【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 /D 轉(zhuǎn)換等 。 采用 C8051F206 單片機(jī)完全可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求，尤其是內(nèi)部有 12 位的 ADC，可以把輸出信號(hào)處理后，從衰減的前級(jí)采集數(shù)據(jù)，在面板上顯示輸出電壓的峰峰值。為了讓單片機(jī)正常工作，必須對(duì)單片機(jī)初始化、進(jìn)行端口設(shè)置，比如數(shù)字端口﹑模擬端口設(shè)置﹑輸入輸出端口設(shè)置。本系統(tǒng)中單片機(jī)部分設(shè)計(jì)如圖 31 所示。 圖 31 單片機(jī)系統(tǒng) 人機(jī) 交互電路設(shè)計(jì) 一個(gè)系統(tǒng)的好壞對(duì)于用戶而言很大程度上決定于界面是否友好 。本系統(tǒng)在面板設(shè)計(jì)上充分考慮用戶操作的方便，設(shè)計(jì)了 25 個(gè)按鍵，為了節(jié)省 I/O 口， 鍵盤(pán)輸入采取列輸入行掃描的形式，其硬件連接如圖 32 所示。按鍵程序設(shè)計(jì)一般包括兩個(gè)方面：按鍵的淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 8 捕捉與識(shí)別和按鍵的功能實(shí)現(xiàn)。兩者相輔相成，前者是基礎(chǔ)，后者是關(guān)鍵。在正確識(shí)別按鍵的基礎(chǔ)之上，如何正確進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)按鍵的功能是每個(gè)智能系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。 為了節(jié)省 CPLD 的引腳， 本系統(tǒng)采用 55 矩陣 鍵盤(pán)輸入 ， 共 25 個(gè)按鍵，程序共設(shè)置 26 個(gè)返回值即 1～ 26。每個(gè)返回值都對(duì) 應(yīng)了一個(gè)功能，分別對(duì)應(yīng) 0～ 9 共 10 個(gè)數(shù)字 鍵、小數(shù)點(diǎn)、 UP 鍵、 DOWN 鍵、 Hz/kHz 選擇鍵、直流偏置 鍵 、 ENTER 鍵 、 DELETE 鍵 、波形選擇鍵 、 測(cè)頻鍵 、輸出 使能鍵 、 20db、 40db 等按鍵 。 面板設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖 33 所示。 圖 32 鍵盤(pán)硬件連接圖 圖 33 面板設(shè)計(jì)實(shí)物圖 DDS模塊設(shè)計(jì) DDS 基本原理： 正弦波形一個(gè)周期離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字量存于 ROM（或 RAM）中，按一定的地址間隔（相位增量）讀出， 由 D/A 轉(zhuǎn)換成模擬正弦信號(hào)，經(jīng)過(guò)低通濾波，濾除 D/A 帶來(lái)的小臺(tái)階和數(shù)字電路產(chǎn)生的毛刺，即可獲 得所需要的正弦信號(hào)。 第三章 信號(hào)發(fā)生器硬件電路設(shè)計(jì) 9 AD9834 的外圍電路如圖 34 所示。 50MHz 的時(shí)鐘信號(hào)由 8 腳輸入，作為 DDS 時(shí)鐘頻率， 數(shù)字電源從 5 腳輸入， 5V的模擬電源從 4 腳輸入， 20 腳和 19 腳接 RC 低通濾波器，濾除高頻干擾信號(hào)， IOUT 和 IOUTB 輸出兩路幅度相等相位相反的電流，經(jīng)過(guò)R109 和 R111 后得到兩路大小相等相位相反的正弦或三角波信號(hào)電壓，由軟件控制該端口的波形， 16 腳為方波輸出端口。 圖 34 DDS外圍電路 AD9834 產(chǎn)生正弦波﹑三角波，輸出量為電流，在 R109 和 R111 上產(chǎn)生相位相反、幅度為 V 的信號(hào)，該信號(hào)中含有 的直流信號(hào) ,波形如圖 35 和圖 36 所示。該信號(hào)要經(jīng)過(guò)相應(yīng)的處理才能作為交流信號(hào)使用。 