【正文】 使電子儀器廠 4 SP3165A 型系列等精度頻率計數(shù)器 1 南京盛普電子實業(yè)有限公司 5 YB4363 雙蹤 示波器 1 江蘇揚中電子儀器廠 6 DF4121A 自動失真儀 1 寧波中策電子有限公司 7 UNIT 數(shù)字萬用表 1 勝利公司 指標測試和測試結果 輸出頻率范圍和穩(wěn)定度的測試 采用南京盛普電子實業(yè)有限公司的 SP1500A型系列等精度頻率計數(shù)器來測量頻率穩(wěn)定度。當開關接通，即選擇自動演奏存儲好的樂曲，此時系統(tǒng)工作。039。這樣便達到了現(xiàn)場可編程邏輯器件 FPGA驅動 MDLS字符型液晶顯示的目的。 圖 FPGA 與液晶顯示模塊接口圖 系統(tǒng)設計包含 FPGA 和字符型液晶顯示模塊兩部分。其中 CGROM為已固化好的字模庫， CGRAM為可隨時定義的字符字模庫，根據(jù)用戶不同的定義可調出所需要顯示的字符。從圖中可以清晰的地看出 ADC0809的工作過程。 程序設計主要是對 ADC0809的工作時序進行控制。由于采用的實驗小板的晶振是 50MHz，首先對其分頻，得到一個 1KHz 的時鐘信號作為測頻控制器的時鐘信號。這樣節(jié)省了系統(tǒng)資源，可根據(jù)設定頻率確定 A、 N值并送到 MC145152中。表 31 為步進不同時分別對應的 A、 N值，限于篇幅，只取其中一部分，通過觀察可發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律。 VHDL是用于邏輯設計的硬件描述語言，成為 IEEE標準。由式 計算可得（ PN+A） =5M247。 R分頻。利用內部參考電壓改變變容二極管的電容值，從而實現(xiàn)頻率調整。因充電時間小，而放電時間常數(shù)很大，故運放輸入端加進的是一個脈動直流源。當負載為容性時， 采用串聯(lián)諧振回路。在輸出功率不變的情況下， PE越小，效率越 高。由（式 ）可以解得截止頻率 fp＝ 。低通濾波器用于濾除鑒相器輸出的誤差電壓中的高頻分量和瞬變雜散干擾信 號，以獲得更純的控制電壓，提高環(huán)路穩(wěn)定性和改善環(huán)路跟蹤性能和噪聲性能。 N和247。 19 前置分頻器 前置分頻器和 MC145152中的247。在 MC145152中，外部穩(wěn)定參考源由 OSCin輸入，經(jīng) 12位分頻將輸入頻率247。 A計數(shù)器和鎖定檢測等部分。由于采用了大規(guī)模集成電路塊 MC145152，將圖中的晶振、參考分頻器、鑒頻鑒相器、可編程分頻器都集成在一個芯片中，不需要再單獨設計。從圖中可見變容二極管的反偏電壓從 VDmin～ VDmax變化，對應的輸出頻率范圍是 fmin～ fmax。在輸入信號電平變化時， AGC電路用改變增益的辦法維持輸出信號電平基本不變。 圖 壓控振蕩電路 16 圖 MC1648 內部電路圖 壓控振蕩電路由芯片內部的 Q Q 、 Q Q Q7和 Q6， 10腳和 12腳外接 LC諧振回路（含MV209）組成正反饋（反相 720176。其中的集成電路 MC164MC14515 MC1202低通濾波器和晶振構成鎖相環(huán)頻率合成器， FPGA集成了控制電路與頻率計，并驅動液晶顯示，峰 峰值檢測電路用于檢測輸出電壓峰 峰值，將其數(shù)據(jù)通過 A/D轉換送到 FPGA顯示。 11．電源方案的選擇 系統(tǒng)需要多個電源， FPGA 使用 5V 穩(wěn)壓電源，振蕩器的變容二極管需要 1～ 10V 電壓，運放，功放 等需要 12V穩(wěn)壓電源。