAC0832D/A转换的控制功能。信号发生器仿真