【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 儀器面板上按鍵輸入命令數(shù)據(jù)將顯示在字符型 LCD 上并將命令 傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)再由單片機(jī)控制 DDS 芯片輸出信號(hào)并通過(guò)后級(jí)信號(hào)調(diào)理電路最后輸出所需的信號(hào)因?yàn)槭强烧{(diào)控制調(diào)節(jié)按鈕不僅可以輸出不同的波形而且能增加和減小輸出波形的頻率 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 因?yàn)楸菊n題的功能電路與相關(guān)部件較多為了便于研制期間的調(diào)試與最終 成品的產(chǎn)業(yè)化所以系統(tǒng)的最后實(shí)現(xiàn)采用了模塊化的思想即先把各個(gè)相關(guān)的電路與部件做成相互獨(dú)立的分離模塊而系統(tǒng)的功能則是通過(guò)各模塊間的級(jí)聯(lián)來(lái)完成的 下面將分別敘述各功能模塊及其中所用到的器件電路以及在系統(tǒng)設(shè)計(jì)調(diào)試過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題 31 穩(wěn)壓電源的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的 5v 電源的獲得可通過(guò)直流電或者交流電獲得通過(guò)直流電獲得可直接用電腦 USB 接口干電池及 DCDC 的方式獲得而本系統(tǒng)通過(guò) 7805 穩(wěn)壓電路將 12V電壓轉(zhuǎn)換成 5V直流電壓輸出電壓穩(wěn)定其最大輸出電流可為 1A能帶動(dòng)一定的負(fù)載 三端穩(wěn)壓集成電路 7805 電子產(chǎn)品中常見(jiàn)的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 78 系列和負(fù)電壓輸出的 79系列三端 IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路只有三條引腳輸出分別是輸入端 接地端和輸出端 用三端穩(wěn)壓 IC 來(lái)組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少電路內(nèi)部還有過(guò)流過(guò)熱及調(diào)整管的保護(hù)電路使用起來(lái)可靠方便而且價(jià)格便宜 31 7805 引腳圖 32 7805 電路圖 系統(tǒng)電源電路設(shè)計(jì) 12V的直流電源經(jīng)過(guò)濾波電路 7805穩(wěn)壓電路后輸出 5v直流電源工作原理如圖 33 圖 33 5v 電源工作原理圖 在實(shí)際電路中 12V 的直流電源需要在這里接一個(gè) 100uF 的電解電容 變壓器輸出端的 12V 電壓經(jīng)電容濾波在電容 C1兩端大約會(huì)有 11V 多一點(diǎn) 的電壓假如從電容兩端直接接一個(gè)負(fù)載當(dāng)負(fù)載變化或交流電源有少許波動(dòng)都會(huì)使 C1 兩端的電壓發(fā)生較大幅度的變化因此要得到一個(gè)比較穩(wěn)定的電壓還需在這里接一個(gè)三端穩(wěn)壓模塊 7805 由于 7805 的輸出端不能高于輸入端所以用二極管加以保護(hù) 三端穩(wěn)壓器前后面各接一個(gè) 104電容 C1和 C3有濾波和阻尼的作用 同時(shí)利用 R1和發(fā)光二極管作為電源狀態(tài)指示燈以便實(shí)時(shí)了解電源是否正常工作系統(tǒng)電源電路如圖 34所示 圖 34 電源電路 32 DDS 芯片的選擇及與單片機(jī)之間的通信 信號(hào)的產(chǎn)生與控制部分電路由 DDS片 AD9851與單片機(jī) AT89S52組成 用戶通過(guò)鍵盤(pán)輸入的信號(hào)要求被 AT89S52 接收并經(jīng)其處理后將計(jì)算出的控制字傳送給AD9851 由 AD9851 產(chǎn)生頻率幅度可控的信號(hào)下面以 AD9851 芯片為中心加以討論 DDS 芯片選擇及引腳圖 本系統(tǒng)采用了美國(guó)模擬器件公司生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品 AD9851 芯片 AD9851 是在 AD9850 的基礎(chǔ)上做了一些改進(jìn)以后生成的具有新功能的 DDS 芯片AD9851 相對(duì)于 AD9850 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)只是多了一個(gè) 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為 180MHz 時(shí)在參考時(shí)鐘輸入端只需輸入 30MHz 的參考時(shí)鐘即可 AD9851 是由數(shù)據(jù)輸入寄存器頻率相位寄存器具有 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器的 DDS 芯片 10位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部高速比較器這幾個(gè)部分組成其中具有 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器的 DDS 芯片是由 32 位相位累加器正弦函數(shù)功能查找表 DA 變換器以及低通濾波器集成到一起這個(gè)高速 