使用該方法編程簡單， FPGA資源豐富，在 ROM里可存入多首歌曲、語音等音頻信號。這樣可以使輸出功率和效率都達到最大值。適合大功率工作。 方案二 ： 采用交流電壓并聯(lián)負反饋電路和自動增益控制（ AGC）電路一起實現(xiàn)的穩(wěn)幅電路。 方案二： 利用二極管和運放 LM324構成一個檢波電路，來測量電壓的峰峰值。將壓控振蕩器的輸出頻率經(jīng)過另一個前置分頻器 MC12022 進行固定分頻后送入 FPGA測量，并實時送入液晶顯示器顯示測得的頻率。 綜上所述，選擇 方案二，采用 FPGA構成控制部分 。頻率合成采用大規(guī)模集成 PLL 芯片 MC145152；前置分頻器選用芯片 MC12022； VCO 選用 MC1648；環(huán)路濾波器采用運放 LM358 和 RC電路組成，即可完成鎖相環(huán)路的設計。優(yōu)點是：可以得到任意小的頻率間隔；鑒相器的工作頻率不高，頻率變化范圍不大，比較好做，帶內帶外噪聲和鎖定時間易于處理。詳細電路圖機見單元電路設計中?？刂撇糠植捎?FPGA 來完成，顯示部分利用液晶顯示模塊，液晶顯示模塊顯示設定頻率、輸出頻率以及電壓峰 峰值。 程序設計采用超高速硬件描述語言 VHDL,在 Xilinx公司的 SpartanⅡ系列的 XC2S2020PQ208芯片上編程實現(xiàn)， 經(jīng)測試，整機功能齊全，輸出正弦波波形比較穩(wěn)定，沒有明顯失真；輸出頻率穩(wěn)定度達到 103；輸出功率 ≥ 20mW；輸出電壓可穩(wěn)定在 1V177。在競賽中以上 3個設計總結報告都獲得了較好的評分，作為實例，拋磚引玉，僅作為參考。 注意 2： 以上部分在實際論文中為一頁。利用低噪聲場效應管 J310 作振蕩管，用兩個變容二極管直 10 接接入振蕩回路作為壓控器件，電路屬于電感三點式振蕩器。 2．頻率合成器的設計方案論證與選擇 方案一 ： 采用直接式頻率合成器技術，將一個或幾個晶體振蕩器產(chǎn)生的標準頻率通過諧波發(fā)生器產(chǎn)生一系列頻率，然后再對這些頻率進行倍頻、分頻或混頻，獲得大量的離散頻率。 方案三：采 用數(shù)字鎖相環(huán)式頻率合成器技術，由晶振、鑒頻 /鑒相器 (FD/PD)、環(huán)路濾波器 (LPF)、可變分頻器 (247。 3．控制模塊的設計方案論證與選擇 方案一：利用單片機控制集成芯片 MC145152 的分頻系數(shù) A 和 N，以改變輸出頻率的大小。 方案二： 采 用中小規(guī)模的數(shù)字集成電路構成 一個頻率計，用來測量輸出頻率。 圖 采用 FPGA 實現(xiàn)的頻率計組成框圖 綜上所述，選擇 方案三，采用 FPGA構成頻率計實現(xiàn)輸出頻率的測量。 綜上所述，選擇 方案二利用二極管和運放 LM324 實現(xiàn)輸出電壓峰 峰值的檢測。 。三極管用 3DA5109。利用該方法實現(xiàn)比較簡單，但外圍電路復雜，調試麻煩，而且可靠性不高。 10．顯示方式 選擇 方案一： 采用 LED數(shù)碼管顯示。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池，又減小了系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時間短，無法使相對龐大的系統(tǒng)穩(wěn)定運作。MC1648 需要外接一個由電感和電容組成的并聯(lián)諧振回路。 LCfc ?2 1? () 其中72111 CCCCDD ???。