【正文】 占空比 頻率 幅度 占空比預置 設置 OCR1B 頻率預置 設置 OCR1A 幅度預置 數模轉換器 鍵掃描結束 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 第 13 頁 共 24 頁 程序仿真 本設計的仿真在 PROTEUS ISIS 開發(fā)平臺上實現， Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的電路分析實物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和 IC，并支持單片機，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機軟件仿真系統(tǒng)。占空比調節(jié)的最大位數為 2 位，范圍為 1%99%。 主程序流程圖 首先開始對 AVR 單片機內部的相關寄存器進行初始化，使其處于初始狀態(tài)， PD4 引腳處于輸出模式，便于波形輸出。通過設定 OC1A 在比較匹配時進行邏輯電平取反 (COM1A1:0 = 1)，可以得到占空比為 50%的周期信號。設置 COM1x1:0 為2 可以產生普通的 PWM 信號；為 3 則可以產生反向 PWM 波形。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 第 11 頁 共 24 頁 1 2 3 45 67 8周 期O C n xO C n xT C N T n（ C O M n x 1 : 0 = 3 ）（ C O M n x 1 : 0 = 2 ）計 數 最 大 值 圖 41 快速 PWM 工作模式圖 計時器數值達到 TOP 時 T/C 溢出標志 TOV1 置位。圖中柱狀的 TCNT1 表示這是單邊斜坡操作。對于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳 OC1x 在 TCNT1 與 OCR1x 匹配時置位，在 TOP 時清零；對于反向比較輸出模式，OCR1x 的動作正好相反。下面主要對主程序設計和鍵掃描設計進行介紹。ImageCraft 的 ICCAVR 是一種使用符合 ANSI 標準的 C 語言來開發(fā)微控制器 MCU 程序的一個工具， 使用方便、技術支持好 ，有以下幾個主要特點： 是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環(huán)境（ IDE）； ，文件的編輯和工程的構筑也在這個環(huán)境中完成 錯誤顯示在狀態(tài)窗口中，并且當你點擊編譯錯誤時，光標自動跳轉到錯誤的那一行； INTEL HEX 格式文件，該格式的文件可被大多數編程器所支持，用于下載到芯片中； 是一個 32 位的程序支持長文件名。 LCD1602 液晶模塊能夠同時顯示 32 個數字或字母。 AD603 是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器，溫度穩(wěn)定性高，最大增益誤差為 ，滿足題目要求的精度，其增益（ dB）與控制電壓（ V）成線性關系，因此可以很方便地使用 D/A 輸出電壓控制放大器的增益。 AVR 單片機最小系統(tǒng)原理圖如圖 32 所示。 ATmega16 成為一個功能強大的單片機，為許多嵌入式控制應用提供了靈活而低成本的解決方案。片內 ISP Flash 允許程序存儲器通過 ISP 串行接口，或者通用編程器進行編程，也可以通過運行于 AVR 內核之中的引導程序進行編程。所有的寄存器都直接與算邏單元 (ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 第 7 頁 共 24 頁 3 硬件電路設計 整個脈沖發(fā)生器分為四個部分，由主脈沖發(fā)生器、頻率和占空比調節(jié)、幅度控制、人機接口部分組成，如圖 31 所示。 綜合考慮，分析兩 種方案的優(yōu)缺點，本次我們選用方案二。 INC1U/D2VH3Vss4Vw5VL6CS7Vcc8U6X9313Vos1IN2+IN3Vss4NC5OUT6Vcc7Vos8U7OP3710KR16+12V12V+5V 圖 28 數字電位器幅度調節(jié) 方案二：采用可編程的放大器 AD603 來實現幅度控制。而且功能較 51 單片機多， AVR 單片機內部有專門產生 PWM 功能，只要對 AVR 內部的寄存器寄存器進行設 置即可，在 AVR 單片機產生頻率和占空比可調的脈沖波后加上幅度控制電路，就能達到本設計的要求。將可編程邏輯器件當做自己的一個外設，通過并 行總線的方式與可編程邏輯器件進行通信，大大節(jié)約了單片機的有限資源，為今后系統(tǒng)擴展提供了硬件支持。 FPGA 是基于一種查表技術， 查找表（ LookUpTable)簡稱為 LUT， LUT 本質上就是一個 RAM。 鎖相環(huán)具有輸出頻率范圍寬，輸出信號穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，但本設計輸入頻率在 1Hz1MHz 之間，就要求分頻系數較大，硬件電路復雜，而且，鎖相環(huán)經過鎖相后的脈沖信號脈寬不變，不能滿足本設計占空比可調的要求。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設計（論文） 第 5 頁 共 24 頁 R?P D L P F V C ON?