波形發(fā)生器-凌陽大學(xué)…

1、波形發(fā)生器作者：凌陽大學(xué)    文章來源：凌陽大學(xué)計(jì)劃網(wǎng)站    點(diǎn)擊數(shù)：344    更新時(shí)間：2007-1-18     摘要 關(guān)鍵詞：  SPCE061A單片機(jī)  波形發(fā)生器單片機(jī)是實(shí)現(xiàn)各種控制策略和算法的載體。由臺(tái)灣凌陽公司生產(chǎn)的SPCE系列單片機(jī)，因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，非常適用于便攜式儀表和就地式顯示控制儀表，在國內(nèi)越來越受到用戶的重視和廣泛的應(yīng)用。SPCE061A單片機(jī)功能強(qiáng)大,其片內(nèi)含有

2、八路十位A/D轉(zhuǎn)換器和兩路D/A轉(zhuǎn)換器，該波形發(fā)生器運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)，通過巧妙的軟件設(shè)計(jì)和簡易的硬件電路，產(chǎn)生數(shù)字式的正弦波、方波、斜波等幅值可調(diào)的信號(hào)。信號(hào)頻率，可通過鍵盤輸入，并顯示。與現(xiàn)有各類型波形發(fā)生器比較而言，產(chǎn)生的數(shù)字信號(hào)干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡單方便，人機(jī)界面友好，成本低，非常適合于物理實(shí)驗(yàn)室教學(xué)與實(shí)驗(yàn)使用。  SPCE061A單片機(jī)概述SPCE061A是繼u'nSP系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一個(gè)16位結(jié)構(gòu)的微控制器。目前有兩種封裝形式：84引腳的PLCC84封裝和80引腳的LQFP80貼片封裝。主要性能如下：16位m

3、nSP微處理器；工作電壓：VDD為2.43.6V(cpu), VDDH為2.45.5V(I/O)；CPU時(shí)鐘：32768Hz49.152MHz ；內(nèi)置2K字SRAM、內(nèi)置32K FLASH；可編程音頻處理；32位通用可編程輸入/輸出端口；32768Hz實(shí)時(shí)時(shí)鐘，鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；2個(gè)16位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；2個(gè)10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道語音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器自動(dòng)增益控制(AGC)功能；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))耗電小于2mA3.6V；具備觸鍵喚醒

4、的功能；14個(gè)中斷源：定時(shí)器A / B，2個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，時(shí)基，鍵喚醒等；使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；具備異步、同步串行設(shè)備接口；具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；內(nèi)置在線仿真電路接口ICE（In- Circuit Emulator）； 具有保密能力；具有WatchDog功能（由具體型號(hào)決定）一、方案設(shè)計(jì)與論證 方案一：本方案直接采用凌陽SPCE061A作為波形發(fā)生器。波形的具體產(chǎn)生是通過兩路DAC來產(chǎn)生，凌陽SPCE061A在這方面的設(shè)計(jì)為我們提供了極大的方便，用它實(shí)現(xiàn)的好處在于，外圍電路極其

5、簡單，另外在DAC的編程方面又提供及其便利的編程環(huán)境。外圍電路的設(shè)計(jì)包括三大部分，第一是鍵盤控制電路的設(shè)計(jì)，這里采用4*4鍵盤，由IOA的低八位進(jìn)行控制，把鍵盤上的行和列分別接在IOA0IOA3和IOA4IOA7上，采用外部中斷二來中斷所顯示波形，以便進(jìn)入下一波形的編輯和輸出，在波形輸出的同時(shí)利用外部中斷一來實(shí)現(xiàn)同步的頻率調(diào)節(jié)。第二是顯示電路的設(shè)計(jì)，這里為了在波形輸出依然有顯示，由于單片機(jī)的局限性這里采用通常的動(dòng)態(tài)LED顯示行不通，因?yàn)椴ㄐ屋敵鰰r(shí)要求CPU不停地為其服務(wù)而沒有空閑來為LED進(jìn)行不停更新，解決方案是采用帶數(shù)據(jù)緩存器和驅(qū)動(dòng)的LCD來提供顯示，這樣只占用八個(gè)I/O口即可完成設(shè)計(jì)要求,

