【正文】 結(jié)束 DAC0=0 否 是 寫控制字中斷入口 FOUPDATE 正跳變 寫控制字 返 回 是 否 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計 32 在信號產(chǎn)生的軟件設(shè)計中， C8051F020根據(jù)用戶輸入的頻率、幅度要求，將計算出的頻率控制字和幅度控制字傳送給 AD9850，由 AD9850產(chǎn)生頻率幅度可控的信號。在本系統(tǒng)中，鍵盤程序包括以下幾個部分 ： Kbscan（） ； Delay（） ； ； I/O口輸入的 子程序 ； ； “。 4. 執(zhí)行完中斷鍵盤掃描處理程序，返回 While（） 循環(huán)，直到又有中斷產(chǎn)生。在按下執(zhí)行鍵后，C8051F020計算出所需信號的數(shù)據(jù)或控制命令，將其傳送到 AD9850，輸出最終信號。 （ 7）鋸齒波發(fā)生程序 。 （ 3） 中斷 鍵盤 程序。 （ 6）注意在程序的有關(guān)位置處寫上功能注釋，提高程序的可讀性。 （ 3）建立正確的數(shù)學(xué)模型。一個優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)的軟件應(yīng)具有下列特點 ??1 ： （ 1）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個相對獨立的部分。它集成了編輯器、編譯器、調(diào)試器，源程序編輯、編譯、下載、調(diào)試全部可以在一個環(huán)境下完成。 25 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟件總體設(shè)計 本章我們將介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計。由于電路板的一個過孔會帶來大約 10pF的電容效應(yīng)，這對于高頻電路，將會引入太多的干擾，所以在布線時，盡可能地減少過孔的數(shù)量，而且過多的過孔也會造成電路板的機械強度降低。數(shù)字集成電路的多余輸入管腳閑置時處于懸空狀態(tài)，從邏輯觀點來看，與“ 1”的輸入狀態(tài)的邏輯關(guān)系一樣，由于開路的輸入端有很高的輸入阻抗，因此容易受到外部的電磁干擾，所以應(yīng)對元器件的空余輸入管腳采用處理措施以防止干擾。對于電路板上上下兩層的空余面積，采取地網(wǎng)鋪銅的形式，第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 24 并在空處打幾個過孔使兩層的地網(wǎng)保持電平一致。盡量采取減小地線的阻抗，縮短走線長度 等方法。 單片機與 AD9850的接口既 可用 并行方式，也可采用串行方式，但為了充分發(fā)揮芯片的高速性能，應(yīng)在單 片機資源允許的情況下盡可能選擇并行方式，本文介紹并行方式的接口，其電路圖為圖 37： 圖 37 單片機和 AD9850的接口電路 23 4 4 鍵盤電路 正弦波1方波2三角波3鋸齒波45 6 7 89刪除0頻率.S hi f t確認P P P P P 圖 38 鍵盤電路原理圖 印制電路板的設(shè)計 整個系統(tǒng)所用的元器件都安排在一塊印刷電路板上，芯片既有直插式 ，也有貼片式，采用手動布局，布線采用最短路徑規(guī)則，自動布線和手動調(diào)整相結(jié)合。 MAX232的其它引腳連接法如下 ： V 引腳 (Pin 6)與 GND引腳(Pin 15)接地， V+引腳 (Pin 2)與 VCC引腳 (Pin 16)接 +5V電源， 其中 VCC， V， V+對地加，提高抗干擾能力 ??1 。串口通訊接口電路連接如圖 36所示。 RS232提供了單片機與單片機、單片機與 PC機之間串行數(shù)據(jù)通信的標準接口，通信距離可達 15m。 本系統(tǒng)中 電路的第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 20 電壓增益放大范圍為 0dB～ 32dB，經(jīng)過計算，設(shè)計的運算放大電路的輸出幅度范圍理論上達到了所要求的 ～ 20V。 MAX437控制的增益倍數(shù)與其外圍電路有關(guān)，通過調(diào)節(jié)電位器可以對信號輸出幅度起到調(diào)節(jié)的作用。首先計算 AD9850輸出信號的幅度。巴特沃什低通濾波器的通 帶和阻帶都是平坦的，但是其過渡帶太過平緩 ； 切比雪夫低通濾波器的通帶是等波紋抖動的，阻帶是平坦的，過渡帶比巴特沃什稍陡 ； 貝賽爾低通濾波器和切比雪夫低通剛好相反，通帶平坦，阻帶是等波紋抖動的 ； 橢圓低通濾波器的通帶和阻帶都是抖動的，但是其過渡帶下降迅速，過渡帶很窄。但由于受到運放帶寬的限制，有源濾波器的濾波頻帶一般不是很高。 其接口電路如圖 33 所示。在本系統(tǒng)中，單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在 C8051F020的 /RST引腳上加一個有效的低電平信號，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。 在三端穩(wěn)壓塊的輸入端接有 1000uF的電容，是為抵消輸入時的電感效應(yīng)，以防止穩(wěn)壓塊產(chǎn)生自激振蕩，保證正常工作。 選擇常用的三端穩(wěn)壓塊，其內(nèi)部電路由基準電路、比較電路、調(diào)整電路、采樣電路、保護電路等組成，外部電路簡單，用于直流穩(wěn)壓。 