【正文】 ┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊裝┊┊┊┊┊訂┊┊┊┊┊線┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊安徽工業(yè)大學 畢業(yè)設計（論文）說明書第一章 緒 論測量儀器從宏觀上可分為兩大類，即激勵和檢測，激勵儀器主要是各類信號發(fā)生器。信號發(fā)生器按工作原理可分為:調諧信號發(fā)生器、鎖相和合成信號發(fā)生器。(1) 調諧信號發(fā)生器是由調諧振蕩器構成。傳統(tǒng)調諧信號發(fā)生器都是由調諧振蕩器和統(tǒng)調的調幅放大器(輸出放大器)加上一些指示電路構成。這種信號發(fā)生器結構復雜、頻率范圍窄，而且可靠性、穩(wěn)定性較差，但其價格低廉。隨著半導體器件的發(fā)展，其性能有所改善。(2) 鎖相信號發(fā)生器是由調諧振蕩器通過鎖相的方法獲得輸出信號頻率的信號發(fā)生器。這種信號發(fā)生器頻率精度和穩(wěn)定度高，但要實現(xiàn)快速、程控比較困難，同時輸出信號的頻率分辨率較差。(3) 合成信號發(fā)生器是采用頻率合成的方法構成的信號發(fā)生器。由于合成信號發(fā)生器具有較高的頻率穩(wěn)定度，很容易實現(xiàn)數(shù)字顯示頻率，因此，頻率分辨率高和頻率的設定重復性好，以及能方便實現(xiàn)頻率的程序控制是合成信號發(fā)生器的重要特點。隨著數(shù)字集成電路和微電子技術的發(fā)展，直接數(shù)字合成技術(Direct Digital Synthesis,簡稱DDS)將先進的數(shù)字處理技術與方法引入信號合成領域，優(yōu)越的性能和突出的特點使其成為現(xiàn)代頻率合成技術中的佼佼者。DDS器件采用了高速數(shù)字電路和高速D/A轉換技術，具備了頻率轉換時間短、相對帶寬寬、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)和相位可快速程控切換等優(yōu)點，可以實現(xiàn)對信號的全數(shù)字式調制。而且，由于DDS是數(shù)字化高密度集成電路產品，芯片體積小、功耗低，因此可以用DDS構成高性能頻率合成信號源來取代傳統(tǒng)頻率信號源產品。DDS電路Tuning word specikes output frequency as a fraction of REF clock frequency△Phase控制字MIn digital domain相位累加器D/A轉換器相幅轉換函數(shù)表時 鐘低通濾波器 DDS技術原理框圖 DDS的工作原理 所示。以合成正弦波為例，首先，把一個周期的弦波按一定的相位間隔分成若干離散點，求出相應點的正弦函數(shù)值，并用二進制數(shù)表示，將這些數(shù)值依次寫入ROM中，構成一個正弦表，頻率合成是在標準時鐘的作用下，相位累加器按一定的間隔輸出相應相位點的正弦函數(shù)值，經D/A 轉換器轉換為階梯狀的正弦波，最后經低通濾波器對階梯正弦波進行平滑濾波，即可輸出較為標準的正弦波在特定的時鐘頻率下，輸出的正弦波頻率取決于相位累加器累加數(shù)值K，即fo=Kfc /2A(式1一1)由11式可知,K值越大,則正弦波的頻率越高，通過改變頻率控制字K可以改變DDS輸出頻率,對輸出信號的相位控制是通過給相位累加器設置不同的初值來實現(xiàn)的。DDS技術具有傳統(tǒng)信合成方法所不具備的許多特點:(1) 頻率分辨率高：由 ,可得分辨率為△f=/2N ，若時鐘頻率不變，DDS的頻率分辨率就由相位累加器的位數(shù)N決定。因為N一般取得很大。(2) 頻率切換快DDS 是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結構使得DDS的頻率轉換時間極短。在DDS的頻率控制字改變之后，需經過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現(xiàn)頻率的轉換。因為頻率轉換的時間等于的傳輸時間，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉換時間越短。再加上低通濾波器為主的器件響應時間很短，使得高速DDS系統(tǒng)的頻率切換時間可達到納秒級。(3) 輸出相對帶寬較寬輸出頻率帶寬為50% (理論值),考慮到低通濾波器的特性和設計難度以及對輸出信號雜散的抑制，DDS實際輸出頻率范圍可達:0^40%。(4) 頻率變化時相位連續(xù)改變DDS輸出頻率，實質就是改變相位增長率。而相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號相位的連續(xù)性。(5) 輸出信號靈活在DDS內部加上相應控制如FM調頻控制、PM調相控制和AM調幅控制，即可方便靈活地實現(xiàn)調頻，調相和調幅功能，產生FSK, PSK, ASK和MSK等信號。改變ROM中存儲的數(shù)據(jù)，可以實現(xiàn)任意波形輸出。(6) 雜散抑制差由于DDS采用全數(shù)字結構，不可避免地引入了雜散。其來源主要有三個:相位累加器相位舍位造成的雜散。幅度量化誤差(由存儲器有限字長引起)造成的雜散，DAC非理想特性造成的雜散。(7) 輸出帶寬較窄由于DDS內部DAC和波形存儲器的工作速度限制，使得DDS輸出的最高頻率有限，不能直接運用于微波頻段。 本文的主要研究內容本論文的任務是根據(jù)信號發(fā)生器的特點和應用情況，結合新一代高性能芯片設計一種使用簡單、性能優(yōu)良的信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器可輸出正弦波、三角波、方波；若再進一步開發(fā)控制算法，可具有AM, FM, PM, FSK, PSK, ASK調制功能以及掃頻等功能。