【正文】 結(jié)束 DAC0=0 否 是 寫(xiě)控制字中斷入口 FOUPDATE 正跳變 寫(xiě)控制字 返 回 是 否 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 32 在信號(hào)產(chǎn)生的軟件設(shè)計(jì)中， C8051F020根據(jù)用戶(hù)輸入的頻率、幅度要求，將計(jì)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(hào)。在本系統(tǒng)中，鍵盤(pán)程序包括以下幾個(gè)部分 ： Kbscan（） ； Delay（） ； ； I/O口輸入的 子程序 ； ； “。 4. 執(zhí)行完中斷鍵盤(pán)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(jì)算出所需信號(hào)的數(shù)據(jù)或控制命令，將其傳送到 AD9850，輸出最終信號(hào)。 （ 7）鋸齒波發(fā)生程序 。 （ 3） 中斷 鍵盤(pán) 程序。 （ 6）注意在程序的有關(guān)位置處寫(xiě)上功能注釋?zhuān)岣叱绦虻目勺x性。 （ 3）建立正確的數(shù)學(xué)模型。一個(gè)優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)的軟件應(yīng)具有下列特點(diǎn) ??1 ： （ 1）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)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(gè)環(huán)境下完成。 25 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì) 本章我們將介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。由于電路板的一個(gè)過(guò)孔會(huì)帶來(lái)大約 10pF的電容效應(yīng)，這對(duì)于高頻電路，將會(huì)引入太多的干擾，所以在布線時(shí)，盡可能地減少過(guò)孔的數(shù)量，而且過(guò)多的過(guò)孔也會(huì)造成電路板的機(jī)械強(qiáng)度降低。數(shù)字集成電路的多余輸入管腳閑置時(shí)處于懸空狀態(tài)，從邏輯觀點(diǎn)來(lái)看，與“ 1”的輸入狀態(tài)的邏輯關(guān)系一樣，由于開(kāi)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(duì)元器件的空余輸入管腳采用處理措施以防止干擾。對(duì)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(jì) 24 并在空處打幾個(gè)過(guò)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(zhǎng)度 等方法。 單片機(jī)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(jī)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(jī)和 AD9850的接口電路 23 4 4 鍵盤(pán)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(rèn)P P P P P 圖 38 鍵盤(pán)電路原理圖 印制電路板的設(shè)計(jì) 整個(gè)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(dòng)布局，布線采用最短路徑規(guī)則，自動(dòng)布線和手動(dòng)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(duì)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(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與 PC機(jī)之間串行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口，通信距離可達(dá) 15m。 本系統(tǒng)中 電路的第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 20 電壓增益放大范圍為 0dB～ 32dB，經(jīng)過(guò)計(jì)算，設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大電路的輸出幅度范圍理論上達(dá)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(guò)調(diào)節(jié)電位器可以對(duì)信號(hào)輸出幅度起到調(diào)節(jié)的作用。首先計(jì)算 AD9850輸出信號(hào)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(guò)渡帶太過(guò)平緩 ； 切比雪夫低通濾波器的通帶是等波紋抖動(dòng)的，阻帶是平坦的，過(guò)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(dòng)的 ； 橢圓低通濾波器的通帶和阻帶都是抖動(dòng)的，但是其過(guò)渡帶下降迅速，過(guò)渡帶很窄。但由于受到運(yùn)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(jī)的復(fù)位是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，在時(shí)鐘電路工作后，只要在 C8051F020的 /RST引腳上加一個(gè)有效的低電平信號(hào)，單片機(jī)便實(shí)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(shí)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(zhǔn)電路、比較電路、調(diào)整電路、采樣電路、保護(hù)電路等組成，外部電路簡(jiǎn)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(fù)交替的正弦交流電壓變換成單方向的脈動(dòng)電壓 ??13 。 