另外在輸出部分增加了變壓器耦合，使得輸出電壓進一步穩(wěn)定。在本設計中通過該 方法使輸出頻率的范圍擴展到 14～ 45MHZ。 MC145152 是 18 MOTOROLA公司生產(chǎn)的大規(guī)模集成電路，它是一塊采用并行碼輸入方式設置、由 14根并行輸入數(shù)據(jù)編程的雙模 CMOS－ LSI 鎖相環(huán)頻率合成器。 A計數(shù)器、模擬控制邏輯和外接雙模前置分頻器組成吞脈沖程序分頻器，吞脈沖程序分頻器的總分頻比為： D=PN+A。 R計數(shù)分頻器用于將晶振頻率降低作為參考頻率，可以控制輸出頻率間隔。圖，其中 (a)是 P/P+1前置分頻器方框圖， (b)是吞咽脈沖計數(shù)的示意圖。 N計數(shù)器減到零時輸出一脈沖到 FD/PD并同時將預置的 N和 A 重新置入247。 振蕩器中心頻率不穩(wěn)主要由溫度、濕度、直流電源等外界因素引起，其變化時緩慢的， 鎖相環(huán)路只對 VCO平均中心頻率不穩(wěn)定所引起的分量（處于低通濾波器通帶之內）起作用，使其中心頻率鎖定在設定的頻率上。 C 2 310uFC 2 90 . 1 u FC 2 70 . 0 1 u FU6L M 7 8 1 2123VIGNDVOC 2 80 . 1 u FC 1 4220uFC 3 00 . 0 1 u FC 1 20 . 0 1 u F＋ 15 － 20VC 2 1470uFC 2 60 . 1 u FU7L M 7 8 0 5123VIGNDVOC 3 10 . 0 1 u F0圖 電源電路圖 21 各單元電路分別做在五塊 PCB板上，制版時，元器件排放盡可能靠近集成電路的管腳，特別是振蕩回路走線盡可能短，電路板空白處大面積接地，以減小分布參數(shù)對電路的影響，其中低通濾波器，壓控振蕩器和功率放大器做在一塊板子上，并用金屬盒屏蔽，以隔離數(shù)字電路部分產(chǎn)生的諧波，能有 效防止諧波頻率干擾，提高輸出信噪比。后一級電路可以進一步提高放大器的工作效率。，需要增加一個自動增益負反饋電路（ AGC）。然后將輸出電壓經(jīng) AD 轉換后送入 FPGA 就可以直接測得電壓峰 峰值。首先應確定參考頻率 fr, ， fr為步長（頻率間隔）的整數(shù)倍。 由 fr 確定的 N值和 A值的范圍應該在 MC145152范圍內（ A的范圍 0～ 63， N的范圍 0～1023），并 且必須滿足 N＞ A。由此可得，N=15,A= 64=40。 圖 為軟件設計流程圖。圖32 為參數(shù)計算的流程圖。相關軟件利用 VHDL 語言來編寫。該控制器產(chǎn)生三個控制信號： t_en。當模擬量送至某一輸入端時（如 IN1 或 IN2等），由 3位地址信號選擇，而地址信號由 ALE 鎖存； EOC當啟動轉換約 100μ s后， EOC產(chǎn)生一個負脈沖，以示轉換結束；在 EOC的上升沿，若使輸出使能信號 OE 為高電平，則控制打開三態(tài)緩沖器，把轉換好的 8位數(shù)據(jù)結構輸至數(shù)據(jù)總線。利用液晶顯示屏來顯示設定頻率、實測頻率、電壓峰 峰值、時間和自制音源中存儲的 曲目。 D7～ D0 為數(shù)據(jù)總線，接收來自外部的數(shù)據(jù)。液晶顯示器譯碼模塊（ lcd_decoder）是把輸入的時間譯成與之對應的液晶顯示器的專用二進制代碼?？刂七M程是利用狀態(tài)機來完成的。 data=00111100。 tone 模塊產(chǎn)生獲得音階的分頻預置值。式 。 