6、也可放棄適時(shí)顯示功能采用LED顯示，這里將提供兩種顯示方案。第三是濾波和電壓轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)，濾波采用低通濾波器，濾除DAC轉(zhuǎn)換過程中形成的高頻小鋸齒波。另外由于凌陽SPCE061A單片機(jī)DAC輸出為電流輸出，為滿足達(dá)到5V的電壓輸出，外接OP07運(yùn)算放大器進(jìn)行放大，加1千歐姆電阻進(jìn)行電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。本設(shè)計(jì)的特點(diǎn)是全面采用數(shù)字電路方案，因而工作穩(wěn)定可靠。利用單片機(jī)控制管理，使頻率設(shè)置和占空比調(diào)整等操作可用鍵盤輸入，十分方便。方案二：本設(shè)計(jì)方案采用功能很強(qiáng)的大規(guī)模數(shù)字頻率合成器MC145151和多波形寬頻率范圍信號(hào)發(fā)生器MAX038 等新器件產(chǎn)生波形和頻率，控制與管理電路部分使用SPCE

7、061A單片機(jī)以及鍵盤顯示電路。MAX038是一個(gè)精密高頻波形產(chǎn)生器。它能產(chǎn)生頻率高達(dá)20MHz的正弦波、三角波、方波等脈沖信號(hào)，其壓控振蕩器的頻率分粗調(diào)和細(xì)調(diào)兩層控制。在本電路中，用于粗調(diào)的控制電壓（電流）由一個(gè)12位的DAC產(chǎn)生，使輸出頻率近似等于N倍基準(zhǔn)頻率。而細(xì)調(diào)電壓則由數(shù)字鎖相電路MC145151和環(huán)路濾波器MAX427產(chǎn)生，由鎖相反饋環(huán)將頻率fo = Nfr鎖定。這種方案的優(yōu)點(diǎn)是頻率合成器工作更可靠，鎖定更迅速。另外MAX038還包括占空比調(diào)整電路、波形同步電路、相位檢測電路、波形切換開關(guān)和電壓基準(zhǔn)源等電路，所需外部元件少，使用很方便?？刂坪凸芾黼娐酚蒘PCE061A單片機(jī)及外圍電

8、路組成。其主要用于對(duì)鍵盤輸入的波形和頻率選擇等數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼，計(jì)算出相應(yīng)的控制參數(shù)，控制頻率合成器輸出正確的信號(hào)，并將其頻率和波形參數(shù)用LED顯示出來。對(duì)于小型通用信號(hào)產(chǎn)生器而言，這是一個(gè)比較理想的設(shè)計(jì)方案。方案比較： 第一種方案設(shè)計(jì)外圍電路簡單，能夠滿足電子大賽設(shè)計(jì)的要求，這里考慮到短時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)既要成型，采用第一種方案。第二種方案的設(shè)計(jì)比較完善，由于用到專門的波形發(fā)生芯片，產(chǎn)生的波形比較完美，但外圍電路復(fù)雜，適合于作波形發(fā)生器的產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案。 二、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)2.1電路方框圖及說明  圖1整體框圖  2.2各部分電路設(shè)計(jì)2.2. 1濾波、放大及其電流

9、到電壓的轉(zhuǎn)換電路電路本系統(tǒng)采用二階壓控電壓源低通濾波器，如圖2所示。它由兩節(jié)RC濾波器和同向放大電路組成。其中同相放大實(shí)際上就是所謂的壓控電壓源，它的電壓增益就是低通濾波器的通帶電壓增益，即：A0=Avf=1+Rf/R1  圖2濾波電路 傳遞函數(shù)由圖電路可知，運(yùn)放同相端輸入電壓為： (1) 而Vp(s)與Va(s)的關(guān)系為： Vp(s)= Va(s)/（1+sRC）  (2) 對(duì)于節(jié)點(diǎn)A，由節(jié)點(diǎn)電流法可得        Vi(s)/R- Va(s)/R - Va(s)- V0(s)sC- Va(

10、s)/R- Vp(s)/R=0 (3) 將式（1）、（2）和（3）連立求解，可得電路的傳遞函數(shù)為 A(s)=V0(s)/ Vi(s)= Avf/1+(3- Avf)sRC+sRC*sRC        (4) 式（4）為二階低通濾波器傳遞函數(shù)的表達(dá)式。其中1/RC為特征頻率，而 1/(3- Avf)為等效品質(zhì)因數(shù)。截止頻率為1/RC。通過設(shè)置R、C可調(diào)節(jié)帶通到我們需要的范圍。另外調(diào)節(jié)Rf可調(diào)節(jié)幅度到我們需要的范圍。  2.2.2鍵盤控制電路電路在單片機(jī)中所需按鍵較少，多采用獨(dú)立式鍵盤。此種鍵盤結(jié)構(gòu)簡單，每

