波形發(fā)生器-凌陽大學…

1、波形發(fā)生器作者：凌陽大學    文章來源：凌陽大學計劃網(wǎng)站    點擊數(shù)：344    更新時間：2007-1-18     摘要 關鍵詞：  SPCE061A單片機  波形發(fā)生器單片機是實現(xiàn)各種控制策略和算法的載體。由臺灣凌陽公司生產的SPCE系列單片機，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，在國內越來越受到用戶的重視和廣泛的應用。SPCE061A單片機功能強大,其片內含有

2、八路十位A/D轉換器和兩路D/A轉換器，該波形發(fā)生器運用單片機技術，通過巧妙的軟件設計和簡易的硬件電路，產生數(shù)字式的正弦波、方波、斜波等幅值可調的信號。信號頻率，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，產生的數(shù)字信號干擾小，輸出穩(wěn)定，可靠性高，特別是操作簡單方便，人機界面友好，成本低，非常適合于物理實驗室教學與實驗使用。  SPCE061A單片機概述SPCE061A是繼u'nSP系列產品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一個16位結構的微控制器。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時鐘：32768Hz49.152MHz ；內置2K字SRAM、內置32K FLASH；可編程音頻處理；32位通用可編程輸入/輸出端口；32768Hz實時時鐘，鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)；2個10位DAC(數(shù)-模轉換)輸出通道；7通道10位電壓模-數(shù)轉換器(ADC)和單通道語音模-數(shù)轉換器；聲音模-數(shù)轉換器輸入通道內置麥克風放大器自動增益控制(AGC)功能；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))耗電小于2mA3.6V；具備觸鍵喚醒

4、的功能；14個中斷源：定時器A / B，2個外部時鐘源輸入，時基，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、同步串行設備接口；具有低電壓復位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；內置在線仿真電路接口ICE（In- Circuit Emulator）； 具有保密能力；具有WatchDog功能（由具體型號決定）一、方案設計與論證 方案一：本方案直接采用凌陽SPCE061A作為波形發(fā)生器。波形的具體產生是通過兩路DAC來產生，凌陽SPCE061A在這方面的設計為我們提供了極大的方便，用它實現(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。外圍電路的設計包括三大部分，第一是鍵盤控制電路的設計，這里采用4*4鍵盤，由IOA的低八位進行控制，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，以便進入下一波形的編輯和輸出，在波形輸出的同時利用外部中斷一來實現(xiàn)同步的頻率調節(jié)。第二是顯示電路的設計，這里為了在波形輸出依然有顯示，由于單片機的局限性這里采用通常的動態(tài)LED顯示行不通，因為波形輸出時要求CPU不停地為其服務而沒有空閑來為LED進行不停更新，解決方案是采用帶數(shù)據(jù)緩存器和驅動的LCD來提供顯示，這樣只占用八個I/O口即可完成設計要求,

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

7、061A單片機以及鍵盤顯示電路。MAX038是一個精密高頻波形產生器。它能產生頻率高達20MHz的正弦波、三角波、方波等脈沖信號，其壓控振蕩器的頻率分粗調和細調兩層控制。在本電路中，用于粗調的控制電壓（電流）由一個12位的DAC產生，使輸出頻率近似等于N倍基準頻率。而細調電壓則由數(shù)字鎖相電路MC145151和環(huán)路濾波器MAX427產生，由鎖相反饋環(huán)將頻率fo = Nfr鎖定。這種方案的優(yōu)點是頻率合成器工作更可靠，鎖定更迅速。另外MAX038還包括占空比調整電路、波形同步電路、相位檢測電路、波形切換開關和電壓基準源等電路，所需外部元件少，使用很方便。控制和管理電路由SPCE061A單片機及外圍電

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

9、到電壓的轉換電路電路本系統(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，運放同相端輸入電壓為： (1) 而Vp(s)與Va(s)的關系為： Vp(s)= Va(s)/（1+sRC）  (2) 對于節(jié)點A，由節(jié)點電流法可得        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)的表達式。其中1/RC為特征頻率，而 1/(3- Avf)為等效品質因數(shù)。截止頻率為1/RC。通過設置R、C可調節(jié)帶通到我們需要的范圍。另外調節(jié)Rf可調節(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中所需按鍵較少，多采用獨立式鍵盤。此種鍵盤結構簡單，每

