【正文】 占空比 頻率 幅度 占空比預(yù)置 設(shè)置 OCR1B 頻率預(yù)置 設(shè)置 OCR1A 幅度預(yù)置 數(shù)模轉(zhuǎn)換器 鍵掃描結(jié)束 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁 共 24 頁 程序仿真 本設(shè)計(jì)的仿真在 PROTEUS ISIS 開發(fā)平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)， Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的電路分析實(shí)物仿真系統(tǒng)，可仿真各種電路和 IC，并支持單片機(jī)，元件庫齊全，使用方便，是不可多得的專業(yè)的單片機(jī)軟件仿真系統(tǒng)。占空比調(diào)節(jié)的最大位數(shù)為 2 位，范圍為 1%99%。 主程序流程圖 首先開始對(duì) AVR 單片機(jī)內(nèi)部的相關(guān)寄存器進(jìn)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(shè)定 OC1A 在比較匹配時(shí)進(jìn)行邏輯電平取反 (COM1A1:0 = 1)，可以得到占空比為 50%的周期信號(hào)。設(shè)置 COM1x1:0 為2 可以產(chǎn)生普通的 PWM 信號(hào)；為 3 則可以產(chǎn)生反向 PWM 波形。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jì) 數(shù) 最 大 值 圖 41 快速 PWM 工作模式圖 計(jì)時(shí)器數(shù)值達(dá)到 TOP 時(shí) T/C 溢出標(biāo)志 TOV1 置位。圖中柱狀的 TCNT1 表示這是單邊斜坡操作。對(duì)于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳 OC1x 在 TCNT1 與 OCR1x 匹配時(shí)置位，在 TOP 時(shí)清零；對(duì)于反向比較輸出模式，OCR1x 的動(dòng)作正好相反。下面主要對(duì)主程序設(shè)計(jì)和鍵掃描設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。ImageCraft 的 ICCAVR 是一種使用符合 ANSI 標(biāo)準(zhǔn)的 C 語言來開發(fā)微控制器 MCU 程序的一個(gè)工具， 使用方便、技術(shù)支持好 ，有以下幾個(gè)主要特點(diǎn)： 是一個(gè)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(gòu)筑也在這個(gè)環(huán)境中完成 錯(cuò)誤顯示在狀態(tài)窗口中，并且當(dāng)你點(diǎn)擊編譯錯(cuò)誤時(shí)，光標(biāo)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到錯(cuò)誤的那一行； INTEL HEX 格式文件，該格式的文件可被大多數(shù)編程器所支持，用于下載到芯片中； 是一個(gè) 32 位的程序支持長文件名。 LCD1602 液晶模塊能夠同時(shí)顯示 32 個(gè)數(shù)字或字母。 AD603 是一款低噪聲、精密控制的可變?cè)鲆娣糯笃?，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(guān)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(jī)最小系統(tǒng)原理圖如圖 32 所示。 ATmega16 成為一個(gè)功能強(qiáng)大的單片機(jī)，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。片內(nèi) ISP Flash 允許程序存儲(chǔ)器通過 ISP 串行接口，或者通用編程器進(jìn)行編程，也可以通過運(yùn)行于 AVR 內(nèi)核之中的引導(dǎo)程序進(jìn)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(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 7 頁 共 24 頁 3 硬件電路設(shè)計(jì) 整個(gè)脈沖發(fā)生器分為四個(gè)部分，由主脈沖發(fā)生器、頻率和占空比調(diào)節(jié)、幅度控制、人機(jī)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(diǎn)，本次我們選用方案二。 INC1U/D2VH3Vss4Vw5VL6CS7Vcc8U6X9313Vos1IN2+IN3Vss4NC5OUT6Vcc7Vos8U7OP3710KR16+12V12V+5V 圖 28 數(shù)字電位器幅度調(diào)節(jié) 方案二：采用可編程的放大器 AD603 來實(shí)現(xiàn)幅度控制。而且功能較 51 單片機(jī)多， AVR 單片機(jī)內(nèi)部有專門產(chǎn)生 PWM 功能，只要對(duì) AVR 內(nèi)部的寄存器寄存器進(jìn)行設(shè) 置即可，在 AVR 單片機(jī)產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的脈沖波后加上幅度控制電路，就能達(dá)到本設(shè)計(jì)的要求。將可編程邏輯器件當(dāng)做自己的一個(gè)外設(shè)，通過并 行總線的方式與可編程邏輯器件進(jìn)行通信，大大節(jié)約了單片機(jī)的有限資源，為今后系統(tǒng)擴(kuò)展提供了硬件支持。 FPGA 是基于一種查表技術(shù)， 查找表（ LookUpTable)簡稱為 LUT， LUT 本質(zhì)上就是一個(gè) RAM。 鎖相環(huán)具有輸出頻率范圍寬，輸出信號(hào)穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，但本設(shè)計(jì)輸入頻率在 1Hz1MHz 之間，就要求分頻系數(shù)較大，硬件電路復(fù)雜，而且，鎖相環(huán)經(jīng)過鎖相后的脈沖信號(hào)脈寬不變，不能滿足本設(shè)計(jì)占空比可調(diào)的要求。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 5 頁 共 24 頁 R?P D L P F V C ON?可 編 程 置 數(shù) 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(zhǔn)確度的晶體振蕩器經(jīng)參考分頻器分頻后，輸出基準(zhǔn)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(zhǔn)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(chǎn)生單種波形，控制方式也比較固定，最大的缺點(diǎn)是進(jìn)行脈寬控制，測(cè)量困難，無法進(jìn)行外同步，在此不能滿足設(shè)計(jì)要求。 