【文章內(nèi)容簡介】 PB45PB56PB67PB78RESET9VCC10GCD11XTAL212XTAL113PD0/RXD14PD1/TXD15PD2/INT016PD3/INT117PD4/OC1B18PD5/OC1A19PD620PD721PC0/SCL22PC1/SDA23PC2/TCK24PC3/TMS25PC4/TDO26PC5/TDI27PC628PC729AVCC30GND31AREF32PA7/ADC733PA6/ADC634PA5/ADC535PA4/ADC436PA3/ADC337PA2/ADC238PA1/ADC139PA0/ADC040U4ATMEGA16RSTRSTX2X1X2X1VCCGND12345678P1Header 8123P2Header 3 圖 32 AVR 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖 幅度控制電路 使用控制電壓與增益成線性關(guān)系的可編程增益放大器 PGA，用控制電壓和（ dB）成線性關(guān)系的可變增益放大器來實現(xiàn)增益控制，如圖 33 所示。用電壓控制增益，便于單片機(jī)控制，同時可以減少噪聲和干擾。 采用集成可變增益放大器 AD603 作增益控制。 AD603 是一款低噪聲、精密控制的可變增益放大器，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。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 共 24 頁 圖 33 AD603 增益控制原理圖 人機(jī)接口電路 本次設(shè)計中我們需要的按鍵有 0~9 數(shù)字鍵和占空比頻率設(shè)置功能鍵，用獨立按鍵做會占用較多的單片機(jī)接口，不能滿足設(shè)計要求，采用 4 4 矩陣鍵盤，節(jié)約單片機(jī)接口。如圖 34 所示。 數(shù)碼管具有顯示穩(wěn)定和亮度高等優(yōu)點，但由于本次要求顯示占空比和頻率，顯示的內(nèi)容較多，不宜采用數(shù)碼管。 LCD1602 液晶模塊能夠同時顯示 32 個數(shù)字或字母。采用液晶顯示完全滿足要求，并大大簡化硬件電路。如圖 35 所示。 圖 34 矩陣鍵盤 圖 35 液晶顯示 x2x1x3x4y1y2y3y4R1R2C334817265U1AD60334817265U2AD603C4C6C7C9C2100uFC1+5V5V100uFC10INOUTC5C8增益調(diào)節(jié)端增益調(diào)節(jié)端黎濤：基于占空比和頻率可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器 第 10 頁 共 24 頁 4 軟件設(shè)計 開發(fā)軟件 ICCAVR 介紹 由于本次設(shè)計使用的是 Ateml 公司 AVR 單片機(jī)，對單片機(jī)編程要用到專用編程軟件 ICCAVR。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 程序的一個工具， 使用方便、技術(shù)支持好 ，有以下幾個主要特點： 是一個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)筑也在這個環(huán)境中完成 錯誤顯示在狀態(tài)窗口中，并且當(dāng)你點擊編譯錯誤時，光標(biāo)自動跳轉(zhuǎn)到錯誤的那一行； 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 32 位的程序支持長文件名。 源文件全部被組織到工程之中， 文件的編輯和工程的構(gòu)筑也在這個環(huán)境中完成， 編譯錯誤顯示在狀態(tài)窗口中， 并且當(dāng)你用鼠標(biāo)單擊編譯錯誤時， 光標(biāo)會自動跳轉(zhuǎn)到編輯窗口中引起錯誤的那一行。 這個工程管理器還能直接產(chǎn)生您希望得到的可以直接使用的 INTEL HEX 格式文件 ， INTEL HEX 格式文件可被大多數(shù)的編程器所支持，生成的 HEX 文件就可以對 AVR 單片機(jī)燒錄。 軟件實現(xiàn) 該脈沖信號發(fā)生器軟件設(shè)計部分可分為主程序設(shè)計、鍵掃描設(shè)計和液晶顯示部分設(shè)計。下面主要對主程序設(shè)計和鍵掃描設(shè)計進(jìn)行介紹。 AVR 單片機(jī)工作模式介紹 AVR 單片機(jī)自帶 PWM 波產(chǎn)生功能，只要對 AVR 內(nèi)部的寄存器寄存器進(jìn)行設(shè)置即可， AVR 產(chǎn)生 PWM 波有多種方式，有快速 PWM 模式、相位修正 PWM 模式、相位頻率修正 PWM 模式，其中快速 PWM 模式產(chǎn)生的脈沖信號頻率能達(dá)到更高，相位修 正 PWM 模式占空比調(diào)整更精確，相位頻率修正 PWM 模式具有頻率和占空比調(diào)整精確，但產(chǎn)生頻率不高。要達(dá)到本次的頻率要求，則選擇快速 PWM 模式。 計數(shù)器從 BOTTOM 計到 TOP，然后立即回到 BOTTOM 重新開始。對于普通的比較輸出模式，輸出比較引腳 OC1x 在 TCNT1 與 OCR1x 匹配時置位，在 TOP 時清零；對于反向比較輸出模式，OCR1x 的動作正好相反。由于使用了單邊斜坡模式，快速 PWM 模式的工作頻率比使用雙斜坡的相位修正 PWM 模式高一倍。工作于快速 PWM 模式時， PWM 分辨率可固定為 9 或 10 位，也可由 ICR1 或 OCR1 定義。 