【文章內(nèi)容簡介】 輸入輸出端口是系統(tǒng)與其它設備進行數(shù)據(jù)交換的接口。SPCE061A具有兩個可編程輸入輸出端口：A口和B口。A口既是具有可編程喚醒功能的普通I/O口，又可與ADC的多路LINE_IN輸入共用(IOA[6~0]與LINE_IN[1~7]共用；B口除了具有普通I/O口的功能外，在特定的管腳上還可以完成一些特殊的功能。 盡管數(shù)據(jù)能通過數(shù)據(jù)端口P_IOX_Data和數(shù)據(jù)緩沖器端口P_IOX_Buffer寫入相同的數(shù)據(jù)寄存器，但從這兩個端口讀出的數(shù)據(jù)卻來自不同的位置；從后者讀出的仍是數(shù)據(jù)寄存器里的數(shù)據(jù)，而從前者讀出的是I/O管腳上的電平狀態(tài)。IOA[7~0]口為鍵喚醒源，通過讀P_IOA_Latch單元來鎖存IOA[7~0]端口的電平狀態(tài)，從而可激活其喚醒功能。當IOA[7~0]口的狀態(tài)和鎖存時的狀態(tài)不一致時，會觸發(fā)系統(tǒng)由節(jié)電的睡眠工作模式切換到喚醒模式。 (7)SPCE061A定時器/計數(shù)器：SPCE061A提供了兩個16位的定時器/計數(shù)器：TimerA和TimerB。TimerA為通用計數(shù)器；TimerB為多功能計數(shù)器。TimerA的時鐘源由時鐘源A和時鐘源B進行“與”操作而形成；TimerB的時鐘源僅為時鐘源A。定時器發(fā)生溢出后會產(chǎn)生一個溢出信號(TAOUT/TBOUT)。一方面，它會作為定時器中斷信號傳輸給CPU中斷系統(tǒng)；另一方面，它又會作為4位計數(shù)器計數(shù)的時鐘源信號，輸出一個具有4位可調(diào)的脈寬調(diào)制占空比輸出信號APWMO或BPWMO(分別從IOB8 和IOB9輸出)，用來控制馬達或其它一些設備的速度。此外，定時器溢出信號還可以用于觸發(fā)ADC輸入的自動轉(zhuǎn)換過程和DAC輸出的數(shù)據(jù)鎖存。 向定時器的P_TimerA_Data(讀/寫)($700AH)單元或P_TimerB_Data(讀/寫)($700CH)單元寫入一個計數(shù)值N后，選擇一個合適的時鐘源，定時器/計數(shù)器將在所選的時鐘頻率下開始以遞增方式計數(shù)N，N+1，N+2，…0xFFFE，0xFFFF。當計數(shù)達到0xFFFF后，定時器/計數(shù)器溢出，產(chǎn)生中斷請求信號，被CPU響應后送入中斷控制器進行處理。同時，N值將被重新載入定時器/計數(shù)器并重新開始計數(shù)。 在TimerA內(nèi)，時鐘源A是一個高頻時鐘源，時鐘源B是一個低頻時鐘源。時鐘源A和時鐘源B的組合，為TimerA提供出多種計數(shù)速度。若以ClkA作為門控信號，‘1’表示允許時鐘源B信號通過，而‘0’則表示禁止時鐘源B信號通過而停止TimerA的計數(shù)。例如，如果時鐘源A為“1”，TimerA時鐘頻率將取決于時鐘源B；如果時鐘源A為“0”，將停止TimerA的計數(shù)。EXT1和EXT2為外部時鐘源。 (8) 模數(shù)轉(zhuǎn)換器與數(shù)模轉(zhuǎn)換器SPCE061A有8個10位模數(shù)轉(zhuǎn)換器通道，其中7個通道用于將模擬量信號 (例如電壓信號) 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號, 可以直接通過引線(IOA[0~6])輸入。另外有一個通道只作為語音輸入通道，通過內(nèi)置有自動增益控制放大器的麥克風通道(MIC_IN)輸入。