AD9851 采用的最新的高速 DDS 內(nèi)核可接受 32 位的頻率控制字， 180 MHz 系統(tǒng)時(shí)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(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器 第 4 頁 共 24 頁 方案設(shè)計(jì) 主脈沖產(chǎn)生方案 方案一、采用專用的 DDS 集成芯片技術(shù)方案。 9 0 %5 0 %1 0 %τdtrt ft 圖 23 實(shí)際脈沖波形 3）下降時(shí)間 從脈沖振幅的 90%下降到 10%所經(jīng)歷的時(shí)間 ft 。 5） 占空比 占空比指的是高電平占整個(gè)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(shù) 函 數(shù) 波t tt 圖 21 各種脈沖波形 脈沖波的基本概 念 在一定的時(shí)間寬度（ τ（ s））內(nèi)，一定大小的直流電壓在每 1 個(gè)周期 T（ s）內(nèi)重復(fù)出現(xiàn)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(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器 第 2 頁 共 24 頁 指標(biāo)概念闡述 脈沖指的是僅在短時(shí)間內(nèi)有很大的瞬間值，其余的時(shí)間內(nèi)瞬時(shí)值為 0 的所謂沖擊性信號(hào)波形。 多個(gè)公司已推出系列化 DDS 產(chǎn)品，已經(jīng)有多種專用 DDS 集成芯片可以直接產(chǎn)生脈沖信號(hào)，其DDS 集成電路的工作頻率不斷提高，最高時(shí)鐘可達(dá)幾 GHz，其采用先進(jìn)的直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，內(nèi)含可編程的 DDFS 系統(tǒng)、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器。 超寬帶（ UWB）脈沖信號(hào)的部分帶寬 Bf=2(fHfL)/(fH+fL)大于 20%，其中 fH、 fL 分別為 10dB輻射點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的上、下頻率點(diǎn)或者是指其總的頻譜帶寬至少達(dá)到 500MHz。 脈沖信號(hào)的產(chǎn)生正朝著高頻的納米級(jí)方向發(fā)展， 通過發(fā)送和接收具有納秒或納秒級(jí)以下的極窄脈沖來傳輸數(shù)據(jù)，從而具有 GHz 量級(jí)的帶 寬。以上設(shè)計(jì)具有穩(wěn)定度高，可靠性好，硬件電路簡單，用途 廣泛等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)中充分利用了 AVR單片機(jī)能夠產(chǎn)生脈寬調(diào)制波（ PWM），通過設(shè)置單片機(jī)內(nèi)部的寄存器就能夠?qū)崿F(xiàn)PWM 波的頻率在 1Hz1MHz 和占空比在 1%99%范圍內(nèi)獨(dú)立調(diào)節(jié)，再結(jié)合外部幅度控制電路，就能實(shí)現(xiàn)預(yù)定的設(shè)計(jì)功能。如利用于步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、電力技術(shù)、儀器儀表等等。該技術(shù)尤其適用于室內(nèi)等密集多徑場(chǎng)所的高速無線接入和軍事通信應(yīng)用中。該電路使用靈活、方便，因而在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、家用電器和電子玩具等許多領(lǐng)域中都得到了廣泛的應(yīng)用。頻率、幅度和占空比能在其范圍內(nèi)步進(jìn)調(diào)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(shù)函數(shù)波及鋸齒波等，脈沖電路中經(jīng)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(shí)間 τ。 2）上升時(shí)間 從脈沖振幅的 10%上升到 90%所經(jīng)歷的時(shí)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(shí)鐘源，在其內(nèi)部轉(zhuǎn)化為方波成為靈活的時(shí)鐘發(fā)生器。 AD9851 提供了 5 位 可編程相位調(diào)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(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是晶體振蕩器產(chǎn)生的．各種頻率信號(hào)是由數(shù)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(jī)控制鎖相環(huán)的分頻比實(shí)現(xiàn)的，如圖 27 所示。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸出頻率可由式 計(jì)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(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)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(shù)有限的缺點(diǎn) 。 此方案是利用了可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)靈活，且資源豐富的特點(diǎn)，將控制 DDS 信號(hào)的接口電路由可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，如此，單片機(jī)只需控制可編程邏輯器件，就間接實(shí)現(xiàn)了 DDS 信號(hào)的控制。 AVR 單片機(jī)是 8 位的精簡指令集單片機(jī)，它采用與 51 系列單片機(jī)不一樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 51 單片機(jī)的工作頻率要晶振 12 分頻后得到，而 AVR 單片機(jī)工作頻率不需要晶振分頻，這使 AVR 單片機(jī)較 51 單片機(jī)工作頻率更高。這種方案硬件電路簡單，容 易實(shí)現(xiàn)，但由于數(shù)字電位器的調(diào)節(jié)