11、只按鍵接單片機(jī)的一條I/O線，通過查詢即可示別出每只按鍵的狀態(tài)來。但由于本系統(tǒng)按鍵較多，在這里采用矩陣式排列鍵盤，如圖3所示，這樣可以合理應(yīng)用硬件資源，把16只按鍵排列成4*4矩陣形式，用一個(gè)8位I/O口控制,如圖所示。把鍵盤上的行和列分別接在IOA0IOA3和IOA4IOA7 圖3 按鍵控制電路上。先置IOA0IOA3為帶數(shù)據(jù)緩存器的高電平輸出，置IOA4IOA7為帶下拉電阻的輸管腳，此時(shí)若有鍵按下，取IOA4IOA7的數(shù)據(jù)將得到一個(gè)值，把此值保存下來，再置IOA4IOA7為帶數(shù)據(jù)反相器的高電平輸出，置IOA0IOA3為帶下拉電阻的輸入管腳，此時(shí)若鍵仍沒彈起，取IOA0I

12、OA3的數(shù)據(jù)將得到另一個(gè)值，把這兩個(gè)值組合就可得知是哪個(gè)鍵按下了，再通過查表得到鍵值。  2.2.3顯示電路電路為了給廣大單片機(jī)愛好者提供方便，在顯示電路的設(shè)計(jì)方面提供兩種方案，第一種是采用四個(gè)LCD進(jìn)行適時(shí)顯示，這是比較理想的方案，但由于LCD成本較高，這里還提供另一種方案，用六個(gè)LED進(jìn)行顯示，這種方案的缺點(diǎn)是不能適時(shí)顯示，但也能滿足一般設(shè)計(jì)要求。 第一種方案采用四個(gè)LCD進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示，輪流顯示波形和頻率，直接用SPCE061A驅(qū)動(dòng)液晶顯示器，要占用較多的I/O口，這里采用ICM7211M來驅(qū)動(dòng)，這樣不僅節(jié)省I/O口而且減化了編程。用數(shù)字代表各種波形，顯示波形的粗調(diào)頻率

13、。用IOA9IOA10口作為位選控制， IOA8口作為ICM7211M的片選信號(hào)，IOA11IOA14作為數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線和位選線直接接凌陽SPCE061A單片機(jī)的I/O口即可， 圖4LCD顯示電路 第二種方案采用六個(gè)共陰極數(shù)碼管LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示波形和頻率，直接用SPCE061A直接驅(qū)動(dòng)LED，兩位提供波形顯示，四位提供頻率顯示。用IOB8IOB13口作為位選控制， IOA8IOA14口傳輸要顯示的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)線和位選線直接接凌陽SPCE061A單片機(jī)的I/O口即可，因?yàn)镮/O口輸出電流很小不會(huì)對(duì)LED造成損壞，它的電壓值卻足以驅(qū)動(dòng)LED，這不像別的單片機(jī)還要外接驅(qū)動(dòng)電路和電阻，采用凌陽SPCE

14、061A單片機(jī)大大減化了設(shè)計(jì)過程和硬件電路。硬件電路如圖5所示。 圖5LED顯示電路  2.2.4語音播報(bào)電路的設(shè)計(jì)電路  凌陽的SPCE061A是16位單片機(jī)，具有DSP功能，有很強(qiáng)的信息處理能力，最高時(shí)鐘可達(dá)到49M，具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢(shì)等等，這為語音的播放、錄放、合成及辨識(shí)提供了條件。另外SPCE061A單片機(jī)具有32k閃存，事先把所需要的語音信號(hào)錄制好，整個(gè)語音信號(hào)經(jīng)凌陽SACM_S480壓縮算法壓縮只占有13.2K存儲(chǔ)空間，對(duì)凌陽SPCE061A單片機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)來說綽綽有余。凌陽SPCE061A單片機(jī)自帶雙通道DAC音頻輸出， DAC1、DAC