15V電源設(shè)計(jì)圖 圖 3l(b) +5V電源設(shè)計(jì)圖 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 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(shí)要注意通用性的問(wèn)題。 (5)可靠性及抗干擾性設(shè)計(jì)是硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時(shí)間要比直接用硬件響應(yīng)來(lái)的長(zhǎng)，而且占用 CPU 時(shí)間。 系統(tǒng)的擴(kuò)展和模塊設(shè)計(jì)應(yīng)遵循下列原則 ??10 ： (1)盡可能選擇標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的典型電路，提高設(shè) 計(jì)的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。還可以通過(guò) MAX232 和上位機(jī) PC 聯(lián)系，也可以用 LCD 進(jìn)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(dāng)移動(dòng)40位后，用一個(gè) 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(shí)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(gè)加法器和一個(gè) N位相位寄存器組成， N一般為 24～ 32。美國(guó) 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(jiǎn)單，但在頻率分辨率、頻率變換時(shí)間、相位 噪聲 等方面都不如方案三。早期的函數(shù)信號(hào)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(wú)法產(chǎn)生更高頻率的信號(hào)，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨(dú)立調(diào)節(jié)，二者互相影 ??8 。 信號(hào)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(xiě)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(cè)試提供邊界掃描功能。他的最大時(shí)鐘工作頻率是 25MHz。 ● 速度優(yōu)勢(shì) 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(diǎn)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(guò)其電源電壓。與以前的 51 系列單片機(jī)相比， C8051F020 增添了許多功能，同時(shí)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(jìn)的流水線結(jié)構(gòu) RISC 來(lái)執(zhí)行指令， 速度飛快。 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 單片機(jī)選 擇 方案一：采用傳統(tǒng)的 MCS— 51 系列單片機(jī)，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(pán)。第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 6 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)分析 問(wèn)題定義 基于單片機(jī)的信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)是一個(gè)實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)，可 為相關(guān)實(shí)驗(yàn)及實(shí)際應(yīng)用提供支持。對(duì) DDS的工作原理和優(yōu)缺點(diǎn)做了簡(jiǎn)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(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)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(jí)單片機(jī) C8051F020設(shè)計(jì)一種使用簡(jiǎn)單、性能優(yōu)良的信號(hào)發(fā)生器。 用以上原理設(shè)計(jì)的信號(hào)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(diǎn)不可調(diào)。 低頻：頻率范圍為幾十赫茲到幾千赫。利用信號(hào)發(fā)生器輸出的信號(hào)，可以對(duì)元器件的性能及參數(shù)進(jìn)行測(cè)量， 還可以對(duì)電工和電子產(chǎn)品整進(jìn)行指數(shù)驗(yàn)證、參數(shù)調(diào)整及性能鑒定。它是一種為電子測(cè)量和計(jì)量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號(hào)設(shè)備。直到 1964年才出現(xiàn)了第一臺(tái)全晶體管的信號(hào)發(fā)生器。 信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展與應(yīng)用 信號(hào)發(fā)生器是一種歷史最為悠久的測(cè)量?jī)x器 ??4 。 （ 4）控制功能強(qiáng) ： 為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機(jī)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(jī)的性能特點(diǎn) 單片機(jī)具有以下特點(diǎn) ??3 ： （ 1）受集成度限制，片內(nèi)存儲(chǔ)容量較小，一般 8 位單片機(jī)的 ROM 小 于 4/8K 字節(jié)，RAM 小于 256 字節(jié)，但可在外部擴(kuò)展，通常 ROM、 RAM 可分別擴(kuò)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(duì)上述種種要求而設(shè)計(jì)的單片機(jī)自然成為機(jī)電一體化控制器的最佳選擇。 