圖 35 輸出正弦波波形圖 圖 36 輸出三角波波形 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 10 從波形圖上可以看出， R109 和 R111 上波形大小相等，相位相差 180O，將兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行減法運(yùn)算，即可去掉信號(hào)中的直流成份，得到不含直流電壓的交流信號(hào)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)表明， 16 腳的 SIGN BIT 輸出方波信號(hào)在高頻時(shí)比較理想，當(dāng)信號(hào)低于 1kHz 時(shí)，變得不穩(wěn)定，所以在本系統(tǒng)中方波不是由 DDS 輸出，而采用由 正弦波或三角波經(jīng)過(guò)高速電壓比較器來(lái)產(chǎn)生。 可編程邏輯器件模塊設(shè)計(jì) 由于系統(tǒng)需要進(jìn)行大量的顯示和控制，單片機(jī)的 I/O 口遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，采用專(zhuān)用的 8255芯片來(lái)擴(kuò)展也不能滿足要求。故本系統(tǒng)采用可編程邏輯器件作為單片機(jī)的擴(kuò)展口，大大提高了信號(hào)發(fā)生器的可擴(kuò)展性?？删幊?器件采用 ALTERA 公司 EPM3128A， TQFP144封裝。 CPLD 完成 的主要功能 ：接收單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，控制 各種 模塊電路 ，對(duì)外測(cè)信號(hào)進(jìn)行分頻。 CPLD 設(shè)計(jì)原理圖如圖 38 所示。圖 37（ a）為 CPLD 的引腳分配圖，包含 CPLD 和單片機(jī)接口，面 板接口， DDS 接口。圖 37（ b）為 CPLD 的電源端和地線接線圖，其中 128 腳為外測(cè)頻信號(hào)輸入端， 125 腳為 CPLD 時(shí)鐘引腳，由于本系統(tǒng)不需要外接時(shí)鐘，所以該端口作為以后擴(kuò)展使用。圖 37（ c）為 CPLD 的 JTAG 下載接口圖[16]，通過(guò) ALTERA 專(zhuān)用下載電纜可以直接對(duì) EPM3128A 進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn) CPLD 所需要的功能。 模擬調(diào)理電路設(shè)計(jì) 1．方波和 TTL 電平產(chǎn)生電路 圖 39（ a）為方波和 TTL 電平產(chǎn)生原理圖，實(shí)驗(yàn)表明當(dāng)電壓比較器電路采用簡(jiǎn)單的過(guò)零比較器時(shí)，低頻段（ 1kHz）信號(hào)不穩(wěn)定，因此采 用高速比較器 TL3016 組成一個(gè)滯回比較器電路，將正弦波轉(zhuǎn)換成 TTL 信號(hào)，滯回的電壓大小由 R380 和 R384 決定，回差電壓為 VV ??? ，考慮到方波的對(duì)稱(chēng)性，因此回差電壓不宜過(guò)大，根據(jù)需要可以進(jìn)一步減小回差電壓。 R35 R353 和 R354 為直流 TTL 的占空比調(diào)節(jié)電路，根據(jù)所需要占空比范圍調(diào)節(jié)電阻的大小。 第三章 信號(hào)發(fā)生器硬件電路設(shè)計(jì) 11 （ a） CPLD引腳分配圖 （ b） CPLD電源端、地端接線圖 （ c） CPLD的 JTAG下載接口圖 圖 37 CPLD 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理圖 圖 38（ a）中 A 點(diǎn)電壓大小的計(jì)算： 當(dāng)滑動(dòng)端移動(dòng)到左邊時(shí)，首先將 R35 R35 R354 和電源進(jìn)行戴維南電路等效，可以等效為一個(gè)電壓源和電阻的串聯(lián)，等效電路如圖 38（ b）所示，圖中電壓源VU S ???? ，電阻 R 大小為 kkk ? ，由于 SINE_COMP 端接運(yùn)放輸出端，可以認(rèn)為運(yùn)放的輸出電阻為 0，因此當(dāng) R354 的滑動(dòng)端移動(dòng)到最左端時(shí)， A 點(diǎn)電壓為 ??? 。由于電路具有對(duì)稱(chēng)性，當(dāng) R354 的滑動(dòng)端移動(dòng)到右端時(shí)，滑 動(dòng)端電壓為 ? 。