【正文】 分模塊將這個(gè)三角波信號(hào)輸入到波形選擇模塊。 波形選擇模塊在 Atmega128 控制器的控制下，選擇輸出這三個(gè)波形的其中之一。波形選擇模塊將被選波形信號(hào)輸入到放大器模塊。 放大器模塊在 Atmega128 控制器的控制下進(jìn)行對(duì)信號(hào)放大參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。 人工界面模塊包括 LED 數(shù)碼管顯示，按鍵和 LED 狀態(tài)指示燈。人工界面模塊是人與機(jī)器進(jìn)行交流的一個(gè)通道，指令可以通過(guò)這個(gè)模塊輸入到整個(gè)系統(tǒng)，例如：波形頻率的改變，波形幅度的改變，波形的轉(zhuǎn)換等等。 系統(tǒng)子模塊電路設(shè)計(jì) 主控系統(tǒng) 主控系統(tǒng)的主要作用： （ 1）感受人工界面系統(tǒng)的輸入信息 指令通過(guò)人工界面系統(tǒng)模塊輸入后，主控系統(tǒng)接到這一信息，通過(guò)分析運(yùn)算，進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。按照事先設(shè)計(jì)好的程序，控制其它系統(tǒng)共同完成這一指令。例如：信號(hào)頻率的更改、信號(hào)波形的轉(zhuǎn)變、信號(hào)幅度的變化等等。只有系統(tǒng)能夠感受到人工系統(tǒng)模塊的輸入信息，才能保證整個(gè)系統(tǒng)能夠按照設(shè)計(jì)運(yùn)行。 （ 2）信息處理中樞 當(dāng)主控系統(tǒng)接收到外部指令時(shí)，需要將這一指令進(jìn)行處理和分析。明確這一信號(hào)的意義所在。這一指令可能是改變信號(hào)頻率，可能是改變信號(hào)幅度， 也可能是改變信號(hào)波形。主控系統(tǒng)需要將這一指令分析清楚，然后將這一指令變換成其它系統(tǒng)需要的指令。如果這一指令是改變信號(hào)頻率，那么主控系統(tǒng)要將這一指令轉(zhuǎn)換成 DDS系統(tǒng)模塊能夠識(shí)別的改變信號(hào)頻率的指令，然后傳送給 DDS系統(tǒng)模塊。 （ 3）控制中心 作為系統(tǒng)的核心子系統(tǒng)，主控系統(tǒng)需要完全掌控其它子系統(tǒng)。能夠給其它各子系統(tǒng)發(fā)送命令，控制它們能夠按照設(shè)計(jì)的程序有條不紊的運(yùn)行。例如：控制 DDS 系統(tǒng)模塊改變頻率、控制積分模塊改變積分參數(shù)、控制放大系統(tǒng)模塊改變放大參數(shù)、控制波形選擇系統(tǒng)模塊改變輸出的波形等等。有著這些控制能力，使它成為了整個(gè)系統(tǒng)的控制中心。 主控系統(tǒng)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，它的能力決定著整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，看似簡(jiǎn)單的一條指令，都體現(xiàn)著它的信息感受能力、信息處理能力和控制能力。例如：輸入的指令為信號(hào)頻率增加 100Hz。主控系統(tǒng)接收到這一指令后，將這一指令轉(zhuǎn)換為 DDS 系統(tǒng)模塊能夠識(shí)別的指令控制其將信號(hào)頻率增加 100Hz，同時(shí)判斷是否要改變積分系統(tǒng)模塊的積分參數(shù)，如果需要改變，那么會(huì)控制積分系統(tǒng)模塊進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。同樣，也會(huì)判斷是否要改變放大系統(tǒng)模塊的放大參數(shù)是否需要改變。當(dāng)這一系列的調(diào)整和控制都完成后，還需要將這一變化通過(guò) 人工界面系統(tǒng)模塊顯示出來(lái)。主控系統(tǒng) 采用。來(lái)實(shí)現(xiàn) ，由于。優(yōu)點(diǎn)。 如圖32 所示。 圖 32 主控系統(tǒng) （不要了） DDS 模塊 AD9832 是一款 DDS 芯片，它的最高時(shí)鐘頻率可達(dá)到 25MHz。 