近年來(lái)，在國(guó)際上出現(xiàn)了 Mechanics和 electronics復(fù)合而成的 Mechtronic這個(gè)新詞，我國(guó)譯為“機(jī)電一體化”。只要寫(xiě)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(jī)， MCS51 單片機(jī)指令系統(tǒng)中為適應(yīng)控制的需 要設(shè)有極強(qiáng)的位處理功能，具有加、減、乘、除指令， 時(shí)鐘高達(dá) 12MHz，完成單字節(jié)乘法或除法運(yùn)算 只 需要 4μs， 具有多機(jī)通信功能，可作為多機(jī)系統(tǒng)中的一個(gè)子系統(tǒng)。廠家在一個(gè)芯片上制成了 CPU和一定容量的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器以及一定數(shù)量的輸入 /輸出接口（ Interface）。近幾年來(lái)，單片機(jī)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(gè)方面 ??1 。它 首先 通過(guò) 鍵盤(pán)輸入頻率，然后通過(guò)單片機(jī) C8051F020 計(jì)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(guò)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(jìn)行顯示。該系統(tǒng)采用 44 鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)，以 LCD 液晶 顯示模塊 Mlz0112864 進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯示， 其 操作簡(jiǎn)單 。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗能省、價(jià)格低、可靠性高和通用靈活等優(yōu)點(diǎn)，因此也廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星定向、汽車(chē)火花控制、交通自動(dòng)管理和微波爐等專(zhuān)用控制上。它不求規(guī)模大，只求小而全。從 CPU、存儲(chǔ)器到輸入輸出端口，一應(yīng)俱全。在單片機(jī)應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際工作環(huán)境，選擇工業(yè)級(jí)芯片，保證系統(tǒng)可靠性 。同時(shí)追求體積小、價(jià)格低，甚 至低功耗等。 第三階段： 1978～ 1983 年，高性能單片機(jī)階段。 第四階段： 1983 年至今， 8 位單片機(jī)鞏固發(fā)展及 16 位單片機(jī)推出階段。 本文采用的是 Cygnal公司 新一代的 C8051F020 這一款單片機(jī)。芯片外部有許多供擴(kuò)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(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)。但近年來(lái)也開(kāi)始出現(xiàn)了在片內(nèi)固化有 BASIC 解釋程序的單片機(jī)。由于早期的信號(hào)發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡(jiǎn)單 (與數(shù)字儀器、示波器等相比 )，因此，發(fā)展速度較慢。 信號(hào)發(fā)生器是一種常用的信號(hào)源，被廣泛應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)試驗(yàn)等各個(gè)領(lǐng)域。 第 1 章 引言 4 信號(hào)發(fā)生器種類(lèi)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(hào)以及各種頻率的方波、三角波、鋸齒波和正負(fù)脈沖 波等信號(hào)。 高頻：幾 千赫 茲到幾兆赫茲。 高頻、低頻和超低頻信號(hào)發(fā)生器： 大多使用文氏橋振蕩電路，即 RC 振蕩電路，通過(guò)改變電容和電阻值，改變頻率。 用單片計(jì)算機(jī) C8051F020,加上一片 DDS 芯片 AD9850 就 可以做成一個(gè) 多功能 的信號(hào)發(fā)生器，其頻率受計(jì)算機(jī)運(yùn)行的程序的控制 ， 我們可以把產(chǎn)生各種波形的程序，寫(xiě)在 EPROM 中，裝入本機(jī)。 本論文的主要工作如下 ： (1) 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) ： 比較多種信號(hào)發(fā)生器的工作原理，分析它們的優(yōu)缺點(diǎn)，最后確定了以 DDS技術(shù)為核心研制信號(hào)發(fā)生器的方案。 (3) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ： 系統(tǒng)的具 體實(shí)現(xiàn)，對(duì)系統(tǒng)按功 能模塊進(jìn)行介紹 ， 并對(duì)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)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(jì)環(huán)境 （ 1）硬件環(huán)境 CPU： Intel pentium 4； 主頻 顯示器： 15 寸， 獨(dú)立 顯卡、 64M 顯存 硬盤(pán)： 80G （ 2）軟件環(huán)境 本設(shè)計(jì)主要用 Protel DXP 電子設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行電子線路的設(shè)計(jì)， K