avr波形發(fā)生器.

1、本設(shè)計(jì)從功能簡(jiǎn)單、調(diào)整方便、功能完備出發(fā)，采用Atmega16單片機(jī)。具有LED 數(shù)字參數(shù)顯示，矩陣鍵盤(pán)輸入、小鍵盤(pán)微調(diào) / 粗調(diào)頻率值以及占空比，可實(shí)現(xiàn)輸 出方波、正弦波、三角波，頻率可調(diào)整，穩(wěn)幅輸出，頻率范圍0.1Hz- 3Mhz ，可粗調(diào)和細(xì)調(diào)頻率值，輸出波形清晰而穩(wěn)定。一、方案設(shè)計(jì)1 、波形生成方案本設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題是信號(hào)的程控問(wèn)題， 其中包括信號(hào)頻率、 信號(hào)種類(lèi)的程控。 在 設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們綜合考慮了兩種實(shí)現(xiàn)方案：方案一：程控PWM結(jié)合D/A轉(zhuǎn)換。這種方案可以實(shí)現(xiàn)三種基本波形。 具體方案如 下：首先通過(guò)AVR的相頻可調(diào)PWM模式產(chǎn)生所需要頻率的方波，通過(guò)低通濾 波 電路可以得到頻率可調(diào)

2、的三角波以及正弦波。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)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(shù)是60年代末出現(xiàn)的第三代頻率 合成技術(shù)，以 Nyquist 時(shí)域中進(jìn)行頻率合成，它可以快速轉(zhuǎn)換頻率， 頻率、相 位、幅度都可以實(shí)現(xiàn)程控，便于單片機(jī)控制0缺點(diǎn)是該技術(shù)已經(jīng)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(jī)實(shí)現(xiàn)則很難達(dá)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(guān)鍵0我們采用的方案是用LED顯示頻率，信號(hào)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(hù)選擇預(yù)設(shè)波形，調(diào)整波形0這對(duì)輸入方式提出了較高的要求0 我們采用的方式是大鍵盤(pán)輸入方波的頻率，小鍵盤(pán)上實(shí)現(xiàn)對(duì)各種波的頻率調(diào)整0二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1 、總體設(shè)計(jì)(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(jīng)過(guò) D/A模塊說(shuō)明 波形產(chǎn)生電路： 轉(zhuǎn)換得到模擬的波形。矩陣鍵盤(pán)模塊：4X4矩陣鍵盤(pán)按下后，引發(fā)INTO中斷，AVR讀取鍵值并做出相 應(yīng)反應(yīng)。此方案采用中斷，實(shí)時(shí)性好。粗調(diào)/微調(diào)模塊：；小鍵盤(pán)按下后，引發(fā)INT1軟中斷，可粗調(diào)/微調(diào)頻率值、占 空比，以及調(diào)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(chǎn)生頻率相位占空比可調(diào)的方波， 頻率可調(diào)得正弦波和頻率可調(diào)的三角 波，其中方波部分是另外兩部分的基礎(chǔ)，調(diào)節(jié)最精細(xì)，功能最全面，程序最復(fù)雜。 方波部分采用Time1相頻可調(diào)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(duì)OCR1A勺調(diào)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(duì)于前35檔每檔有656個(gè)微調(diào)值，對(duì)于以后的檔位每當(dāng)有655個(gè)微 調(diào)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(huì)自減直 到0,對(duì)于OCR1的微調(diào)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(yīng)的微調(diào)值, 其功能與效果與OCR1A勺調(diào)節(jié)相同。在頻率模式與占空比模式之間轉(zhuǎn)換時(shí)我們引入了指示位一一全局變量 freq_occup，當(dāng)freq_occup=0時(shí)為頻率調(diào)節(jié)模式，當(dāng)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(gè)周期內(nèi)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(kāi)為卩(X)= 5C +從公式中可以看出電壓的第一項(xiàng)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(hào)，就可以通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出的電壓。首先按照下面的公式建立一個(gè)正弦波樣本表，樣本表將一個(gè)正弦波的1/4周期分 為90個(gè)點(diǎn)：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(lái)調(diào)節(jié)OCR1B從而調(diào)節(jié)了占空比：OCR1B= 127+si nn 此時(shí)OCR1A勺值為255在一個(gè)正弦波周期中采用360個(gè)樣點(diǎn)，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(shí)中周期性的取這 360個(gè)樣點(diǎn)。其中每個(gè)樣點(diǎn)保持的時(shí)間為 PX （256-TCNT0）輸出占空比按正弦規(guī)律變化的方波，經(jīng)過(guò)濾波電路即可得到正弦 波。通過(guò)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(guò)調(diào)節(jié) P和TCNT（的值來(lái)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(guò)取樣時(shí)占空比按線(xiàn)性規(guī)律變化， 在程序正是通 過(guò)對(duì)占空比取樣值加一實(shí)現(xiàn)的。其頻率公式：73728007372SOOFe* 科'盂 3fiaxC2S6-TCNT0）xP（5）人機(jī)接口部分a）輸入：包括4X4鍵盤(pán)和四個(gè)獨(dú)立按鍵組成。大鍵盤(pán)：采用INTO中斷下降沿觸發(fā)，在中斷中進(jìn)行行列反轉(zhuǎn)鍵盤(pán)掃描，并將掃描到的鍵 值存入頻率數(shù)組，同時(shí)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(zhuǎn)換。其中將PD3設(shè)為輸出。在主函數(shù)中不斷檢測(cè)四個(gè)鍵中是否有健按下， 在程序中令 P 0RTD3&=-0x1即完成軟中斷的設(shè)置。在中斷中對(duì)相1234 為 123X104。會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)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(jí)（如 輸入頻率后， 獨(dú)立按鍵： 采用軟中斷， 旦有鍵按下，應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，將調(diào)整值存入對(duì)應(yīng)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(shí)現(xiàn)對(duì)頻率參數(shù) OCR1A勺100檔位和對(duì)應(yīng)的微調(diào)檔位的 調(diào)整，從而改變頻率。在占空比模式下可以實(shí)現(xiàn)對(duì)占空比參數(shù)OCR1B勺100檔位和對(duì)