15、2轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號(hào)分別通過AUD1和AUD2管腳輸出， DAC輸出為電流型輸出，經(jīng)LM396音頻放大，即可驅(qū)動(dòng)喇叭放音，放大電路如圖6(只列出了DAC1,DAC2類似)。在DAC1、DAC2后面接一個(gè)簡單的音頻放大電路和喇叭就能實(shí)現(xiàn)語音播報(bào)功能，這為單片機(jī)的音頻設(shè)計(jì)提供了極大方便，音頻的具體功能主要通過程序來實(shí)現(xiàn)。 圖6音頻放大電路 三、軟件設(shè)計(jì)3.1主程序流程圖由于使用凌陽SPCE061A使外圍電路變得異常簡單，整個(gè)波形發(fā)生器的主體任務(wù)落到了程序編寫上。整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方案如圖7，采用外部中斷二來中斷所顯示波形，以便進(jìn)入下一波形的編輯和輸出，在波形輸出的同時(shí)利用

16、外部中斷一來實(shí)現(xiàn)同步的頻率調(diào)節(jié)。波形的具體產(chǎn)生是通過兩路DAC來產(chǎn)生，之所以采用這種方式，是因?yàn)榱桕朣PCE061A在這方面的設(shè)計(jì)為我們提供了極大的方便，在DAC的編程方面又提供了及其便利的編程環(huán)境。用函數(shù)來產(chǎn)生波形是大多數(shù)設(shè)計(jì)者喜之不舍得設(shè)計(jì)方案，但在具體設(shè)計(jì)方面，因?yàn)楹瘮?shù)在單片機(jī)的運(yùn)算過程中占據(jù)了太多的時(shí)鐘周期，這就給我們追求高頻波形一個(gè)瓶頸，要怎樣解決這個(gè)問題呢？這里我采用查表來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)理論凌陽SPCE061A單片機(jī)可達(dá)到一百兆的要求，這就能充分滿足題目設(shè)計(jì)要求了，然而，由于函數(shù)產(chǎn)生波形極其方便，凌陽SPCE061A單片機(jī)有提供了大量函數(shù)庫，在設(shè)計(jì)過程中我在低頻部分依然采用函數(shù)設(shè)計(jì)。另

17、外，波形頻率隨CPU的頻率而變法，凌陽SPCE061A單片機(jī)的32768的實(shí)時(shí)時(shí)鐘經(jīng)過PLL倍頻電路產(chǎn)生系統(tǒng)時(shí)鐘頻率(Fosc)，F(xiàn)osc再經(jīng)過分頻得到CPU時(shí)鐘頻率(CPUCLK)可通過對(duì)P_SystemClock(寫)($7013H)單元編程來控制，這就為我們?cè)O(shè)計(jì)提供了豐富的CPU時(shí)鐘選擇。默認(rèn)的Fosc、CPUCLK分別為24.576MHz和Fosc/8。我們可以通過對(duì)P_SystemClock單元編程完成對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘和CPU時(shí)鐘頻率的定義，改變?cè)O(shè)置將可提供多種頻率選擇。在本設(shè)計(jì)中，波形編輯的第一部就是進(jìn)行CPU頻率選擇，選擇最高頻和最低頻作為粗調(diào)，在用鍵盤和中斷進(jìn)行微調(diào)，以便達(dá)到所需的頻

18、率及其幅值。下面將對(duì)各部分編程作詳細(xì)說明。 圖7整體流程圖  3.2分塊程序流程 按鍵控制部份在鍵掃描的過程中，先置IOA0IOA3為帶數(shù)據(jù)緩存器的高電平輸出，置IOA4IOA7為帶下拉電阻的輸入管腳，此時(shí)若有鍵按下，取IOA4IOA7的數(shù)據(jù)將得到一個(gè)值，把此值保存下來，再置IOA4IOA7為帶數(shù)據(jù)反相器的高電平輸出，置IOA0IOA3為帶下拉電阻的輸入管腳，此時(shí)若鍵仍沒彈起，取IOA0IOA3的數(shù)據(jù)將得到另一個(gè)值，把這兩個(gè)值組合就可得知是哪個(gè)鍵按下了，再通過查表得到鍵值，跳轉(zhuǎn)至相應(yīng)程序段，執(zhí)行輸出相應(yīng)波形或者編輯波形，從而達(dá)到控制波形的目的。整體按鍵過程如圖8所