實際上可以把ADC看作是一個實現(xiàn)模/數(shù)信號轉(zhuǎn)換的編碼器。 (9)掃頻發(fā)生器工作原理：。該信號發(fā)生器采用SPCE06lA芯片作為系統(tǒng)的CPU，配以少量的外圍接口芯片，構成單片機的最小控制系統(tǒng)。人機對話部分用A口組成鍵盤及數(shù)碼管顯示(圖中略去未畫)；信號輸出部分用SPCE06lA提供的2個10位的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，即DACl和DAC2，以及外部運放電路組成。 掃頻信號發(fā)生器電路原理圖信號生成過程如下：將生成信號的數(shù)據(jù)寫入DAC1后，數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量經(jīng)DAC1引線端輸出，輸出電流加在電阻R9上形成信號電壓，信號電壓經(jīng)運放U2A組成的跟隨器輸入數(shù)字電位器DP1(MAX5400)的高端，數(shù)字電位器DP1將分壓后信號輸入由運放U2C組成的跟隨器后輸入由運放U2D組成的運算放大器放大后輸出。由于單片機的DAC只能輸出電流，在電阻R9上形成的信號電壓始終≥0，要輸出正反相信號需調(diào)整信號信號的電平，為此，利用DAC2輸出電流加在電阻R8上形成偏置電壓，經(jīng)由運放U2A組成的反相器形成負偏置電壓(Vr)后，加在輸出放大器U2D輸入端，達到調(diào)整輸出信號電平的目的。 電源保護模塊由于本系統(tǒng)各模塊對電源的要求不一致，若各種電源值都由外部分別提供，則電源接口會顯得很復雜，所以在電源設計上，本方案使用了穩(wěn)壓三極管。外部只提供正負16伏的電源，+15V用7815分壓得到； 15V用7915分壓得到；+5V用7805分壓得到； 5V用7905分壓得到。另外，為了防止用戶誤將電源反接而損毀系統(tǒng)內(nèi)部芯片，我們在電源的入口接了一個二極管，負極接正電源，正極接負電源，若電源反接，保證了整個電路安全。 電源分壓及保護電路3 軟件設計 軟件設計要求系統(tǒng)軟件的可測試性有兩個方面的含義:其一是較容易準確制定出測試結(jié)果，并根據(jù)對軟件進行測試；其二是軟件設計工作完成之后，首先在模擬環(huán)境下運行，經(jīng)過靜態(tài)分析和動態(tài)分析仿真運行，證明準確無誤后才可以投入實際使用。它是系統(tǒng)軟件最為重要的指標之一，該要求有兩層意義：第一是運行參數(shù)環(huán)境改變時，軟件能可靠地運行并能給出正確的結(jié)果，即要求軟件具有自適應性；第二是在環(huán)境惡劣、干擾嚴重的情況下，軟件必須保證系統(tǒng)能可靠的運行，這對系統(tǒng)的整體可靠運行尤其的重要。這對整個系統(tǒng)具有重要的意義，對頻譜分析儀而言就更具有實際的意義，其結(jié)果的準確程度是直接關系到用戶的切身利益。因此，在算法選擇上和位數(shù)選擇方面滿足實際要求、運算結(jié)果要符合國家相關的技術標準。實時性是頻譜分析儀的普遍要求。近年來，由于硬件的集成度與速度的提高，配合相應的軟件，實時性容易滿足要求，特別是對于匯編語言編制的軟件。軟件系統(tǒng)容易閱讀和理解，容易發(fā)現(xiàn)和糾正錯誤，容易修改和補充。由于生產(chǎn)過程自動化程度的不斷提高，測控系統(tǒng)的結(jié)構日趨復雜，設計人員很難在短時間內(nèi)就對整個系統(tǒng)理解無誤，軟件的設計與調(diào)試不可能一次就很順利的完成，有些問題是在運行的過程中逐步的暴露出來的，這樣就要求編制的軟件能夠易于理解和修改，在軟件的設計方法中，結(jié)構化設計是一種最好的設計方法，這種設計方法是從整體到局部，然后由局部再到細節(jié)，先考慮整個系統(tǒng)要實現(xiàn)的功能，確定整體的目標，然后把這個目標分成一個個任務，任務中又可以分成若干小的任務，這樣逐層細分，逐層實現(xiàn)它的功能，最后完全實現(xiàn)。 