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 12 （ a） 電路原理圖 （ b） A點(diǎn)等效電路 （ c） B點(diǎn)等效電路 圖 38 方波和 TTL信號(hào)產(chǎn)生原理圖 2．信號(hào)通道電路 信號(hào)通道原理圖如圖 39 所示， DDS 提供兩路幅度相等、相位相反含有直流分量的信號(hào)，經(jīng)過(guò) U311 作差分運(yùn)算（為了減小運(yùn)算電路的零點(diǎn)漂移，要保證運(yùn)放的同相端和反相端對(duì)地電阻相等），同時(shí)作一定的幅度放大，輸出電壓約為 左右，和圖 39（ a）中提供的方波幅度基本上相等。單片機(jī) 控制繼電器 K304 選擇是方波輸出、正弦波和三角波輸出，幅度電位器 R344 用來(lái)調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度大小。 第三章 信號(hào)發(fā)生器硬件電路設(shè)計(jì) 13 圖 39 信號(hào)通道原理圖 3．直流偏置電路 有時(shí)用戶要求信號(hào)中含有直流成分，為此在電路中加入一級(jí)直流偏置電路，電路如圖 310 所示。由于電路的輸出端接 1k 電阻并接到 VOUT 端，因此會(huì)對(duì)輸出信號(hào)產(chǎn)生一定的影響。 圖 310 直流偏置電路 4. 輸出倒灌保護(hù)和報(bào)警電路 輸出倒灌保護(hù)電路如圖 311 所示。保護(hù)電路采用窗口比較器 ,當(dāng)信號(hào)發(fā)生器的 輸出端有直流電源誤接入時(shí)，如果直流電壓在功率放大器承受能力范圍之內(nèi)不作處理，如果超出承受能力，則保護(hù)電路輸出高電平， ALARM 信號(hào)送入單片機(jī)，由單片機(jī)控制切斷通道的繼電器輸出，起到保護(hù)通道的作用，同時(shí)單片機(jī)給出一個(gè)信號(hào) BUZZER， BELL發(fā)出報(bào)警提示。 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 14 圖 311 輸出倒灌保護(hù)和報(bào)警電路 5．峰值檢波電路 交流信號(hào)經(jīng)過(guò)峰值檢波電路得到直流信號(hào)送入單片機(jī)內(nèi)部做 A/D 轉(zhuǎn)換，用于電壓顯示。峰值檢波電路如圖 312 所示。 圖 312 峰值檢波電路 6．外測(cè)頻整形電路 信號(hào)發(fā)生器所能外測(cè)的輸入信號(hào)電壓幅度范 圍為 100mV 到 150V 之間，經(jīng)過(guò)整形電路把輸入電壓的幅度鉗制在 +5V～ 5V之間，以便 CPLD 接收。整形電路如圖 313 所示。 電源模塊設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)是多電源系統(tǒng)，使用六種共地電源 : 177。 15V，模擬177。 5V, 數(shù)字 +5V 和 +。其中 : DDS 芯片 AD983單片機(jī) C8051F206 和 CPLD 需要 供電， 由數(shù)字 5V經(jīng)過(guò) 穩(wěn)壓塊穩(wěn)壓后提供；面板采用數(shù)字 5V供電；運(yùn)放芯片 AD802運(yùn)第三章 信號(hào)發(fā)生器硬件電路設(shè)計(jì) 15 放 OP07 和功放需要177。 15V 的供電電壓。電壓比較器 TL3016 使用模擬177。 5V， 74HC00使用模擬＋ 5V 電壓。 圖 313 外測(cè)頻整形電路 本系統(tǒng)對(duì)電源的紋波要求比較高，功率要求較低?？紤]到開(kāi)關(guān)電源的紋波比較大，所以采用線性電源來(lái)實(shí)現(xiàn)多電源系統(tǒng)。圖 314 為電源部分電路設(shè)計(jì)圖。 （ a）整流濾波電路 （ b）177。 5V直流穩(wěn)壓電路 （ c） 177。 15V、＋ 5V直流電壓電路 圖 314 電源原理圖 淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 16 第四章 信號(hào)發(fā)生器軟件 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 17 第四章 信號(hào)發(fā)生器軟件 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 應(yīng)用系統(tǒng)中，系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)是建立在具體硬件電路基礎(chǔ)之上，根據(jù)系統(tǒng)功能要求可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。