19、示。 圖8按鍵控制流程圖 正弦波形的形成 在設(shè)計(jì)之初，我一直都在嘗試使用函數(shù)來計(jì)算輸出波形，使用這種方法，在示波器上得到了很好的波形，但是在CPU時(shí)鐘頻率沒調(diào)至最高的情況下，所得到的頻率只是多少毫赫茲到幾十赫茲之間，基本上沒有實(shí)用價(jià)值。要達(dá)到更高的頻率，就得另辟蹊徑了。分析一下為什么頻率上不去，主要原因在于，使用單片機(jī)進(jìn)行正弦函數(shù)的運(yùn)算時(shí)占去了不少時(shí)間，如果去掉這一計(jì)算過程波形的頻率應(yīng)該大有提高，另外就是CPU時(shí)鐘頻率沒有調(diào)至最高，以及DAC轉(zhuǎn)換過  圖9正弦波形查表形成流程圖 程需要時(shí)間。為了達(dá)到更高的頻率，首先就要免去單片機(jī)的計(jì)算負(fù)擔(dān)，我使用的解決方

20、法是人為計(jì)算出要輸出的點(diǎn)，然后建一個(gè)表通過查表來進(jìn)行輸出，這樣主要工作任務(wù)就落到了建表的過程中。這樣做的好處在于，查表所耗費(fèi)的時(shí)鐘周期相同，這樣輸出的點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離就相等了，輸出的波形行將更趨于完美，當(dāng)然更讓我們感到的高興的是它輸出波形的頻率將近達(dá)到了100K赫茲，能夠滿足我們?cè)O(shè)計(jì)的擴(kuò)展要求了。為了實(shí)現(xiàn)頻率的調(diào)整，我在一個(gè)正弦波周期里建了兩百個(gè)點(diǎn)，如果我們隔一個(gè)取點(diǎn)的話，且在CPU時(shí)鐘頻率不改變的情形下，正弦波頻率將相對(duì)于前面的頻率提高將近一倍。這樣我們就得到了解決頻率調(diào)整的方法，首先進(jìn)行CPU時(shí)鐘頻率選擇，再調(diào)整一個(gè)正弦函數(shù)一個(gè)周期輸出的點(diǎn)數(shù)，幅度的調(diào)節(jié)是通過初始幅度設(shè)置再通過外部放大電路

21、來調(diào)節(jié)，設(shè)計(jì)程序流程圖如圖所示。另外，由于函數(shù)產(chǎn)生波形及其方便，凌陽SPCE061A單片機(jī)又提供了大量函數(shù)庫，在設(shè)計(jì)過程中我在低頻部分依然采用函數(shù)設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@更有利于數(shù)字幅度和頻率的調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)程序流程圖如圖9和10所示。 圖10正弦函數(shù)計(jì)算形成波形流程圖 三角波、鋸齒波的形成 三角波、鋸齒波形成的原理同正弦波形成的原理大致相同，在這里將不做作詳細(xì)介紹，其流程圖如圖11所示。圖11三角波查表形成流程圖  方波的形成和實(shí)現(xiàn) 方波是我們最常用的一種波形，并且常常作為一種標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域，凌陽SPCE061A提供了一種很好的方波發(fā)生機(jī)制，就是APWM調(diào)制，

22、通過寫入P_TimerA_Ctrl($700BH)單元的第69位，可選擇設(shè)置APWM輸出波形的脈寬占空比；同理，寫入P_TimerB_Ctrl($700DH)單元的第69位，便可選擇設(shè)置BPWM輸出波形的脈寬占空比。我們可以將IOB8設(shè)置成同相輸出端口，通過設(shè)置P_TimerA_Ctrl(寫)($700BH)的第05位來選擇TimerA的時(shí)鐘源(時(shí)鐘源A、B)。設(shè)置該單元的第69位（如圖12所示），TimerA將輸出不同頻率的脈寬調(diào)制信號(hào)，即對(duì)脈寬占空比輸出APWM進(jìn)行控制。這里為了得到最標(biāo)準(zhǔn)的波形采用這種方式來實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)方波。如圖12所示就是我們進(jìn)行APWM調(diào)制的原理圖。圖12APWMO信號(hào)時(shí)序圖 在某些應(yīng)用領(lǐng)域由于各種干擾和響應(yīng)的存在，實(shí)際電路往往存在各種信號(hào)缺陷和瞬變信號(hào)，為了滿足各種需要我們還設(shè)計(jì)了有頻率突變的方波，如圖11所示。具體設(shè)計(jì)方案是采用不停的輸出和停止輸出某一幅度的值，在一個(gè)序列周期我們總共提供八位可變數(shù)值，因?yàn)樵跀?shù)據(jù)傳輸過