整流橋的作用是利用單向?qū)щ娦阅艿陌雽?dǎo)體二極管，將正負交替的正弦交流電壓變換成單方向的脈動電壓 ??13 。 15V電源設(shè)計圖 圖 3l(b) +5V電源設(shè)計圖 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16 圖 3l(c) + 本系統(tǒng)中所需電源電壓為直流電壓，最高值為 15V，穩(wěn)壓塊壓降為 2V，所以穩(wěn)壓前直流電壓為 士 17V。 (8)在考慮硬件總體結(jié)構(gòu)的同時要注意通用性的問題。 (5)可靠性及抗干擾性設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件響應(yīng)來的長，而且占用 CPU 時間。 系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè)計應(yīng)遵循下列原則 ??10 ： (1)盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè) 計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。還可以通過 MAX232 和上位機 PC 聯(lián)系，也可以用 LCD 進行顯示。在串行輸入方式， WCLK上升沿把 25引腳的一位數(shù)據(jù)串行移入，當移動40位后，用一個 FQUD脈沖即可更新輸出頻率和相位。 AD9850有 40位控制字， 32位用于頻率控制， 5位用于相位控制。、 45176。輸出的正弦波周期 MNtt c /20 ? ，頻率 NfMf cout ? ， ct 、 cf 分別為外部參考時鐘的周期和頻率。～ 360176?？删幊?DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個加法器和一個 N位相位寄存器組成， N一般為 24～ 32。美國 AD公司推出的高集成度頻率合成器 AD9850便是采用 DDS技術(shù)的典型產(chǎn)品之一 ??9 。 方案二，電路結(jié)構(gòu)簡單，但在頻率分辨率、頻率變換時間、相位 噪聲 等方面都不如方案三。早期的函數(shù)信號發(fā)生器 IC，如 ： L803 BA20 XR2207/2209 等，功能較少，精度不高，頻率上限只有 300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影 ??8 。 信號發(fā)生器的方案選擇 方案一 ： 用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器。 C8051F的 JTAG接口不僅支持 FLASH ROM的讀 /寫操作及非侵入式 在系統(tǒng)調(diào)試，而且它的 JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。他的最大時鐘工作頻率是 25MHz。 ● 速度優(yōu)勢 Cigna公司在提升 8051速度上采取了新的途徑，推出了 CIP51的 CPU模式。 C8051F020的優(yōu)點如下 ??7 ： ● 合適的工作電壓 AD9850正常工作電壓是 ，接受的數(shù)字電平也不能超過其電源電壓。與以前的 51 系列單片機相比， C8051F020 增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高 ??7 。片內(nèi)含 CIP－51 的 CPU 內(nèi)核， 它采用先進的流水線結(jié)構(gòu) RISC 來執(zhí)行指令， 速度飛快。 系統(tǒng)方案設(shè)計 單片機選 擇 方案一：采用傳統(tǒng)的 MCS— 51 系列單片機，比如 AT89S52。 （ 10） 三角波發(fā)生程序。 （ 6） LCD 顯示模塊。 （ 2） 44 的 16 位矩陣鍵盤。第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 6 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)分析 問題定義 基于單片機的信號發(fā)生系統(tǒng)是一個實際應(yīng)用系統(tǒng)，可 為相關(guān)實驗及實際應(yīng)用提供支持。對 DDS的工作原理和優(yōu)缺點做了簡單的介紹和分析。 5 本文研究的內(nèi)容 本論文的任務(wù)是根據(jù)信號發(fā)生器的特點和應(yīng)用情況，結(jié)合新一代高性能 DDS芯片AD9850和新一代高性能片上系統(tǒng)級單片機 C8051F020設(shè)計一種使用簡單、性能優(yōu)良的信號發(fā)生器。 用以上原理設(shè)計的信號發(fā)生器，其輸出波形一般只有兩種，即正弦波和脈沖波，其零點不可調(diào)。 低頻：頻率范圍為幾十赫茲到幾千赫。利用信號發(fā)生器輸出的信號，可以對元器件的性能及參數(shù)進行測量， 還可以對電工和電子產(chǎn)品整進行指數(shù)驗證、參數(shù)調(diào)整及性能鑒定。它是一種為電子測量和計量工作提供符合嚴格技術(shù)要求的電信號設(shè)備。直到 1964年才出現(xiàn)了第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。 信號發(fā)生器的發(fā)展與應(yīng)用 信號發(fā)生器是一種歷史最為悠久的測量儀器 ??4 。 （ 4）控制功能強 ： 為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中具有極豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。 單片機的性能特點 單片機具有以下特點 ??3 ： （ 1）受集成度限制，片內(nèi)存儲容量較小，一般 8 位單片機的 ROM 小 于 4/8K 字節(jié)，RAM 小于 256 字節(jié)，但可在外部擴展，通常 ROM、 RAM 可分別擴展至 64K 字節(jié)。例如 Mostek公司的 MK6800、 Intel公司的 MCS96 等。以 Intel公司的 MCS51， Motorola公司的 6801 和 Zilog公司的 Z8 等為代表。正是針對上述種種要求而設(shè)計的單片機自然成為機電一體化控制器的最佳選擇。 近年來，在國際上出現(xiàn)了 Mechanics和 electronics復(fù)合而成的 Mechtronic這個新詞，我國譯為“機電一體化”。只要寫入程序，就可完成中央控制或數(shù)據(jù)采集、處理及通信傳輸?shù)男畔⑻幚頇C， MCS51 單片機指令系統(tǒng)中為適應(yīng)控制的需 要設(shè)有極強的位處理功能，具有加、減、乘、除指令， 時鐘高達 12MHz，完成單字節(jié)乘法或除法運算 只 需要 4μs， 具有多機通信功能，可作為多機系統(tǒng)中的一個子系統(tǒng)。廠家在一個芯片上制成了 CPU和一定容量的程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器以及一定數(shù)量的輸入 /輸出接口（ Interface）。近幾年來，單片機的發(fā)展更為 迅速，它已滲透到諸多學(xué)科的領(lǐng)域，以及人們生活的各個方面 ??1 。它 首先 通過 鍵盤輸入頻率，然后通過單片機 C8051F020 計算后得出 相應(yīng)頻率的數(shù)據(jù)，再把該數(shù)據(jù)送入 DDS 芯片AD9850 的 緩存區(qū) ，最后由 DDS 輸出相應(yīng)的頻率， 該頻率經(jīng)過濾波和放大后就得到 所需要的頻率， 并 且 把數(shù)據(jù) 送入液晶顯示器進行顯示。該系統(tǒng)采用 44 鍵盤結(jié)構(gòu)，以 LCD 液晶 顯示模塊 Mlz0112864 進行數(shù)據(jù)的顯示， 其 操作簡單 。單片機具有體積小、重量輕、耗能省、價格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定向、汽車火花控制、交通自動管理和微波爐等專用控制上。它不求規(guī)模大，只求小而全。從 CPU、存儲器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。在單片機應(yīng)用中，可以根據(jù)實際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級芯片，保證系統(tǒng)可靠性 。同時追求體積小、價格低，甚 至低功耗等。 第三階段： 1978～ 1983 年，高性能單片機階段。 第四階段： 1983 年至今， 8 位單片機鞏固發(fā)展及 16 位單片機推出階段。 本文采用的是 Cygnal公司 新一代的 C8051F020 這一款單片機。芯片外部有許多供擴展用的三總線及并行、串行輸入 /輸出管腳，很容易構(gòu)成各種規(guī)模的計算機應(yīng)用系統(tǒng)。但近年來也開始出現(xiàn)了在片內(nèi)固化有 BASIC 解釋程序的單片機。由于早期的信號發(fā)生器機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡單 (與數(shù)字儀器、示波器等相比 )，因此，發(fā)展速度較慢。 信號發(fā)生器是一種常用的信號源，被廣泛應(yīng)用于電子電路、自動控制和科學(xué)試驗等各個領(lǐng)域。 第 1 章 引言 4 信號發(fā)生器種類較多，性能也各有差別，但它們都可以產(chǎn)生不同頻率的正 弦波、調(diào)幅 波、調(diào)頻波信號以及各種頻率的方波、三角波、鋸齒波和正負脈沖 波等信號。 高頻：幾 千赫 茲到幾兆赫茲。 高頻、低頻和超低頻信號發(fā)生器： 大多使用文氏橋振蕩電路，即 RC 振蕩電路，通過改變電容和電阻值，改變頻率。 用單片計算機 C8051F020,加上一片 DDS 芯片 AD9850 就 可以做成一個 多功能 的信號發(fā)生器，其頻率受計算機運行的程序的控制 ， 我們可以把產(chǎn)生各種波形的程序，寫在 EPROM 中，裝入本機。 本論文的主要工作如下 ： (1) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 ： 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(shù)為核心研制信號發(fā)生器的方案。 (3) 系統(tǒng)軟件設(shè)計 ： 系統(tǒng)的具 體實現(xiàn)，對系統(tǒng)按功 能模塊進行介紹 ， 并對系統(tǒng)的實時抗干擾作了 介紹 。15V 電壓。 （ 5） 低通濾波電路與功率放大電路。 （ 9）正弦波發(fā)生程序和方波發(fā)生程序。 7 系統(tǒng)的設(shè)計環(huán)境 （ 1）硬件環(huán)境 CPU： Intel pentium 4； 主頻 顯示器： 15 寸， 獨立 顯卡、 64M 顯存 硬盤： 80G （ 2）軟件環(huán)境 本設(shè)計主要用 Protel DXP 電子設(shè)計軟件進行電子線路的設(shè)計， K