可 編 程 置 數 圖 27 鎖相環(huán)組成及工作框圖 該環(huán)路輸入端由高穩(wěn)定度和高準確度的晶體振蕩器經參考分頻器分頻后，輸出基準頻率，然后利用鎖相環(huán)路良好的窄帶跟蹤特性，使壓控振蕩器的輸出頻率準確地穩(wěn)定在參考頻率或某次諧波上。 圖 26 AD9851方框圖 但是，專用 DDS 芯片一般只能產生單種波形，控制方式也比較固定，最大的缺點是進行脈寬控制，測量困難，無法進行外同步，在此不能滿足設計要求。 AD9851 采用的最新的高速 DDS 內核可接受 32 位的頻率控制字， 180 MHz 系統(tǒng)時鐘，分辨率為 赫茲。 上 沖下 沖 圖 25 過沖 SH黎濤：基于占空比和頻率可調的脈沖信號發(fā)生器 第 4 頁 共 24 頁 方案設計 主脈沖產生方案 方案一、采用專用的 DDS 集成芯片技術方案。 9 0 %5 0 %1 0 %τdtrt ft 圖 23 實際脈沖波形 3）下降時間 從脈沖振幅的 90%下降到 10%所經歷的時間 ft 。 5） 占空比 占空比指的是高電平占整個脈沖波的百分比，即 D=τ/T。 tτTV p p 圖 22 理想脈沖波形 方波脈沖的各部分名稱定義如下： 1） 振幅 不像正弦波那樣用有效值表示大小，而用最大值（峰峰值），電壓脈沖波單位用伏（ V）。 ( a ) 方 波 （ b ） 階 梯 波 （ c ） 指 數 函 數 波t tt 圖 21 各種脈沖波形 脈沖波的基本概 念 在一定的時間寬度（ τ（ s））內，一定大小的直流電壓在每 1 個周期 T（ s）內重復出現的脈沖波形稱為周期性方波脈沖，或者稱為方波脈沖。 波形失真：前沿 ＜ 12ns 后沿 ＜ 15 ns 過沖 ≤ 5% 黎濤：基于占空比和頻率可調的脈沖信號發(fā)生器 第 2 頁 共 24 頁 指標概念闡述 脈沖指的是僅在短時間內有很大的瞬間值，其余的時間內瞬時值為 0 的所謂沖擊性信號波形。 多個公司已推出系列化 DDS 產品，已經有多種專用 DDS 集成芯片可以直接產生脈沖信號，其DDS 集成電路的工作頻率不斷提高，最高時鐘可達幾 GHz，其采用先進的直接數字頻率合成技術，內含可編程的 DDFS 系統(tǒng)、高速數模轉換器，能實現全數字編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器。 超寬帶（ UWB）脈沖信號的部分帶寬 Bf=2(fHfL)/(fH+fL)大于 20%，其中 fH、 fL 分別為 10dB輻射點所對應的上、下頻率點或者是指其總的頻譜帶寬至少達到 500MHz。 脈沖信號的產生正朝著高頻的納米級方向發(fā)展， 通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級以下的極窄脈沖來傳輸數據，從而具有 GHz 量級的帶 寬。以上設計具有穩(wěn)定度高，可靠性好，硬件電路簡單，用途 廣泛等特點。設計中充分利用了 AVR單片機能夠產生脈寬調制波（ PWM），通過設置單片機內部的寄存器就能夠實現PWM 波的頻率在 1Hz1MHz 和占空比在 1%99%范圍內獨立調節(jié)，再結合外部幅度控制電路，就能實現預定的設計功能。如利用于步進電機的驅動、電力技術、儀器儀表等等。該技術尤其適用于室內等密集多徑場所的高速無線接入和軍事通信應用中。該電路使用靈活、方便，因而在波形的產生與變換、測量與控制、家用電器和電子玩具等許多領域中都得到了廣泛的應用。頻率、幅度和占空比能在其范圍內步進調節(jié)，并顯示出來。但若從上述的定義來講，不僅是方波，還有階梯波、指數函數波及鋸齒波等，脈沖電路中經常使用這些波形，如圖圖 21 所示。然而，由于這樣的波形在脈沖電路中容易處理，通常用做理想波形。 4） 脈沖寬度 脈沖波持續(xù)的時間 τ。 2）上升時間 從脈沖振幅的 10%上升到 90%所經歷的時間 rt 。 6) 上沖 和下沖 超過前沿的 100%的部分稱作上沖， 脈沖后沿沖出低電平的部分稱作下 圖 24 跌落和反跳波形 沖，如圖 25 所示。此正弦波可直接用作時鐘源，在其內部轉化為方波成為靈活的時鐘發(fā)生器。 AD9851 提供了 5 位 可編程相位調制，使移相輸出的增量為 176。它不但要求輸出頻率的精確度和穩(wěn)定度高，而且要求頻帶盡可能寬，頻率合成器中，標準信號是晶體振蕩器產生的．各種頻率信號是由數字式高頻鎖相環(huán)輸出的，寬頻帶是用下變頻的方法獲得的，而輸出頻率 的改變是利用單片機控制鎖相環(huán)的分頻比實現的，如圖 27 所示。當環(huán)路鎖定時，輸出頻率可由式 計算出： 式中： N 為程序分頻比 ,R 為參考分頻比， rf 為晶體振蕩器固定頻率 。它是作為專用集成電路領域中的一種半定制電路而出現的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數有限的缺點 。 此方案是利用了可編程邏輯器件的設計靈活，且資源豐富的特點，將控制 DDS 信號的接口電路由可編程邏輯器件實現，如此，單片機只需控制可編程邏輯器件，就間接實現了 DDS 信號的控制。 AVR 單片機是 8 位的精簡指令集單片機，它采用與 51 系列單片機不一樣的內部結構， 51 單片機的工作頻率要晶振 12 分頻后得到，而 AVR 單片機工作頻率不需要晶振分頻，這使 AVR 單片機較 51 單片機工作頻率更高。這種方案硬件電路簡單，容 易實現，但由于數字電位器的調節(jié)