三相正弦波产生器的设计 (2).pdf

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1、 1 三相正弦波产生器的设计 （浙江工贸职业技术学院 电子工程系，浙江温州 325003） （） 摘要摘要：电路主要由一片 STC89C52RC 和三片 DAC0832 等组成，把三相正弦波数据储存于单片机 中，利用查表法把数据逐个送至 P1 端口，同时 P2 口送出控制信号，控制 DAC0832 的片选端和 锁存端，以区分出三相信号，最后均经集成运放进行电流电压转换，输出三相正弦波电压波形。 关键词关键词：STC 单片机；查表法；DA 转换；三相正弦波 笔者于 2008 年第 4 期电子世界杂志上， 曾发过一篇单片机控制的三相正弦波信号发生 器的文章，之后就不断收到读者的反响。原文章 是以硬

2、件为主的三相正弦波电路，电路较复杂，输 出正弦波精度也不足。为满足读者的要求，现再设 计一个电路较简单的三相正弦波电路，以供参考。 常用的 AT89S51 单片机，为“12 时钟周期” 指令，采用 12MHz 晶振时，机器周期为 1s，用于 正弦波产生器时，频率难以做高，特别是用于三相 正弦波产生器。 而常用的 STC89 系列单片机， 为 “6 时钟周期”指令，晶振可提至 36MHz，机器周期时 间最短为 1/6s；而对于 STC12C5A60S2 系列单片 机，速度则更快，为单周期指令，晶振也可提至 36MHz， 机器周期时间最短为 1/36s。 虽然 STC 单 片的资料上说晶振还可更高

3、，但实际制作表明：超 过 36MHz 的晶振，起振不稳定，而且振荡电路也 要作一定的修改。 采用 STC 系列单片机设计三相正 弦波， 频率可做得较高。 上述两种 STC 系列单片机 指令与 51 单片机兼容，便于初学者学习。 1 整机电路图 1 整机电路图 整机电路如图 1 所示，主要由 STC89C52RC、 DAC0832 等组成。晶振采用 36MHz，S1S4 为调 节输出波形频率按钮，S1、S2 为快调，S3、S4 为 VREF 8 RFB 9 GND 10 IOUT1 11 IOUT2 12 DI7 13 DI6 14 DI5 15 DI4 16 DI0 7 CS 1 WR1 2

4、GND 3 DI3 4 DI2 5 DI1 6 XFER 17 WR2 18 ILE 19 VDD 20 U2 DAC0832 P1.0/T2 1 P1.1/T2EX 2 P1.2 3 P1.3 4 P1.4 5 P1.5 6 P1.6 7 P1.7 8 RST 9 P3.0/RxD 10 P3.1/TxD 11 P3.2/INT0 12 P3.3/INT1 13 P3.4/T0 14 P3.5/T1 15 P3.6/WR 16 P3.7/RD 17 XTAL2 18 XTAL1 19 VSS 20 P2.0/A8 21 P2.1/A9 22 P2.2/A10 23 P2.3/A11 24 P

5、2.4/A12 25 P2.5/A13 26 P2.6/A14 27 P2.7/A15 28 PSEN 29 ALE 30 EA/VPP 31 P0.7/AD7 32 P0.6/AD6 33 P0.5/AD5 34 P0.4/AD4 35 P0.3/AD3 36 P0.2/AD2 37 P0.1/AD1 38 P0.0/AD0 39 VCC 40 U1 STC89C52RC 5 8 2 3 4 6 7 1 U4 uA741 12K R4 +5 +5 -5 U3 TL431 200 R1 3K R2 RP1 3K3 103 C2 +5 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6

6、D5 D4 D3 D2 D1 D0 +5 Uout Vout Wout D0D7 CS WR1 ILE D0D7 CS WR1 ILE VREF VREF Y1 36M 30P C1 30P C3 C4 10uF 10KR3 +5 104 C6 104 C9 C7 100uF C8 100uF +5 -5 561 C5 4K7 R6 4K7 R7 4K7 R8 4K7 R9 S1 减 S2 加 S3 减 S4 加 +5 1K R5 1K R10 1K R11 561 C10 561 C11 561 C12 图 1 三相正弦波发生器电路 慢调。 每相正弦波信号转换均由DAC0832和A741 各

7、一片组成，为典型 DA 转换应用，DAC0832 是电 流型 DA 转换，其 11 脚输出端 IOUT1 为电流量， A741 的任务是把电流量转换成电压量，为负电压 2 输出。图 1 只画出 U 相，各相电路接法是相同的。 各相的 DAC0832 并行数据 D0D7 端并接在一起， 接单片机的 P1 口，这里没有像常规应用那样采用 P0 口。由片选CS端分出三相数据。片选CS与 WR1相连，P2.0 为低电平时，D0D7 数据写入， 由于 U2 的WR2和XTFER接地， U2 内部的 DAC 数据寄存器处于直通状态，当数据锁存允许 ILE 为 高电平时，U2 进行 DA 转换。 U2 的

