avr波形發(fā)生器.

1、本設計從功能簡單、調整方便、功能完備出發(fā)，采用Atmega16單片機。具有LED 數(shù)字參數(shù)顯示，矩陣鍵盤輸入、小鍵盤微調 / 粗調頻率值以及占空比，可實現(xiàn)輸 出方波、正弦波、三角波，頻率可調整，穩(wěn)幅輸出，頻率范圍0.1Hz- 3Mhz ，可粗調和細調頻率值，輸出波形清晰而穩(wěn)定。一、方案設計1 、波形生成方案本設計的核心問題是信號的程控問題， 其中包括信號頻率、 信號種類的程控。 在 設計過程中，我們綜合考慮了兩種實現(xiàn)方案：方案一：程控PWM結合D/A轉換。這種方案可以實現(xiàn)三種基本波形。 具體方案如 下：首先通過AVR的相頻可調PWM模式產生所需要頻率的方波，通過低通濾 波 電路可以得到頻率可調

2、的三角波以及正弦波。其優(yōu)點是工作頻率可以做得很高， 頻率范圍可以做得很寬， 也可以得到很高的頻率分辨率； 缺點是使用的濾波電路 要 求通帶可變。方案二：直接數(shù)字頻率合成(DDFS 0 DDF戰(zhàn)術是60年代末出現(xiàn)的第三代頻率 合成技術，以 Nyquist 時域中進行頻率合成，它可以快速轉換頻率， 頻率、相 位、幅度都可以實現(xiàn)程控，便于單片機控制0缺點是該技術已經比較成熟，而且 有集成電路可以使用，并且如果直接使用單片機實現(xiàn)則很難達到高頻率，另 一 方面成本太高0綜合考慮各種因素，選擇第一種方案02、顯示界面方案這是決定系統(tǒng)使用是否方便的關鍵0我們采用的方案是用LED顯示頻率，信號輸出到示波器上顯

3、示波形。3、輸入方式方案 本系統(tǒng)需要用戶選擇預設波形，調整波形0這對輸入方式提出了較高的要求0 我們采用的方式是大鍵盤輸入方波的頻率，小鍵盤上實現(xiàn)對各種波的頻率調整0二、系統(tǒng)設計1 、總體設計(1) 系統(tǒng)框圖采用RC濾波電路，從AVR的PD4端口讀出波形數(shù)據(jù)，經過 D/A模塊說明 波形產生電路： 轉換得到模擬的波形。矩陣鍵盤模塊：4X4矩陣鍵盤按下后，引發(fā)INTO中斷，AVR讀取鍵值并做出相 應反應。此方案采用中斷，實時性好。粗調/微調模塊：；小鍵盤按下后，引發(fā)INT1軟中斷，可粗調/微調頻率值、占 空比，以及調整檔位值。顯示模塊：米用LED顯示頻率、占空比、檔位值等。2、軟件系統(tǒng) 流程圖(2

4、) 方波發(fā)生程序本程序可產生頻率相位占空比可調的方波， 頻率可調得正弦波和頻率可調的三角 波，其中方波部分是另外兩部分的基礎，調節(jié)最精細，功能最全面，程序最復雜。 方波部分采用Time1相頻可調的PWM模式，采用7.3738M的外部晶振。輸出方波頻率公式7372800f =2迦 X0CRLA其中0CR1A范圍為0-65535, N為分頻值可取1, 8, 64, 256, 1024。對OCR1A勺調節(jié)采用外部中斷INT1,由于它的數(shù)值比較大我們把它分為100 檔, 對于前35檔每檔有656個微調值，對于以后的檔位每當有655個微 調值。按住OCR1A勺檔位加后OCR1不斷自加直到100,按住OC

5、R1A勺檔位減后它會自減直 到0,對于OCR1的微調采用同樣的思路。根據(jù)公式 可算出方波的頻率范圍為(0占空比A .OCR 磁 *1top 血 0 占空比公式？OCRIAMOCR1 的取值范圍為0OCR1A同樣我們將OCR1分為100檔和相應的微調值, 其功能與效果與OCR1A勺調節(jié)相同。在頻率模式與占空比模式之間轉換時我們引入了指示位一一全局變量 freq_occup，當freq_occup=0時為頻率調節(jié)模式，當為1為占空比模式.(3) 正弦波發(fā)生程序C-原理：上圖所示為一個周期內的方波形，其中C代表占空比。不妨將電壓看作 x的函數(shù),表示為v(x)=1x1 <

6、; 1) |x| < C)將它傅里葉展開為卩(X)= 5C +從公式中可以看出電壓的第一項與占空比成正比，因此只要采用濾波電路濾去其 他的交變信號，就可以通過調節(jié)占空比來調節(jié)輸出的電壓。首先按照下面的公式建立一個正弦波樣本表，樣本表將一個正弦波的1/4周期分 為90個點：const unsigned char sin = 0x0, 0x2, 0x4, 0x6, 0x8, Oxb, Oxd, Oxf, 0x11,0x13, 0x16, 0x18, 0x1a, 0x1c, 0x1e, 0x20, 0x23, 0x25, 0x27, 0x29, 0x2b,0x2d, 0x2f, 0x31, 0