好的軟件設(shè)計(jì)能 夠充分發(fā)揮微控制器的運(yùn)算和邏輯控制功能，從而提高儀器的精度和使用的方便性。 主監(jiān)控程序模塊設(shè)計(jì) 程序開(kāi)始后，運(yùn)行初始化程序，包括初始化單片機(jī) C8051F20初始化 AD983初始化人機(jī)交互模塊等。然后掃描鍵盤(pán)狀態(tài)，檢查到有鍵按下就運(yùn)行鍵值處理程序，對(duì)按鍵值進(jìn)行查表處理，然后執(zhí)行相應(yīng)的子程序，完成相應(yīng)的功能，輸入的信號(hào)相關(guān)信息通過(guò)運(yùn)行顯示程序，在面板上顯示正確的輸入數(shù)據(jù)和提示信息。 C8051F206 接下來(lái)返回主程序，繼續(xù)掃描鍵盤(pán)，等待下一次命令的輸入。 系統(tǒng)主監(jiān)控程序框圖如圖 41 所示。主函數(shù)在 系統(tǒng)上電時(shí)自動(dòng)調(diào)用，根據(jù)按鍵的功能不同，調(diào)用不同的子函數(shù)實(shí)現(xiàn)所需要的功能。 圖 41 系統(tǒng)主監(jiān)控程序框圖 圖 42 DDS控制字傳送流程圖 DDS程序控制模塊設(shè)計(jì) DDS 控制字傳送方式是信號(hào)發(fā)生器的關(guān)鍵部分，其頻率控制字的傳送流程圖見(jiàn)圖淮安信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院論文 18 42 所示， DDS 初始化時(shí)輸出為 1kHz 正弦波信號(hào)，單片機(jī)首先檢測(cè)是否有其它波形鍵按下，如有則根據(jù)輸入按鍵改變波形；如果有數(shù)字鍵按下，并且按下確認(rèn)鍵，則將按鍵值轉(zhuǎn)換為頻率控制字，送入 DDS，輸出相應(yīng) 的頻率和波形。 鍵盤(pán)掃描模塊設(shè)計(jì) 按鍵程序設(shè)計(jì)一般包括兩個(gè)方面：按鍵的捕捉與識(shí)別和按鍵的功能實(shí)現(xiàn)。兩者相輔相成，前者是基礎(chǔ)，后者是關(guān)鍵。在正確識(shí)別按鍵的基礎(chǔ)之上，如何正確進(jìn)行處理以實(shí)現(xiàn)按鍵的功能是每個(gè)智能系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。 鍵盤(pán)掃描程序首先要保證鍵值能夠可靠的送入單片機(jī)，因此必須加入消抖模塊，一般采用延時(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)，如果有鍵按下，根據(jù)硬件電路確定鍵值所在的位置，由位置確定按鍵所要實(shí)現(xiàn)的功能，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的操作。鍵盤(pán)掃描程序流程圖如圖 43 所示。 圖 43 鍵盤(pán)掃描 程序流程圖 圖 44 AD采樣流程圖 電壓采樣顯示模塊設(shè)計(jì) 信號(hào)輸出經(jīng)過(guò)單片機(jī)內(nèi)部采樣電路后，進(jìn)行峰值顯示。電壓采樣流程圖如圖 44 所示，電壓采樣時(shí)首先要分配內(nèi)存空間，然后啟動(dòng) AD 轉(zhuǎn)換，設(shè)定采樣的時(shí)間間隔，為了得到穩(wěn)定的電壓顯示，每次采樣三個(gè)電壓，將采樣的電壓最大值和最小值去掉。由于采第四章 信號(hào)發(fā)生器軟件 系統(tǒng) 設(shè)計(jì) 19 樣電壓是在衰減的前級(jí)進(jìn)行取樣，信號(hào)發(fā)生器的實(shí)際輸出要根據(jù)不同的衰減進(jìn)行處理，將轉(zhuǎn)換后的值經(jīng)過(guò) CPLD 送入顯示電路進(jìn)行顯示。 CPLD 模塊設(shè)計(jì) 可編程 器件采用 ALTERA 公司 EPM3128， TQFP144 封裝。本設(shè)計(jì)中采用 CPLD 是為了擴(kuò)展單片機(jī)的接口 和測(cè)頻時(shí)對(duì)外部信號(hào)分頻， 因此設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單