8、8 脚为 DA 转换基准电压， 外接由 TL431 组成的稳压电路， R1 为限流电阻， 基准电压如下式 计算 )V(5 . 2)/1 ( 2P1REF +=RRU 2 程序结构图 2 程序结构图 程序结构如图 2 所示，程序开始时，首先对所 用到的 P1 和 P2 口清零，并对寄存器 R1 和 R3 设 置初值。对 R1 加 1，判断 R1 是否加到了 255，如 果未到 255，则快调按钮起效，可快速调节频率， 只有等于 255 时，慢调按钮才有用，实际是慢调起 效的机率为 1/256，该方法调节频率时，输出正弦 波不会产生中断。 开始 端口清零/初值 R1+1 R1=255 ? 慢调起效

9、 快调起效 DPTR赋值三相数据表地址 查数据送入A A=255 ? 数据查完返回 再连续查两个数送至P1 A数据送至P1,DA转换, 进行DA转换 调用延时 查下一组三个数据 Y N N Y 图 2 程序结构图 不管有没有按频率调节按钮，均进入到 DA 转 换程序段，查出第一个数据装入累加器 A 时，要判 断 A 是否为 255，如果为 255 则说明表已查完了， 须重新开始从头查，从而重复输出数据形成周期的 正弦波。须要说明的是三相数据的表未，特地放入 一个数据 255，从而可判别数据是否查完。 第一个数送至 P1 口前一步时，P2 口置为 10011011， 其中P2.7、 P2.3为无

10、用端口， 此时P2.6=0， P2.5=0， 该两端口控制V、 W相DA转换的锁存ILE， 即 U 相 DA 转换时，V、W 相 DA 转换锁存，保持 原来状态，从而 V、W 相波形不会丢失和变化，同 时 P2.0 为 1，U 相片选还未开启。接下第一个数送 至P1， P2口置为10011110， P2.0为0， U相DAC0832 的片选有效，U 相开始 DA 转换，同时 P2.2、P2.1 均为 1，V、W 相片选无效。如此再查出第二个、 第三个数，分别给 V 相、W 相进行 DA 转换。连续 三个数查完后，要调用延时指令，此延时时间决定 输出正弦波的频率。延时完后，再查下一组三个连 续数

11、据，如此直至表查数据查完。 由上可看出，三相数据表的数据是按序穿插在 一起的，即 U、V、W 三相数据按序三个一组排列 在一起的。 3 三相正弦波数据的产生 3 三相正弦波数据的产生 假设正弦波一个周期采集点数为 k 个点， STC89C52RC 单片机为 8 位单片机， P1 最大输出数 为 255，因此正弦波可设定在 1254 之间变化，则 三相正弦波表达式为 += += += 1)3/2/2sin(127 1) 3/2/2sin(127 1)/2sin(127 W V U knU knU knU 上式中，n =1，2，k，计算完成的数据还 须进行四舍五入取整。如果采集点数越多，波形会 更

12、精确，但数据量会较多，会造成正弦波输出上限 频率不够高。 三相数据的穿插，可用 Excel2007 及以上版本 处理较方便。首先 Excel2007 表格第一行为 n 的数 据，即 1、1、1，2、2、2，k、k、k。处理时， 初始数据为 1、1、1，后三个数据格中输入公式， 公式为前一组数对应值加 1，如在第一行第四、五、 六格分别输入公式“=A1+1” 、 “=B1+1” 、 “=C1+1” ， 然后选中该行第四、五、六格，拖拉至 k 设定值即 可，但要用“复制单元格”选项。同理表格第二行 初始三个数输入三相正弦波公式，再拖拉即可。 4 程序及简介 4 程序及简介 3 程序采用了汇编程序，

13、以便于理解和计算正弦 波周期，k 取值 60，程序和简介如下： MOV P1,#0 ;端口清零 MOV P2,#0 MOV R3,#10 ;设定初值 MOV R1,#1 ST0: INC R1 ;R1 加 1 CJNE R1,#255,KT ;如果 R1 不等于 255，则跳 至 KT，P3.6、P3.7 暂时失效，因此 P3.6、P3.7 为 慢调按钮。如果 R1 等于 255，则往下至 MT，P3.6、 P3.7 起效。 MT: ;（慢调程序段） JNB P3.6, JIA ;如果 P3.6 按下，则跳至 JIA （加）程序段。 JNB P3.7, JIAN;如果 P3.7 按下， 则跳至