本次研究 使用了 8MHz 時(shí)鐘頻率，最高輸出頻率 2/clkout ff ? 。如果產(chǎn)生 1KHz 的正弦波，clkf =8MHz， outf =1KHz，相位累加器寬度 N=32，則頻率控制字為： 5 3 6 8 7 18 0 0 0/12/2 3232 ????? c lko u t ffK 頻率分辨率為： 0 0 1 8 6 2 0 0 0 0 0 0*2/1*2/1 3232 ???? c l kff Hz 圖 34 AD9832時(shí)序圖 圖 34為 AD9832 的操作時(shí)序圖。 FSYNC變?yōu)榈碗娖降臅r(shí)候，在 SCLK的下降沿的時(shí)候 SDATA的數(shù)據(jù)是有效的。就是說(shuō) AD9832 在 SCLK 的下降沿的時(shí)侯將會(huì)讀取 SDATA 的電平狀態(tài)。 控制器可以先將 SDATA 置為所需的電平狀態(tài)，然后再將 SCLK 拉到低電平，這樣就完成了一位數(shù)據(jù)的發(fā)送。 AD9832 在串行通信時(shí)，首先移入的是高位數(shù)據(jù)，然后移入的是低位數(shù)據(jù) [11]。 NC1GND2OUT3VDD4U4有源晶振SCLK7SDATA8FSYNC9PSEL111PSEL012FSELECT10MCLK6DGND5AGND13IOUT14FSADJUST1REFOUT3REFIN2CMP16DVDD4AVDD15U2AD9832PE0VCC510R2103C14VCCVCCPE1PE2SINE2 圖 35 DDS模塊電路 圖 35 為 DDS 模塊電路圖。主控制器通過(guò)控制 AD9832 的頻率控制字和相位控制字來(lái)改變 DDS 模塊輸出的正弦波的頻率和相位。 AD9832 的 IOUT端通過(guò)一個(gè)電阻 R2 接地， setref RVI / ax ?? ， setR 就是 FSADJUST 與地端接的電阻，取 ， Imax=， Vpp=Imax*R2， Vpp=[11]。 比較器模塊 比較器模塊電路圖如圖 36所示。 1KR15Res123418U8ALM393ANVCCSQUERSINEVCC5VCC83267451U7X9C103VCCPG3PA4PA5 圖 36 比較器模塊電路 X9C103 是 100 階數(shù)字電位器，它的電阻范圍為 40Ω到 10KΩ。內(nèi)部有 99個(gè)電阻陣列，每個(gè)電阻陣列都有抽頭點(diǎn)用以被滑動(dòng)單元訪問(wèn)。 CS、 UD、 INC 三個(gè)輸入端控制滑動(dòng)單元的位置 [12]。 X9C103 操作時(shí)序圖如圖 37： 圖 37 X9C103時(shí)序圖 數(shù)字電位器 X9C103 與一個(gè) 10K 電阻串聯(lián)后，電阻的另一端端接正 5 伏，電位器的另一端接到地。組成一個(gè)分壓器。通過(guò)調(diào)整電位器的阻值，可以得到不同的電壓值。將這一個(gè)電壓值輸入到比較器的反向輸入端，將正弦波輸入到同向輸入端。正弦波與反向輸入端的這一電壓進(jìn)行比較，如果大于這一電壓，則比較器輸出高電平（ +5V），如果小于這一電壓，則比較器輸出低電平 (5V)。當(dāng)高電平與低電平的時(shí)間比為 1： 1時(shí)，比較器就輸出一個(gè)與正弦波同頻率的方波。通過(guò)調(diào)整電位器的阻值，可以調(diào)整分壓的大小，這一電壓的改變，可以改 變高電平和低電平的時(shí)間，從而改變方波的占空比。 電壓跟隨器模塊 電壓跟隨器模塊電路如圖 38 所示。 83267451U12ADOP07AQSQUERVCC12VCC12 圖 38 電壓跟隨器 電壓跟隨器采用了運(yùn)放 OP07，將運(yùn)放的反向輸入端與輸出端連接到一起，信號(hào)從同向輸入端輸入 ,這樣就形成了同向電壓跟隨器。加入電壓跟隨器后，使得前后級(jí)的阻抗得到較好的匹配。將前后兩級(jí)隔離開，減少了干擾。 積分參數(shù)選擇與積分模塊 積分參數(shù)選擇模塊如圖 39所示。 圖 39 積分參數(shù)選擇模塊 74VHC4051 是一個(gè)單 8通道數(shù)控模擬電子開關(guān)，內(nèi)部含有有三個(gè)控制端 A、B、 C 和一個(gè) EN 輸入，當(dāng) EN 輸入端為“ 0”時(shí)，三位二進(jìn)制信號(hào)將選通 8 個(gè)通道中的一個(gè)通道 [13]。 