7、x33,0x35, 0x37, 0x39,0x3b,0x3d,0x3f, 0x41,0x43,0x45, 0x47,0x48, 0x4a,0x4c, 0x4e, 0x4f,0x51,0x53,0x54, 0x56,0x58,0x59, 0x5b,0x5c, 0x5e,0x5f, 0x61,0x62,0x64,0x65,0x66, 0x68,0x69,0x6a, 0x6b,0x6c, 0x6d,0x6f, 0x70, 0x71,0x72,0x73,0x74, 0x74,0x75,0x76, 0x77, 0x78, 0x78, 0x79, 0x7a, 0x7a, 0x7b, 0x7b, 0x7c,

8、 0x7c, 0x7d,0x7d, 0x7d, 0x7e, 0x7e, 0x7e, 0x7e, 0x7e, 0x7e, 0x7e公式如下：sinn=128 x sin(n O)根據(jù)此樣品表來調節(jié)OCR1B從而調節(jié)了占空比：OCR1B= 127+si nn 此時OCR1A勺值為255在一個正弦波周期中采用360個樣點，根據(jù)正弦函數(shù)的變化規(guī)律依次取占空比的 合適的值。在正弦波波形發(fā)生時中周期性的取這 360個樣點。其中每個樣點保持的時間為 PX （256-TCNT0）輸出占空比按正弦規(guī)律變化的方波，經過濾波電路即可得到正弦 波。通過以上分析可得到正弦波的頻率公式360 X （2S6 - TCNTO

9、） x P從公式中可以看出，可以通過調節(jié) P和TCNT（的值來改變正弦波的頻率。其中 P 取值范圍（1-10），TCNT0的范圍為（0-255）（4）三角波發(fā)生程序三角波的原理與正弦波相同，不過取樣時占空比按線性規(guī)律變化， 在程序正是通 過對占空比取樣值加一實現(xiàn)的。其頻率公式：73728007372SOOFe* 科'盂 3fiaxC2S6-TCNT0）xP（5）人機接口部分a）輸入：包括4X4鍵盤和四個獨立按鍵組成。大鍵盤：采用INTO中斷下降沿觸發(fā)，在中斷中進行行列反轉鍵盤掃描，并將掃描到的鍵 值存入頻率數(shù)組，同時賦給 LED顯示數(shù)組中。功能：完成方波頻率的輸入，以及波形輸出模式和頻

10、率占空比模式的轉換。其中將PD3設為輸出。在主函數(shù)中不斷檢測四個鍵中是否有健按下， 在程序中令 P 0RTD3&=-0x1即完成軟中斷的設置。在中斷中對相1234 為 123X104。會自動轉化為與輸入頻率最接近的可輸出值，并顯示到數(shù)碼管上輸入的頻率前三位是頻率的有效值，最后一位是數(shù)量級（如 輸入頻率后， 獨立按鍵： 采用軟中斷， 旦有鍵按下，應的參數(shù)進行調整，將調整值存入對應的數(shù)組中，然后將這些數(shù)組中的數(shù)賦給 LED顯示數(shù)組。功能：在頻率模式下可以實現(xiàn)對頻率參數(shù) OCR1A勺100檔位和對應的微調檔位的 調整，從而改變頻率。在占空比模式下可以實現(xiàn)對占空比參數(shù)OCR1B勺100檔位和對

11、應的微調檔位的調整，從而改變占空比。在正弦和三角波模式下，可以實 現(xiàn)對P和TCNT0的調整，從而改變正弦波頻率。b）顯示：4位7段數(shù)碼管沒有鍵按下或者只從大鍵盤輸入時在主函數(shù)中對 LED進行動態(tài)掃描。在按下四位 獨立按鍵時，由于INT1中斷時間較長。在INT1中斷中也會對LED進行動態(tài)掃描。 在中斷中和正常模式下分別將要顯示的數(shù)存入不同的數(shù)組中。4、系統(tǒng)設計圖一 £"fpjwriwoe AMtrte*M4£>jbmciiwan *(Vl «uw>4 vnvwi 州STdz c = ianr顯示*s塊Qr 事'rII 'f Jj

12、sa_m _izzs_<斗 CR-1j-5 o唱邀r®調畫尿J波形發(fā)生器電路原理圖二Tp 廣心“ r Ir-=& MiJ.JA&L*r" 1p科=LTr 廠I1tf*=LT4 -7 i ,j=501 fEa中LB_三、系統(tǒng)調試1、軟件調試本系統(tǒng)的程序較長，軟件調試較復雜。除了語法差錯和邏輯差錯外，當確認程序沒問題時，將程序下載到單片機，進行 在線仿真。具體采取的是自下到上、從小到大的調試方法，即單獨調試好每一個模塊，然后 再連接成一個完整的系統(tǒng)調試。2、軟硬聯(lián)調我們選用了三組R/C值進行波形的輸出檢測，R/C值如下：參數(shù) 組別RC時間常數(shù)RC第一組10