DDS 芯片時(shí)鐘頻率可達(dá) 180MHz 輸出頻率可達(dá) 70 MHz 分辨率為 004Hz AD9851 采用 28 引腳的 SSOP 表面封裝其引腳排列如圖 35 所示各引腳定義如下 D0～ D78 位數(shù)據(jù)輸入口可給內(nèi)部寄存器裝入 40 位 控制數(shù)據(jù) PGND6 倍參考時(shí)鐘倍乘器地 PVCC6 倍參考時(shí)鐘倍乘器電源 WCLK 字裝入信號(hào)上升沿有效 FQUD 頻率更新控制信號(hào)時(shí)鐘上升沿確認(rèn)輸入數(shù)據(jù)有效 FREFCLOCK 外部參考時(shí)鐘輸入 CMOSTTL 脈沖序列可直接或間接地加到 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器上在直接方式中輸入頻率即是系統(tǒng)時(shí)鐘在 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器方式系統(tǒng)時(shí)鐘為倍乘器輸出 AGND 模擬地 AVDD 模擬電源 5Ｖ DGND 數(shù)字地 DVDD 數(shù)字電源 5Ｖ RSETDAC 外部復(fù)位連接端 VOUTN 內(nèi)部比較器負(fù)向輸出端 VOUTP 內(nèi)部比較器正向輸出端 VINN 內(nèi)部比較器的負(fù)向輸入端 圖 35 AD9851 管腳示意圖 VINP 內(nèi)部比較器的正向輸入端 DACBPDAC 旁路連接端 IOUTB 互補(bǔ) DAC 輸出 IOUT 內(nèi)部 DAC 輸出端 RESET 復(fù)位端低電平清除 DDS 累加器和相位延遲器為 0Hz 和 0 相位同時(shí)置數(shù)據(jù)輸入為串行模式以及禁止 6 倍參考時(shí)鐘倍乘器工作 AD9851 的串并行通信 AD9851 的串行操作有兩種數(shù)據(jù)傳送方式即從最高位開(kāi)始傳送和從最低位開(kāi)始傳送這是由控制寄存器 1的第 8位來(lái)決定的默認(rèn)狀態(tài)為低電平此時(shí)先傳送最高位若為高電平則先傳送最低位串行操作的時(shí)序如圖 36所示 圖 36 控制字串行輸入時(shí)序圖 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) FQ_UD脈沖即可更新輸出頻率和相位圖 37是相應(yīng)的控制字串行輸入的控制時(shí)序圖 AD9851的復(fù)位 RESET 信號(hào)為高電平有效且脈沖寬度不小于 5個(gè)參考時(shí)鐘周期 AD9851 的參考時(shí)鐘頻率一般遠(yuǎn)高于單片機(jī)的時(shí)鐘頻率 因此 AD9851 的復(fù)位 RESET 端可與單片機(jī)的復(fù)位端直接相連 圖 37 控制字并行輸入的時(shí)序圖 在并行裝入方式中通過(guò) 8位總線 D0D7將可數(shù)據(jù)輸入到寄存器在重復(fù) 5次之后再在 FQUD上升沿把 40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入 到頻率相位數(shù)據(jù)寄存器 更新DDS 輸出頻率和相位 同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器接著在 WCLK 的上升沿裝入 8 位數(shù)據(jù)并把指針指向下一個(gè)輸入寄存器連續(xù) 5 個(gè) WCLK 上升沿后 WCLK的邊沿就不再起作用直到復(fù)位信號(hào)或 FQUD上升沿把地址指針復(fù)位到第一個(gè)寄存器 33 單片機(jī) AT89S52 控制電路 AT89S52 是一種低功耗高性能 CMOS8 位微控制器具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲(chǔ)器使用 ATMEL 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容片上 Flash 允許程序存儲(chǔ)器在系 統(tǒng)可編程亦適于常規(guī)編程器在單芯片上擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash 使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活有效的解決方案 AT89S52 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能8k字節(jié) Flash256 字節(jié) RAM32IO 口線看門狗定時(shí)器 2 個(gè)數(shù)據(jù)指針三個(gè) 16 位定時(shí)器計(jì)數(shù)器一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)全雙工串行口片內(nèi)晶振及時(shí)鐘電路另外AT89S52 0Hz 靜態(tài)邏輯操作支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式空閑模式下 CPU停止工作允許 RAMRAM 內(nèi)容被保存振蕩器被凍結(jié)單片機(jī)一切工作停止直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止 一般單片機(jī) 需外接一個(gè)時(shí)鐘電路和一個(gè)復(fù)位電路其設(shè)計(jì)為下 時(shí)鐘電路 圖 38 時(shí)鐘電路 XTAL1 是片內(nèi)振蕩器的反相放大器輸入端 XTAL2 則是輸出端使用外部振蕩器時(shí)外部振蕩信號(hào)應(yīng)直接加到 XTAL1而 