測試結果表明，在軟硬件的結合下，壓控振蕩器能達到性能指標。 在功能方面，系統(tǒng)還實現(xiàn)了立體聲編碼、自制音源設計并可利用液晶顯示器顯示設定頻率、實測頻率、電壓峰 峰值、自制音源曲目信息和時間，使方案更加完善。 1. 系統(tǒng)方案選擇和論證 設計要求 （注：設計要求與第 1章 ，本書為節(jié)省篇幅，略） 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為控制部分和信號檢測部分。 FPGA采用并行的輸入輸出方式 ，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。 圖 單片機控制的方框圖 （ 2） 金屬探測模塊 金屬探測模塊主要用于跑道中金屬塊的探測。它是將線圈的電感 L隨外作用變化轉化為電壓或電流變化。當被測物體與線圈的接近時，導體產(chǎn)生的感應磁場使線圈的 電感變化 L，從而引起 LC回路失諧 ，振幅下降，輸出電壓 u變小。如圖 ，單片機控制信號在延時后控制激光發(fā)射器發(fā)射激光束，同時開始計時，當接收器將接收的信號反饋給單片機時停止計時。 應用單片機發(fā)射和接收超聲波傳感器信號的方框圖 如圖 。受鼠標的工作原理啟發(fā)，采用透射式光電傳感器。 熱探測器是利用所接收到的紅外輻射后，會引起溫度的變化，溫度的變化引起電信號輸出，且輸出的電信號與溫度的變化成比例，當紅外線被黑線吸 收是、時，溫度會減小，電壓變低，而紅外線沒有被吸收時，電壓不變，單片機可以根據(jù)電壓的變化來判斷路面的狀態(tài)。表 ，從表中可以看出，中間的傳感器起到預判的作用，在小車輕微偏離時，可以調整車輪小幅度偏轉，一旦小車速度過快，嚴重偏離軌道時，調整小車大幅度偏轉，小車的穩(wěn)定度和速度得到了保證。同時為提高傳感器的方向性，在二極管感應平面的前端固定一根 2cm長的塑料筒， 光源檢測實物示意圖 如圖 。 圖 繼電器式電機驅動電路 方案二：采用三極管組成的開關 PWM電路。對于電機驅動電路有下面的幾種方案。光源探測模塊的功能主要是引導小車朝光源行駛，使小車具有追蹤光源的功能。且這些紅外光子的能量的大小（即紅外光還必須滿足一定的波長范圍），必須滿足一定的要求，才能激發(fā)束縛電子，起激發(fā)作用。 （ 5）路 面軌跡檢 測模塊 路面檢測模塊實現(xiàn)小車跟隨黑色軌道行駛，在行駛的途中不能超出軌道。 在本設計中，采用 高靈敏度、高可靠性、高穩(wěn)定性、耐高、低溫度、耐濕度、耐沖擊、發(fā)射頻率為 40kHz的超聲波 傳感器判斷障礙物的距離。即超聲波射線從一種物質表面反射時，入射角等于反射角 。對于測距傳感器的選擇有以下幾種方案。 40 調幅法：調幅電路如圖。電渦流傳感器的探測部分是由空心線圈構成的，當線圈有振蕩電流通過時，空心線圈產(chǎn)生 一個交變的磁場 H1，當有金屬導體進入線圈的磁場范圍時，金屬導體內部便產(chǎn)生感應電流，即，渦流 I2，該渦流又產(chǎn)生一個新的感應磁場 H2， H2和 H1的方向相反，它會削弱原磁場 H1，從而使線圈的阻抗、 Q值和 L的值發(fā)生改變?；谝陨戏治鰯M定方案二，小車 單片機控制的方框圖 如圖 。 38 圖 小車的基本模塊方框圖 各模塊方案選擇和論證 根據(jù)題目要求，控制器主要用于各個傳感器信號的接收和辨認、控制小車的電機的動作、控制顯示車速與運行的時間以及小車在停車時發(fā)出的聲光信號等。 電機 控制核心采用 AT89C2051單片機，控制系統(tǒng)與電路用光 電耦合器 完全隔離以避免干