對(duì)于頻率不同的方波，對(duì)同一積分電路來(lái)說(shuō)，積分出結(jié)果是不同的。對(duì)于頻率正合適的方波，積分出的波形可以是很完美的三角波。而對(duì)于頻率低的方波，積分出的效果是切頂、切底的三角波。對(duì)于頻率高的方波，積分出的三角波的幅度會(huì)很小。這樣就會(huì)得到不同頻率的三角波信號(hào)參差不齊。 為了避免出現(xiàn)這種情況，那么就需要對(duì)積分電路的積分參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。根據(jù)公式 Vout=1／ CR∫Vin dt， 可知調(diào)整電容或者電阻的值就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)積分電路得調(diào)整 ,根據(jù)實(shí)際情況，本課題采用改變電阻阻值的方法。 積分電路模塊的電路圖如圖 310 所示。 83267451U15ADOP07AQ10KR49Res1332C44SQUERFVCC12VCC12 圖 310 積分電路 積分電路采用了運(yùn)放 OP07，積分電容選擇了 332。積分電容將反向輸入端與輸出端連接到一起。同向輸入端經(jīng)過(guò)一個(gè) 10K 電阻接地。 通過(guò)對(duì)信號(hào)頻率得分析，以及用積分電路實(shí)驗(yàn)得到驗(yàn)證，將 500Hz~3000Hz的信號(hào)分成了 5 個(gè)頻段，每一個(gè)頻段對(duì)應(yīng)一個(gè)電阻的阻值。對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 31所示。 表 31 積分電路頻率參數(shù)與匹配電阻對(duì)應(yīng)表（重畫） 經(jīng)過(guò)這樣對(duì)應(yīng)之后，可以大大消弱三角波參差不齊的情況。由500Hz~3000Hz 的方波信號(hào)積分得到的三角波的波形不會(huì)出現(xiàn)切頂或切底的情況，三角波信號(hào)的幅值也基本維持在了一個(gè)比較統(tǒng)一的電壓段。這樣后續(xù)電路對(duì)三角波信號(hào)的處理就明顯簡(jiǎn)易了。 波形選擇模塊 波形選擇模塊電路圖如圖 311所示。 TRIGY22Y01Y3Y34VCC16Y15EN6X13VEE7GND8X012B9A10X311X215X114U1774VHC4052NVCCVCC5SINE500R53330R57330R591KR51Res1OUT1PC6PC7SQUER 圖 311 波形選擇模塊 波形選擇模塊用了 74VHC4052 數(shù)控模擬開關(guān)。通過(guò)控制 A,B 兩個(gè)端口，選擇三個(gè)波形中的一個(gè)輸出，這一輸出通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)二次分壓，最后輸出到下一級(jí)電路。進(jìn)行二次分壓是因?yàn)槿齻€(gè)波形的幅值大小不同一，經(jīng)過(guò)二次分壓后，三個(gè)波形的幅值基本保持了一致。 這樣，不管選擇哪一種波形作為輸出，后續(xù)電路都可以得到幅度一致的波形。 放大器模塊 83267451U22X9C10483267451U23ADOP07AQ10KR68Res110KR70Res1OUT2VCC12VCC12VCCPG0PG1PG2P4BNC105C63105C62 圖 312 放大器 模塊電路 如圖 312 為放大器模塊電路。放大器模塊用了運(yùn)放 OP07，信號(hào)首先經(jīng)過(guò)一個(gè)電容器隔直后，經(jīng)過(guò)一個(gè)電阻輸入到反向輸入端。同向輸入端通過(guò)一個(gè) 10K電阻接地。反向輸入端與輸出端之間接入了數(shù)字電位器。通過(guò)調(diào)整數(shù)字電位器的電阻阻值，就可以調(diào)整整個(gè)放大器的放大倍數(shù)。數(shù)字電位器用了 X9C104，最大阻值為 100K 歐姆。這樣，這個(gè)簡(jiǎn)易的程控放大器的最大放大倍數(shù)為 10 倍，最小放大倍數(shù)為 倍 [14]。 