本設計的主要工作如下:(1) 比較多種信號發(fā)生器的工作原理，分析它們的優(yōu)缺點，最后確定了以DDS技術為核心研制信號發(fā)生器的方案。對DDS的工作原理和優(yōu)缺點做了簡單的介紹和分析。比較了不同類型的DDS芯片的特點，并做出選擇(2) 系統(tǒng)總體方案設計。將DDS信號發(fā)生器的系統(tǒng)分為2部分:信號的產生與控制、人機交互以及信號的處理。(3) 系統(tǒng)的硬件設計。完成系統(tǒng)的硬件總體設計，并就實際設計中出現(xiàn)的問題提出了處理的方法。(4) 系統(tǒng)軟件設計部分主要完成：正弦波、三角波、方波的控制輸出。第二章 方案設計與論證：　　本方案直接采用凌陽SPCE061A作為波形發(fā)生器。由鍵盤鍵入信號波形、頻率選擇，經MCU換算，得出的具體控制方法；通過兩路DAC輸出模擬信號。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，外圍電路極其簡單， 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IOA0~IOA3和IOA4~IOA7上，采用外部中斷來中斷所輸出波形，以便進入下一波形的編輯和輸出。第二是顯示電路的設計，這里為了能顯示輸出波形參數(shù)，采用帶數(shù)據(jù)緩存器和驅動的LCD1602顯示屏。這樣只占用11個I/O口即可完成顯示設計要求。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?！　。? 本設計方案采用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SPCE061A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。第一種方案設計外圍電路簡單，能夠滿足本設計的要求，這里考慮到短時間內設計既要成型，采用第一種方案。第二種設計方案的波形調節(jié)范圍較小，可開發(fā)擴展的空間很小。比較適合用到專門的波形產生。所以在本次畢業(yè)設計我選擇第一種方案。第三章 專用器件說明 SPCE061單片機介紹SPCE061A 是繼μ’nSP?系列產品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款16位結構的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調試等功能，SPCE061A里只內嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使μ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。因此，與SPCE500A相比，以μ’nSP?為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識別應用領域產品的一種最經濟的選擇。 : 16位amp。micro。’nSPamp。8482。微處理器；工作電壓(CPU) ~ (I/O) ~CPU時鐘：~ ；內置2K字SRAM；內置32K FLASH；可編程音頻處理；晶體振蕩器。系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電僅為2amp。micro。A@；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；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個中斷源可來自定時器A / B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式()，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；32768Hz實時時鐘；7通道10位電壓模數(shù)轉換器(ADC)和單通道聲音模數(shù)轉換器；聲音模數(shù)轉換器輸入通道內置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能；具備串行設備接口；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ICE（In Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有WatchDog功能。 應用領域 ?? 家用電器控制器：冰箱、空調、洗衣機等白色家電 ?? 儀器儀表：數(shù)字儀表（有語音提示功能） ?? 電表、水表、煤氣表、暖氣表 ?? 工業(yè)控制 ?? 智能家居控制器 ?? 通訊產品：多功能錄音電話、自動總機、語音信箱、數(shù)字錄音系統(tǒng)產品 ?? 醫(yī)療設備、保健器械（電子血壓計、紅外體溫監(jiān)測儀等） ?? 體育健身產品（跑步機等） ?? 電子書籍（兒童電子故事書類）、電教設備等 語音識別類產品（語音識別遙控器、智能語音交互式玩具等） 結構概覽 結構概覽：SPCE061A提供了位控制結構的I/O端口，每一位都可以單獨用于數(shù)據(jù)輸入或輸出。每個獨立的位可通過以下3種控制向量來作設定： 1. 數(shù)據(jù)向量Data 2. 屬性向量Attribution 3. 方向控制向量Direction 每3個對應的控制向量組合在一起，形成一個控制字，用來定義相對應I/O端口位的輸入輸出狀態(tài)和方式。例如，假設需要IOA0是下拉輸入引腳，則相對應的Data、Attribution和Direction的值均被設為“0”。如果需要IOA1是帶喚醒功能的懸浮式輸入引腳，則Data、Attribution和Direction的值被設為“010”。與其它的單片機