11、只按鍵接單片機的一條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，這樣可以合理應用硬件資源，把16只按鍵排列成4*4矩陣形式，用一個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，此時若有鍵按下，取IOA4IOA7的數(shù)據(jù)將得到一個值，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，此時若鍵仍沒彈起，取IOA0I

12、OA3的數(shù)據(jù)將得到另一個值，把這兩個值組合就可得知是哪個鍵按下了，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愛好者提供方便，在顯示電路的設計方面提供兩種方案，第一種是采用四個LCD進行適時顯示，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LED進行顯示，這種方案的缺點是不能適時顯示，但也能滿足一般設計要求。 第一種方案采用四個LCD進行動態(tài)顯示，輪流顯示波形和頻率，直接用SPCE061A驅動液晶顯示器，要占用較多的I/O口，這里采用ICM7211M來驅動，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，顯示波形的粗調頻率

13、。用IOA9IOA10口作為位選控制， IOA8口作為ICM7211M的片選信號，IOA11IOA14作為數(shù)據(jù)線。數(shù)據(jù)線和位選線直接接凌陽SPCE061A單片機的I/O口即可， 圖4LCD顯示電路 第二種方案采用六個共陰極數(shù)碼管LED進行動態(tài)顯示波形和頻率，直接用SPCE061A直接驅動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單片機的I/O口即可，因為I/O口輸出電流很小不會對LED造成損壞，它的電壓值卻足以驅動LED，這不像別的單片機還要外接驅動電路和電阻，采用凌陽SPCE

14、061A單片機大大減化了設計過程和硬件電路。硬件電路如圖5所示。 圖5LED顯示電路  2.2.4語音播報電路的設計電路  凌陽的SPCE061A是16位單片機，具有DSP功能，有很強的信息處理能力，最高時鐘可達到49M，具備運算速度高的優(yōu)勢等等，這為語音的播放、錄放、合成及辨識提供了條件。另外SPCE061A單片機具有32k閃存，事先把所需要的語音信號錄制好，整個語音信號經凌陽SACM_S480壓縮算法壓縮只占有13.2K存儲空間，對凌陽SPCE061A單片機的存儲系統(tǒng)來說綽綽有余。凌陽SPCE061A單片機自帶雙通道DAC音頻輸出， DAC1、DAC

15、2轉換輸出的模擬量電流信號分別通過AUD1和AUD2管腳輸出， DAC輸出為電流型輸出，經LM396音頻放大，即可驅動喇叭放音，放大電路如圖6(只列出了DAC1,DAC2類似)。在DAC1、DAC2后面接一個簡單的音頻放大電路和喇叭就能實現(xiàn)語音播報功能，這為單片機的音頻設計提供了極大方便，音頻的具體功能主要通過程序來實現(xiàn)。 圖6音頻放大電路 三、軟件設計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，整個波形發(fā)生器的主體任務落到了程序編寫上。整個系統(tǒng)的軟件設計方案如圖7，采用外部中斷二來中斷所顯示波形，以便進入下一波形的編輯和輸出，在波形輸出的同時利用

16、外部中斷一來實現(xiàn)同步的頻率調節(jié)。波形的具體產生是通過兩路DAC來產生，之所以采用這種方式，是因為凌陽SPCE061A在這方面的設計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)來產生波形是大多數(shù)設計者喜之不舍得設計方案，但在具體設計方面，因為函數(shù)在單片機的運算過程中占據(jù)了太多的時鐘周期，這就給我們追求高頻波形一個瓶頸，要怎樣解決這個問題呢？這里我采用查表來實現(xiàn)，根據(jù)理論凌陽SPCE061A單片機可達到一百兆的要求，這就能充分滿足題目設計要求了，然而，由于函數(shù)產生波形極其方便，凌陽SPCE061A單片機有提供了大量函數(shù)庫，在設計過程中我在低頻部分依然采用函數(shù)設計。另