本章小結(jié) 本章主要介紹了整個(gè)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)。包括主控系統(tǒng)、 DDS 模塊、積分器、放大器、選擇器等部分。詳細(xì)的講述了各模塊的工作原理、實(shí)現(xiàn)功能、以及模塊之間的聯(lián)系通信，使讀者對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有一個(gè)清晰的輪廓。 4 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 軟件系統(tǒng)總體流程 設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)流程如圖 41所示。 進(jìn)入主程序后，首先系統(tǒng)進(jìn)行初始化。初始化包括系統(tǒng)各個(gè)參數(shù)的初始化，各個(gè)模塊的初始化。初始化完畢后，信號(hào)發(fā)生器的兩個(gè)通道將會(huì)輸出頻率為 1KHz，振幅為 1V 的正弦波。這時(shí)，系統(tǒng)處于 等待狀態(tài)。 開 始初 始 化程 序 參 數(shù) 是 否有 變 動(dòng)相 應(yīng) 模 塊 做 出相 應(yīng) 調(diào) 整人 工 界 面 顯 示當(dāng) 前 狀 態(tài)是否結(jié) 束 圖 41 軟件系統(tǒng)總體流程 當(dāng)有改變程序參數(shù)的指令輸入時(shí)，系統(tǒng)將對(duì)信號(hào)輸出做出調(diào)整。例如：改變通道 1 的頻率為 1100Hz。這時(shí)，系統(tǒng)的程序參數(shù)通道 1的頻率改變了，主控系統(tǒng)會(huì)按照程序控制通道 1的 DDS 模塊輸出頻率為 1100Hz 的信號(hào)。接著數(shù)碼管會(huì)顯示此時(shí)通道 1 的頻率已經(jīng)變?yōu)?1100。 軟件系統(tǒng)子模塊流程 設(shè)計(jì) DDS 模塊控制程序流程 開 始初 始 化頻 率 是 否需 要 改 變改 變 頻 率 控 制 字相 位 是 否需 要 改 變改 變 相 位 控 制 字結(jié) 束是否是否 圖 42 DDS模塊控制 程序流程圖 如圖 42，進(jìn)入 DDS 控制模塊后，首先會(huì)判斷頻率的參數(shù)值是否已經(jīng)發(fā)生了變化，如果發(fā)生了變化，程序立刻會(huì)將此時(shí)頻率的參數(shù)值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的頻率控制字傳送給 DDS 模塊。如果沒(méi)有改變，則維持原來(lái)狀態(tài)。然后查看相位的參數(shù)值是否發(fā)生了變化。如果相位的參數(shù)值發(fā)生了變化，程序也立刻會(huì)將此時(shí)相位的參數(shù)值轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)的相位的控制字傳送給 DDS 模塊。然后返回主程序。如果沒(méi)有發(fā)生變化，則維持原來(lái)狀態(tài)返回主程序。 積分參數(shù)選擇模塊控制程序流程 監(jiān) 測(cè) 當(dāng) 前 信 號(hào) 頻 率頻 率 是 否大 于 7 0 0 H z頻 率 是 否大 于 1 0 0 0 H z頻 率 是 否大 于 1 5 0 0 H z頻 率 是 否大 于 2 1 0 0 H z選 擇 通 道 1選 擇 通 道 3選 擇 通 道 2選 擇 通 道 4否否否是否是是是選 擇 通 道 5開 始返 回 圖 43 積分參數(shù)選擇模塊程序控制流程圖 如圖 43，積分電路的作用是將方波信號(hào)積分成三角波。對(duì)于不同頻率的方波信號(hào)，選擇不同阻值的電阻與之對(duì)應(yīng)，這樣得到的三角波信號(hào)會(huì)比較統(tǒng)一。進(jìn)入積分參數(shù)選擇控制模塊后，首先會(huì)查看頻率的大小，當(dāng)頻率小于 800Hz 時(shí)，通道 1的電阻會(huì)被接入電路中。當(dāng)頻率在 800Hz~1000Hz 之間時(shí)，通道 2的電阻會(huì)被接入