本系統(tǒng)采用模塊化設計方法，這樣不但使得設計的目標明確，思路清晰，而且在檢錯、調(diào)試時候也很方便。如果每個子程序單獨運行正確，那么當如積木一樣，把它們聯(lián)合起來的時候，只要安排恰當，一般來說不會有什么問題，當然也不排除個別問題的產(chǎn)生，當有問題的時候，可以根據(jù)問題的種類和現(xiàn)象來判斷出是哪一部分出的問題，很容易找出故障所在和原因。同時，采用模塊化程序設計結(jié)構的設計方案，對于系統(tǒng)功能的擴充和修改也提供了很大的幫助和方便。 主程序的軟件設計在軟件控制上，由于方案要求產(chǎn)生的10KHz頻率步進增加，所以對AD9850頻率調(diào)制字改變也應是快速的。AD9850調(diào)制字（Tuning Words）的裝入采用異步串行接口UART，同時兼顧到單片機I/O口的分配和對調(diào)制字裝入速度的要求，為了加快掃頻和掃描速度，將系統(tǒng)時鐘改成最大值49MHz，以加快掃頻和掃描速度。 另外，由于硬件采集系統(tǒng)無法達到全頻段的穩(wěn)定性，在收集頻譜樣值后我們通過軟件對其進行一定的校準處理：根據(jù)固定輸入信號的幅值，對全頻段掃描結(jié)果并記錄比較，設計校準曲線，來達到良好的穩(wěn)定性，彌補硬件頻率失真帶來的誤差，提高頻譜測量儀的精度。軟件還對數(shù)據(jù)進行分析，根據(jù)頻譜特性判別是AM、FM或單頻波，計算調(diào)制深度或調(diào)頻系數(shù)。 主程序流程圖4 系統(tǒng)調(diào)試與指標測試 硬件調(diào)試先對各個模塊進行獨立調(diào)試，各個模塊成功調(diào)試后，將每個模塊進行級聯(lián)，整體調(diào)試效果。由于被測信號是1—30MHZ有效值為20MV的小信號，為提高測量精度，先將其放大，然后輸入混頻器。上訴部分為高頻部分，為了避免產(chǎn)生自激，我們將其焊接的比較緊密并且讓其遠離電源，防止干擾。由于輸入信號的帶寬非常大，我們利用帶寬增益控制器AD603進行固定增益放大。 軟件調(diào)試 測DDS掃描頻率，觀察10KHZ步進的頻率穩(wěn)定性，測試鍵盤和液顯的操作界面。 軟硬聯(lián)合調(diào)試在此過程中我們發(fā)現(xiàn)檢波電路對數(shù)據(jù)的采集有非常大的影響，設計中，為了加快掃描速度，我們提高了單片機的時鐘，但在DDS掃頻時由于濾波器電容放電需要一定時間，所以為了保證掃描精度，必須加入延時以保證電容放電時間，使相鄰頻點的值不相互影響。 指標測試 指標測試是很重要的一個過程，它決定著整個系統(tǒng)是否起作用，各個模塊是否有著很好的連接等重要問題。 儀器測試 ◆Tektronix TDS1012 雙通道數(shù)字示波器 100MHz ◆HT1714C型直流穩(wěn)壓電源 ◆TFG2030 DDS函數(shù)信號發(fā)生器 30MHz ◆UT56 Multimeter 數(shù)字萬用表 指標測試（1）頻率范圍測試：　　測試條件：輸入信號有效值20mV。