PWM 分辨率位數(shù)可用下式計算： )2log ( )1log ( ?? T O PR F P W M （ ） 當(dāng)使用 OCR1A 或 ICR1 來定義 TOP 值時的快速 PWM 模式。圖中柱狀的 TCNT1 表示這是單邊斜坡操作。方框圖同時包含了普通的 PWM 輸出以及反向 PWM 輸出。 TCNT1 斜坡上的短水平線表示 OCR1x 和 TCNT1 的匹配比較。比較匹配后 OC1x 中斷標(biāo)志置位。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計（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 數(shù) 最 大 值 圖 41 快速 PWM 工作模式圖 計時器數(shù)值達(dá)到 TOP 時 T/C 溢出標(biāo)志 TOV1 置位。另外若 TOP 值是由 OCR1A 或 ICR1定義的，則 OC1A 或 ICF1 標(biāo)志將與 TOV1 在同一個時鐘周期置位。如果中斷使能，可以在中斷服務(wù)程序里來更新 TOP 以及比較數(shù)據(jù)。 工作于快速 PWM 模式時，比較單元可以在 OC1x 引腳上輸出 PWM 波形。設(shè)置 COM1x1:0 為2 可以產(chǎn)生普通的 PWM 信號；為 3 則可以產(chǎn)生反向 PWM 波形。產(chǎn)生 PWM 波形的機(jī)理是 OC1x 寄存器在 OCR1x 與 TCNT1 匹配時置位 ( 或清零 )，以及在計數(shù)器清零 ( 從 TOP 變?yōu)? BOTTOM) 的那一個定時器時鐘周期清零 ( 或置位 )。輸出的 PWM 頻率可以通過如下公式計算得到： )1( /_ T O PN fP WMOC OIc lknx ??? （ ） 變量 N 代表分頻因子 ( 6 256 或 1024)。 根據(jù) COM1x1:0 的設(shè)定，輸出恒為高電平或低電平。通過設(shè)定 OC1A 在比較匹配時進(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。這只適用于 OCR1A 用來定義 TOP值的情況 (WGM13:0 = 15)。 OCR1A 為 0(0x0000) 時信號有最高頻率 foc2 = fclk_I/O/2。這個特性類似于 CTC 模式下的 OC1A 取反操作，不同之處在于快速 PWM 模式具有雙緩沖。 主程序流程圖 首先開始對 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。然后就可以設(shè)定寄存器，設(shè)置波形的產(chǎn)生模式。頻率、占空比和幅度的預(yù)置值 通過鍵掃描得來，鍵掃描時，如果有鍵按下，才進(jìn)入預(yù)置模式，沒有鍵按下，則寄存器的值不改變，即波形不變，如圖 42 所示。 黎濤：基于占空比和頻率可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器 第 12 頁 共 24 頁 圖 42 主程序流程圖 鍵掃描程序流程圖 進(jìn)入鍵掃描后，要進(jìn)行功能選擇，本設(shè)計分為占空比、頻率和幅度調(diào)節(jié)，按下對應(yīng)的鍵則進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)定。占空比調(diào)節(jié)的最大位數(shù)為 2 位，范圍為 1%99%。頻率調(diào)節(jié)的最大位數(shù)為 6 位，范圍為 1Hz9999999Hz。幅度調(diào)節(jié)位 3 位，范圍為 。預(yù)置完成后，按下確定鍵，預(yù)置值生效，如圖 43 所示。 圖 43 鍵掃描流程圖 開始 初始化內(nèi)部寄存器 設(shè)定工作模式 鍵盤掃描 液晶顯示 有鍵按下 重設(shè)寄存器 輸出波形 重設(shè)幅度 Y N 鍵掃描開始 功能選擇 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（論文） 第 13 頁 共 24 頁 程序仿真 本設(shè)計的仿真在 PROTEUS ISIS 開發(fā)平臺上實現(xiàn)， Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的電路分析實物仿真系統(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)。 PROTEUS ISIS 能對硬件實物進(jìn)行軟仿真，功能強(qiáng)大，仿真結(jié)果基本接近實物效果。將電路原理圖在 ISIS中畫好后，將程序匯編后的 HEX 代碼裝載到單片機(jī)，仿真開始就可以看到仿真效果。下面對頻率和占空比調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真。 仿真開始后， LCD1602 液晶初始化顯示，單片機(jī)處于頻率和占空比輸入狀態(tài)，此時通過矩陣鍵盤調(diào)節(jié)占空比和頻率，在模擬示波器上顯示出波形。輸入頻率為 1KHz，占空比為 80%。如圖 44所示。在模擬示波器上讀出波形數(shù)據(jù)與液晶顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，判斷仿真是否正確。 圖 44 頻率和占空比調(diào)節(jié) 1 按下矩陣鍵盤的功能鍵后，重新調(diào)節(jié)頻率和占空比，輸入頻率為 100KHz，占空比為 50%，確定后，輸出波形將發(fā)生變化，如圖 45 所示。仿真圖的右下角可以讀出 模擬示波器每一格所代表的時間。