11、應(yīng)的微調(diào)檔位的調(diào)整，從而改變占空比。在正弦和三角波模式下，可以實(shí) 現(xiàn)對(duì)P和TCNT0的調(diào)整，從而改變正弦波頻率。b）顯示：4位7段數(shù)碼管沒(méi)有鍵按下或者只從大鍵盤(pán)輸入時(shí)在主函數(shù)中對(duì) LED進(jìn)行動(dòng)態(tài)掃描。在按下四位 獨(dú)立按鍵時(shí)，由于INT1中斷時(shí)間較長(zhǎng)。在INT1中斷中也會(huì)對(duì)LED進(jìn)行動(dòng)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(shè)計(jì)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(diào)畫(huà)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(diào)試1、軟件調(diào)試本系統(tǒng)的程序較長(zhǎng)，軟件調(diào)試較復(fù)雜。除了語(yǔ)法差錯(cuò)和邏輯差錯(cuò)外，當(dāng)確認(rèn)程序沒(méi)問(wèn)題時(shí)，將程序下載到單片機(jī)，進(jìn)行 在線(xiàn)仿真。具體采取的是自下到上、從小到大的調(diào)試方法，即單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊，然后 再連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。2、軟硬聯(lián)調(diào)我們選用了三組R/C值進(jìn)行波形的輸出檢測(cè)，R/C值如下：參數(shù) 組別RC時(shí)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(cè)試1、測(cè)試儀器二蹤示波器：XJ4318函數(shù)信號(hào)發(fā)生及檢測(cè)器：SG16452、測(cè)試數(shù)據(jù) 方波頻率范圍測(cè)試預(yù)置頻率/Hz轉(zhuǎn)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(cè)試r1. 1412. 920. 330. 7404574. 9預(yù)置頻率/Hz輸出頻率/Hz1152040. 141. 54445三角波頻率測(cè)試預(yù)置頻率/Hz1. 1412. 920. 330. 7404574. 9輸出頻率/Hz1152040. 141. 54445五、結(jié)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(nèi)非常好， 在大于1MHz

16、頻率范圍內(nèi)較大誤差；其原因在于高頻附近，步進(jìn)值較大，自動(dòng)轉(zhuǎn) 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(biāo)準(zhǔn)的波形，其頻率也可通過(guò)鍵盤(pán)進(jìn)行調(diào)節(jié)，由這兩種波形產(chǎn)生的原理知，頻率不能由頻率發(fā)生器進(jìn)行檢測(cè)， 由示 波器進(jìn)行目測(cè)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(shí)，需要不斷調(diào)節(jié)占空比，所以數(shù)碼 管的掃描 顯示干擾了此項(xiàng)要求，導(dǎo)致誤差較大。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)另外加一片 AVR來(lái)解決，考慮到成本問(wèn)題，暫未采用?，F(xiàn)將我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)的指標(biāo)及系統(tǒng)實(shí)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(jìn)”:皿擴(kuò)+1 Qcai霑+斗誤差大，略誤差大,略占空比范圍01/占空比步進(jìn)缺1口.曰* + 1 ocRia宀t占空比步進(jìn)pCRi-A*o己養(yǎng)i/六、問(wèn)題總結(jié)1. 顯示問(wèn)題：在動(dòng)態(tài)顯示中出現(xiàn)重影.原因：由于動(dòng)態(tài)掃描時(shí)相鄰LED亮滅時(shí)間過(guò)短，由于視覺(jué)暫留，會(huì)產(chǎn)生重影. 解決方案:在顯示一位后加一個(gè)滅的延遲2. 同時(shí)利用多個(gè)中斷時(shí)，某個(gè)中斷可用而其他中斷無(wú)效，或只能中斷中斷一次. 原因：某個(gè)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(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換后公式計(jì)算的數(shù)值嚴(yán)重不準(zhǔn).原因：強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換舍掉小數(shù)問(wèn)題若轉(zhuǎn)換后的數(shù)乘一個(gè)比較大的數(shù)就會(huì)產(chǎn)生很 大的誤差時(shí).解決方案：注意小數(shù)點(diǎn)后面的數(shù)字的取舍問(wèn)題.可以在強(qiáng)制類(lèi)型轉(zhuǎn)換后加一個(gè)四 舍五入的功能以減少誤差.4. 全局變量初值未賦開(kāi)機(jī)后讀不到預(yù)期的效果 原因？：初值未賦會(huì)使開(kāi)機(jī)時(shí)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(jìn)制和十進(jìn)制比較大小時(shí)出錯(cuò) .原因? : 不同進(jìn)制的數(shù)除零之外不能比較大小 .解決方案 : 將兩個(gè)數(shù)轉(zhuǎn)換為同一進(jìn)制后在比較大小 .6. 在利用正確的公式進(jìn)行計(jì)算時(shí)達(dá)不到正確的結(jié)果 .原因? : 在計(jì)算過(guò)程中某種類(lèi)型的數(shù)字溢出而使結(jié)果錯(cuò)誤解決方案 ? : 分析公式計(jì)算的過(guò)程找到溢出的數(shù)值選取正確的類(lèi)型防止變量溢出7. 在設(shè)