13、 K Q100 nF1 ms第二組10 K Q10 nF100 卩 s第三組100 K Q100 nF10 ms第二組輸出的三角波失真較大，拐彎處太圓滑; 第三組輸出的正弦波不如第一組清晰； 綜上，我們選擇了第一組的參數(shù)。四、系統(tǒng)測試1、測試儀器二蹤示波器：XJ4318函數(shù)信號發(fā)生及檢測器：SG16452、測試數(shù)據(jù) 方波頻率范圍測試預置頻率/Hz轉換頻率/Hz輸出頻率/Hz0.069.9 X 10-20.10.1|1.0 X 10-10.1p.32.9 X 10-10.30.98.9 X 10-10.911.01.033.03.09.59.59.510.71.07 X 1010.7303.00

14、 X 1030.090.49.04 X 1090.41001.00 X 102100.01301.30 X 102130.11901.90 X 102190.03333.33 X 102330.09999.99 X 102999.01K1.0 X 10310003.45K3.45 X 10334529.87K9.88 X 103988310.7K1.07 X 10410716K30K2.99 X 10429.971K90.8K9.21 X 10492.159K100K9.96 X 10499.631K321K3.35 X 105335.123K911K9.21 X 105921.589K1M9

15、.21 X 105921.589K1.23M1.22 X 1061228.78K2M1.84 X 1061843.18K2.5M3.68 X 106超量程3M3.68 X 106超量程3.6M3.68 X 106超量程正弦波頻率測試r1. 1412. 920. 330. 7404574. 9預置頻率/Hz輸出頻率/Hz1152040. 141. 54445三角波頻率測試預置頻率/Hz1. 1412. 920. 330. 7404574. 9輸出頻率/Hz1152040. 141. 54445五、結論由表可以看出，在頻率穩(wěn)定度方面，方波在 0.1Hz100KHZ頻率范圍內非常好， 在大于1MHz

16、頻率范圍內較大誤差；其原因在于高頻附近，步進值較大，自動轉 換的頻率值與輸入值可能相差較大。正弦波以及三角波模式下在示波器中可看到清晰、標準的波形，其頻率也可通過鍵盤進行調節(jié)，由這兩種波形產生的原理知，頻率不能由頻率發(fā)生器進行檢測， 由示 波器進行目測試，可以初步看出正弦波在輸出在頻率方面不是十分精確， 誤差較大。原因在于AVR在輸出這兩種波形時，需要不斷調節(jié)占空比，所以數(shù)碼 管的掃描 顯示干擾了此項要求，導致誤差較大。這個問題可以通過另外加一片 AVR來解決，考慮到成本問題，暫未采用?，F(xiàn)將我們設計的系統(tǒng)的指標及系統(tǒng)實際性能列表如下：方波正弦波三角波頻率范圍0.1Hz 100KHz2Hz 40

17、Hz2Hz 40Hz頻率步進”:皿擴+1 Qcai霑+斗誤差大，略誤差大,略占空比范圍01/占空比步進缺1口.曰* + 1 ocRia宀t占空比步進pCRi-A*o己養(yǎng)i/六、問題總結1. 顯示問題：在動態(tài)顯示中出現(xiàn)重影.原因：由于動態(tài)掃描時相鄰LED亮滅時間過短，由于視覺暫留，會產生重影. 解決方案:在顯示一位后加一個滅的延遲2. 同時利用多個中斷時，某個中斷可用而其他中斷無效，或只能中斷中斷一次. 原因：某個中斷被連續(xù)觸發(fā)，將其他中斷被屏蔽.解決方案：更改觸發(fā)方式3. 強制類型轉換后公式計算的數(shù)值嚴重不準.原因：強制類型轉換舍掉小數(shù)問題若轉換后的數(shù)乘一個比較大的數(shù)就會產生很 大的誤差時.解決方案：注意小數(shù)點后面的數(shù)字的取舍問題.可以在強制類型轉換后加一個四 舍五入的功能以減少誤差.4. 全局變量初值未賦開機后讀不到預期的效果 原因？：初值未賦會使開機時狀態(tài)不穩(wěn)解決方案：根據(jù)想要的效果合理賦初值.5. 十六進制和十進制比較大小時出錯 .原因? : 不同進制的數(shù)除零之外不能比較大小 .解決方案 : 將兩個數(shù)轉換為同一進制后在比較大小 .6. 在利用正確的公式進行計算時達不到正確的結果 .原因? : 在計算過程中某種類型的數(shù)字溢出而使結果錯誤解決方案 ? : 分析公式計算的過程找到溢出的數(shù)值選取正確的類型防止變量溢出7. 在設