14、 JIAN （减）程序段。 JMP ST1 ;跳至 ST1，进入 DA 转换程序段。 JIA: ;加程序段。 CJNE R3,#255,JIA2 ;如果 R3 不等于 255，则 跳至 JIA2。如果 R3 等于 255，则往下。 JMP ST1 ;跳至 ST1，R3 无法加 1，即已加 至最大值了。 JIA2: INC R3 JMP ST1 JIAN: ;减程序段。 CJNE R3,#1,JIAN2;如果 R3 不等于 1，则跳至 JIAN2。如果 R3 等于 1，则往下。 JMP ST1;跳至 ST1，R3 无法减 1，即已减至 最小值了。 JIAN2: DEC R3 JMP ST1 KT

15、: ;（快调程序段，解释同上） JNB P3.4, JIAT JNB P3.5, JIANT JMP ST1 JIAT: CJNE R3,#255,JIAT2 JMP ST1 JIAT2: INC R3 JMP ST1 JIANT: CJNE R3,#1,JIANT2 JMP ST1 JIANT2: DEC R3 JMP ST1 ST1: ;（DA 转换程序段） MOV DPTR,#TABLE ;装入三相数据表 ST2: CLR A MOVC A,A+DPTR; ;取第一个数 CJNE A,#255,LOOP ;判断是否表尾数 如果不是则转至 LOOP JMP ST0 ;如果是表尾数， 则从头

16、 开始 LOOP: MOV P2,#10011011B MOV P1,A ;第一个数送至P1口 MOV P2,#10011110B CLR A INC DPTR ;表地址加 1 MOVC A,A+DPTR; ;取第二个数 MOV P2,#10101110B MOV P1,A ;第二个数送至P1口 MOV P2,#10101101B CLR A INC DPTR ;表地址加 1 MOVC A,A+DPTR; ;取第三个数 MOV P2,#11001101B MOV P1,A ;第三个数送至 P2 口 MOV P2,#11001011B CLR A INC DPTR CALL DELAY ;调用延

17、时 决定正弦波频率 JMP ST2 ;返加重新开始 DELAY: ;延时程序段 MOV A,R3 MOV R4,A DJNZ R4,$ RET TABLE: DB 140，230，011，153，221，006，166，212，003， DB 179，202，001，190，191，000，202，179，001， DB 212，166，003，221，153，006，230，140，011， DB 237，127，017，243，114，024，248，101，033， DB 251，088，042，253，075，052，254，064，064， DB 253，052，075，251，04

18、2，088，248，033，101， DB 243，024，114，237，017，127，230，011，140， DB 221，006，153，212，003，166，202，001，179， DB 191，000，190，179，001，202，166，003，212， DB 153，006，221，140，011，230，127，017，237， 4 DB 114，024，243，101，033，248，088，042，251， DB 075，052，253，064，063，254，052，075，253， DB 042，088，251，033，101，248 ，024，114 ，24

19、3， DB 017，127，237，011，140，230，006，153，221， DB 003，166，212，001，179，202，000，190，191， DB 001，202 ，179，003，212，166，006，221，153， DB 011，230，140，017，237，127，024，243，114， DB 033，248，101，042，251，088，052，253，075， DB 063，254 ，064，075，253，052，088，251，042， DB 101，248，033，114，243，024，127，237，017， END 5 实验结果 5 实验

20、结果 焊接完成的电路板如图 3 所示，单片机系统采 用 STC 的小系统板，DA 转换和按钮焊在另两张实 验板上。单片机系统晶振为 36MHz，当 k=120 时， 即正弦波采样点数为 120 个点，测得三相正弦波输 出频率范围为 89Hz1162Hz。如频率范围不符合要 求，只需修改延时程序段即可。 图 3 焊好的实验板 实验输出波形如图 4 所示。实验时如发现削底 和削顶失真时，应减小图 1 中反馈电阻 R4 的值。 由于元件参数可能会有少许误差，有时输出的三相 正弦波幅度也会有少许差异，可仔细调节集成运放 的反馈电阻值，使三相正弦波幅度相等。 电压（0.5V/格） 时间（1ms/格） 图 4 输出的三相正弦波 6 结语 6 结语 本文利用了 STC 单片机运行速度高，以及与 51 单片机指令兼容的特性， 用常规的 DA 转换方法 设计了一个三相正弦波发生器。电路和程序均比较 简单，频率上限可做得较高，可用于需三相正弦波 的场合，也可作为三相正弦波信号发生器使用。 在制作过程中如有问题，可加作者 QQ： 530153869 交流。 作者简介：