XTAL2懸空內(nèi)部方式時(shí)時(shí)鐘發(fā)生器對(duì)振蕩脈沖二分頻如晶振為 12MHz 時(shí)鐘頻率就為 6MHz 晶振的頻率可以在 1MHz24MHz內(nèi)選擇電容取 30PF 左右 AT89C52 中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器引腳 XTAL1和 XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或者陶瓷諧振器一 起構(gòu)成自激振蕩器片外石英晶體或者陶瓷諧振器及電容 C1C2 接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路對(duì)外接電容C1C2 雖然沒(méi)有十分嚴(yán)格的要求但電容容量的大小會(huì)輕微影響振蕩頻率的高低振蕩器工作的穩(wěn)定性起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性這里采用電容 30pF 晶振采用110592MHz 復(fù)位電路 AT89C52 的外部復(fù)位電路有上電自動(dòng)復(fù)位和手動(dòng)按鍵復(fù)位上電復(fù)位電容充電來(lái)實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鍵復(fù)位又分為按鍵電平復(fù)位和按鍵脈沖復(fù)位按鍵電平復(fù)位電路是在普通 RC 復(fù)位電路的基礎(chǔ)上接一個(gè)有下拉電阻 100K 上拉電容 10μ f 接 VCC電源由開(kāi)關(guān) 接至復(fù)位腳和上拉電容并聯(lián)上拉電容支路負(fù)責(zé)在上電瞬間實(shí)施復(fù)位開(kāi)關(guān)通過(guò) 100K 下拉電阻分壓器保證對(duì)單片機(jī)實(shí)施按鍵電平復(fù)位電路圖如下圖所示 圖 39 復(fù)位電路 單片機(jī)控制電路圖 圖 310 單片機(jī)控制電路原理圖 P0口 P0口是一個(gè) 8位漏極開(kāi)路的雙向 IO口作為輸出口每位能驅(qū)動(dòng) 8個(gè) TTL邏輯電平對(duì) P0 端口寫(xiě) 1 時(shí)引腳用作高阻抗輸入當(dāng)訪問(wèn)外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)P0口也被作為低 8 位地址數(shù)據(jù)復(fù)用在這種模式下 P0flash 編程時(shí) P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)在程序校驗(yàn)時(shí)輸出指令字節(jié)程 序校驗(yàn)時(shí)需要外部上拉電阻 P1口 P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口 P1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平對(duì) P1 端口寫(xiě) 1時(shí)內(nèi)部上拉電阻把端口拉高此時(shí)可以作為輸入口使用作為輸入使用時(shí)被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因?qū)⑤敵鲭娏鞔送?定時(shí)器計(jì)數(shù)器 2的外部計(jì)數(shù)輸入 P10T22的觸發(fā)輸入 P11T2EXflash編程和校驗(yàn)時(shí) P18 位地址字節(jié) P2 口 P2 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 IO 口P2 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平對(duì) P2 端口寫(xiě) 1 時(shí)內(nèi)部上拉電阻把端口拉高此時(shí)可以作為輸入口 使用作為輸入使用時(shí)被外部拉低的引腳由于內(nèi)部電阻的原因?qū)⑤敵鲭娏髟谠L問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或用 16 位地址讀取外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器MOVX DPTRP2 口送出高八位地址在這種應(yīng)用中 P2 口使用很強(qiáng)的內(nèi)部上拉發(fā)送 1在使用 8 位地址 MOVX RIP2P2 鎖存器的內(nèi)容在 flashP2 口也接收高 8位地址字節(jié)和一些控制信號(hào) 單片機(jī)與 AD9851 的接口 單片機(jī)與 AD9851 的接口既可采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重點(diǎn)介紹其并行方式的接口 P31 IO 方式并 行接口 I O 方式的并行接口電路比較簡(jiǎn)單但占用單片機(jī)資源相對(duì)較多圖 311是 IO方式并行接口的電路圖 AD9851 的數(shù)據(jù)線 D0D7 與 P1 口相連 FQ_UD 和 W_CLK 分別與 P23 10 引腳 和 P24 11 引腳 相連所有的時(shí)序關(guān)系均可通過(guò)軟件控制實(shí)現(xiàn) 圖 311 AT89S52 與 AD9851 的電路連接圖 34 液晶顯示模塊 LCD1602 的主要性能 1602 型 LCD 可以顯示 2 行 16 個(gè)字符有 8 位數(shù)據(jù)總線 D0～ D7RSRWEN 三個(gè)控制端口工作電壓為 5V并且具有字符對(duì)比度調(diào)節(jié)和背