頻率范圍測試輸入頻率fi/MHZ1234567 8 9 10示波器顯示電壓/V測得輸入信號有效值/MV21212122202020201920輸入頻率fi/MHZ11121314151617181920示波器顯示電壓/V測得輸入信號有效值/MV20191919191920192019輸入頻率fi/MHZ21222324252627282930示波器顯示電壓/V測得輸入信號有效值/MV19191919192020191920結(jié)果：最大誤差2MV（2） 幅度精度測試：(示波器顯示幅值和測得相應頻點幅度有效值)幅度精度測試輸入幅度有效值Fo=1MHZFo=10MHZFo=20MHZFo=30MHZ15MV3V/15MV20MV4V/20MV4V/20MV25MV5V/25V結(jié)果：在測量范圍內(nèi)，幅度精度較高,誤差在2mV以內(nèi)。（3）識別調(diào)幅，調(diào)頻，等幅波測試： ① 輸入等幅波，可精確掃描到中心頻率點。 ② 輸入調(diào)幅波調(diào)制度為30%，調(diào)制信號頻率為20KHz,中心頻率Fo=10MHz,載波信號,幅度500mV峰峰值。結(jié)果：三條譜線，中心頻率10MHz。，中間幅度/邊頻幅度約為1/6，可計算出調(diào)制度為33%。 ③ 輸入調(diào)頻波頻偏為20KHz，調(diào)制信號頻率為1KHz, 中心頻率2MHz載波信號,幅度600mV峰峰值。結(jié)果：可以看到中心頻率值左右有多條譜線，但幅度不同，可以算出中心頻率2MHz?！　》治觯阂驗閽哳l是測量某一瞬態(tài)的頻譜，對于調(diào)頻波這種變頻信號，不同瞬態(tài)的頻譜圖不一樣。頻率最大值會在頻偏范圍內(nèi)擺動，且每隔1KHz的頻譜超過了我們的分辨率，所以我們測得的調(diào)頻信號頻譜不是特別理想。但仍然可以根據(jù)譜線分布特征判斷出為調(diào)頻波的中心頻率。結(jié) 論 畢業(yè)設計已接近尾聲，在這三年里相信很多同學都有一樣的感觸，時光飛逝。轉(zhuǎn)眼已進入倒計時階段，回顧這段經(jīng)歷，有苦澀，也有歡心。而在這之中，最重要的是我們都收獲了屬于自己的財富。本設計主要利用超外差原理實現(xiàn)了對信號頻譜分析的功能，覆蓋了1—30MHZ的頻譜范圍。對電壓值的標定采用對比法，能得到很高的測量幅度與精度。通過示波器顯示頻譜值，并且可以根據(jù)使用需要設置中心頻率和顯示帶寬。我們應用了集成度較高的芯片構成各功能模塊，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和精度。在設計中各個模塊的設計都很重要，只有掌握好各種芯片的性能指標，使每級輸入的幅度和頻率都適合于能使他們發(fā)揮最好的效果，并且要注意各級的級聯(lián)，否則會影響整個系統(tǒng)的性能。通過這一綜合的實踐，很好的提高了自己的實踐操作能力，并對所學過的相關專業(yè)知識內(nèi)容進行了回顧與整合。鍛煉了自己的綜合能力，我覺得這才是最終設計的意義所在。看到的是別人的，聽到的也未必是自己的，只有自己做過的才真正是屬于自己的，才算是收獲。相信所有的付出都必定是物有所值的。致 謝在論文即將完成之際，由衷的向給予我悉心指導的導師高明亮老師致以真誠的謝意。感謝高老師這學期以來對論文的反復的審查和修改，并提出了許多寶貴的意見，指導我查找相關文獻。高老師治學嚴謹，學識淵博，視野開闊，為我營造了一種良好的學習氛圍。在這學期的設計當中我遇到了許多困難。通過高老師和同學們的幫助得以順利解決。是他給予我的悉心幫助，讓我順利的完成了畢業(yè)設計。高老師嚴謹求實的學術風范和平易近人的人格魅力，令每一位師從他的弟子如沐春風一般，倍感溫馨。在課題選擇和論文寫作過程中，正是高老師的精心指導和莫大幫助，使很多難題迎刃而解。高老師嚴謹求實的作風、博大精深的學術知識、誨人不倦的優(yōu)良品格將深深影響著我今后的學習與生活，也將是我始終不變的目標。由衷的將祝福送給每一位幫助過我的老師和同學們。 畢業(yè)論文的順利完成還要衷心感謝我的朋友們，是他們帶給了我很多