17、外，波形頻率隨CPU的頻率而變法，凌陽SPCE061A單片機的32768的實時時鐘經過PLL倍頻電路產生系統(tǒng)時鐘頻率(Fosc)，F(xiàn)osc再經過分頻得到CPU時鐘頻率(CPUCLK)可通過對P_SystemClock(寫)($7013H)單元編程來控制，這就為我們設計提供了豐富的CPU時鐘選擇。默認的Fosc、CPUCLK分別為24.576MHz和Fosc/8。我們可以通過對P_SystemClock單元編程完成對系統(tǒng)時鐘和CPU時鐘頻率的定義，改變設置將可提供多種頻率選擇。在本設計中，波形編輯的第一部就是進行CPU頻率選擇，選擇最高頻和最低頻作為粗調，在用鍵盤和中斷進行微調，以便達到所需的頻

18、率及其幅值。下面將對各部分編程作詳細說明。 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，此時若有鍵按下，取IOA4IOA7的數(shù)據(jù)將得到一個值，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，此時若鍵仍沒彈起，取IOA0IOA3的數(shù)據(jù)將得到另一個值，把這兩個值組合就可得知是哪個鍵按下了，再通過查表得到鍵值，跳轉至相應程序段，執(zhí)行輸出相應波形或者編輯波形，從而達到控制波形的目的。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 在設計之初，我一直都在嘗試使用函數(shù)來計算輸出波形，使用這種方法，在示波器上得到了很好的波形，但是在CPU時鐘頻率沒調至最高的情況下，所得到的頻率只是多少毫赫茲到幾十赫茲之間，基本上沒有實用價值。要達到更高的頻率，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，使用單片機進行正弦函數(shù)的運算時占去了不少時間，如果去掉這一計算過程波形的頻率應該大有提高，另外就是CPU時鐘頻率沒有調至最高，以及DAC轉換過  圖9正弦波形查表形成流程圖 程需要時間。為了達到更高的頻率，首先就要免去單片機的計算負擔，我使用的解決方

20、法是人為計算出要輸出的點，然后建一個表通過查表來進行輸出，這樣主要工作任務就落到了建表的過程中。這樣做的好處在于，查表所耗費的時鐘周期相同，這樣輸出的點與點之間的距離就相等了，輸出的波形行將更趨于完美，當然更讓我們感到的高興的是它輸出波形的頻率將近達到了100K赫茲，能夠滿足我們設計的擴展要求了。為了實現(xiàn)頻率的調整，我在一個正弦波周期里建了兩百個點，如果我們隔一個取點的話，且在CPU時鐘頻率不改變的情形下，正弦波頻率將相對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整的方法，首先進行CPU時鐘頻率選擇，再調整一個正弦函數(shù)一個周期輸出的點數(shù)，幅度的調節(jié)是通過初始幅度設置再通過外部放大電路

21、來調節(jié)，設計程序流程圖如圖所示。另外，由于函數(shù)產生波形及其方便，凌陽SPCE061A單片機又提供了大量函數(shù)庫，在設計過程中我在低頻部分依然采用函數(shù)設計，因為這更有利于數(shù)字幅度和頻率的調節(jié)。設計程序流程圖如圖9和10所示。 圖10正弦函數(shù)計算形成波形流程圖 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  方波的形成和實現(xiàn) 方波是我們最常用的一種波形，并且常常作為一種標準信號應用在各個領域，凌陽SPCE061A提供了一種很好的方波發(fā)生機制，就是APWM調制，

22、通過寫入P_TimerA_Ctrl($700BH)單元的第69位，可選擇設置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，便可選擇設置BPWM輸出波形的脈寬占空比。我們可以將IOB8設置成同相輸出端口，通過設置P_TimerA_Ctrl(寫)($700BH)的第05位來選擇TimerA的時鐘源(時鐘源A、B)。設置該單元的第69位（如圖12所示），TimerA將輸出不同頻率的脈寬調制信號，即對脈寬占空比輸出APWM進行控制。這里為了得到最標準的波形采用這種方式來實現(xiàn)標準方波。如圖12所示就是我們進行APWM調制的原理圖。圖12APWMO信號時序圖 在某些應用領域由于各種干擾和響應的存在，實際電路往往存在各種信號缺陷和瞬變信號，為了滿足各種需要我們還設計了有頻率突變的方波，如圖11所示。具體設計方案是采用不停的輸出和停止輸出某一幅度的值，在一個序列周期我們總共提供八位可變數(shù)值，因為在數(shù)據(jù)傳輸過