【正文】 由于 CPLD 內(nèi)部采用固定長(zhǎng)度的金屬線進(jìn)行各邏輯塊的互連，所以設(shè)計(jì)的邏輯電路具有時(shí)間可預(yù)測(cè)性，避免了分段式互連結(jié)構(gòu)時(shí)序不完全預(yù)測(cè)的缺點(diǎn)。 CPLD 主要是由可編程邏輯宏單元圍繞中心的可編程互連矩陣單元組成。是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 t++) { if( Pamp。 for(。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 t 3。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 AD9850_Delay()。 t++) { if( Famp。 //由傳入的頻率 F 計(jì)算出計(jì)數(shù)值 for(。 temp = temp * F。 河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 圖 AD9850控制字 串行模式下對(duì) 40 個(gè)數(shù)據(jù)位的寫入代碼如下： void WriteAD9850(long int F,char P) { long int t = 0。 DVDD6D31D22D13D04D7/Serial25D626D527D428W_CLK7FQ_UD8RESET22CLKIN9DVDD23AVDD11AVDD18DGND5DGND24AGND10AGND19QOUTB13QOUT14IOUT21VINP16R12VINN15NC17IOUTB20U302AD9850R303100KR304100KR305100RC303104R306200RC30422C30810C309C310L301470nHL302390nHL303390nHC30533C30622C30722R307200R30110kDVCC5DVCC5 AVCC5DDSDADDSCKDDUDR302FCntrO1NC1GND2OUT3VCC4U301120MHzDVCC5FCntrO2C301104C302104 圖 AD9850應(yīng)用電路圖 三、基于 AD9850 電路軟件設(shè)計(jì) 圖是控制字串行輸入的控制時(shí)序圖，在串行裝入方式中，通過總線 D7將數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在重復(fù) 40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， AD9850將自動(dòng)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。 圖 AD9850 串行輸出傳輸引腳配置圖 河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 考慮到本設(shè)計(jì)中單片機(jī)引腳資源有限，故采用了串行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。這 40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到 AD9850。 AD9850有 40位控制字， 32位用于頻率控制， 5位用于相位控制。 、 176。 、 45176。在 125MHz的時(shí)鐘下， 32位的頻率控制字可使 AD9850的輸出頻率分辨率達(dá) ；并具有 5位相位控制位，而且允許相位按增量 180176。將 DAC的輸出經(jīng)低通濾波后接到 AD9850內(nèi)部的高速比較器上即可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波。 (a)AD9850引腳 (b)AD9850內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 AD9850引腳和內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 AD9850采用 32位的相位累加器將信號(hào)截?cái)喑?14位輸入到查詢表，查詢表的輸出再被截?cái)喑?10位后輸入到 DAC， DAC再輸出兩個(gè)互補(bǔ)的電流。 范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。正弦查詢表包含一個(gè)正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中 0176。每來一個(gè)外部參考時(shí)鐘，相位寄存器便以步長(zhǎng) M遞加。 AD9850內(nèi)含可編程 DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。 二、基于 AD9850 電路硬件設(shè)計(jì) AD9850采用先進(jìn)的 CMOS工藝，其功耗在 時(shí)僅為 155mW，擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍為 40～ 80℃ ，采用 28腳 SSOP表面封裝形式。這個(gè)相位到幅度的轉(zhuǎn)換 事實(shí)上是一個(gè)查表的過程。比如當(dāng) DDS 選擇為 2Vpp 的輸出時(shí)， 45176。~360176。 河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 012nM（ 跳 轉(zhuǎn) 步 進(jìn) ） 圖 DDS相位步進(jìn)原理圖 相位 和 幅度 的轉(zhuǎn)換需要通過波形存儲(chǔ)器 ，用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲(chǔ)器的相位取樣地址，這樣就可把存儲(chǔ)在波形存儲(chǔ)器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。如果在時(shí)鐘作用下， 每次轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度 3602oN， 則可以產(chǎn)生一個(gè)頻率為 2cNf的正弦波的相位遞增量 ，此頻率為分辨率，可見，當(dāng) cf 為芯片所允許的最大 125MHz時(shí)候，具有最小的頻率分辨率 。平均分成了 2的 n=2N次等份。 DDS 正是利用了這一特點(diǎn)來產(chǎn)生正弦信號(hào)。 DDS 的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理如圖 所示 ，主要由相位累加器 (PHASE ACCUMULATOR)，波形存儲(chǔ)器和 DA轉(zhuǎn)換器組成 。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比， 因 DDS 技術(shù)有突出的特點(diǎn)，如輸出波形靈活且相位連續(xù)、頻率穩(wěn)定度高、輸出頻率分辨率高、頻率轉(zhuǎn)換速度快、輸出相位噪聲低、集成度高、功耗低、體積小等，使其在頻率合成源技術(shù)中被廣泛應(yīng)用 。 初 始 化定 時(shí) 器 1從 E E P R O M 中讀 取 頻 率產(chǎn) 生 波 形 ？修 改 頻 率 ？送 出 波 形是否裝 入 定 時(shí) 值是否開 始 圖 基于倍頻電路的軟件流程圖 河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 第三節(jié) 單片機(jī)及 DDS 設(shè)計(jì)方案 DDS 同 DSP（數(shù)字信號(hào)處理）一樣，是一項(xiàng)關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。 機(jī)器運(yùn)行的過程中，頻率是允許用戶調(diào)整的。當(dāng)系統(tǒng)開機(jī)，單片機(jī)需要初始化定時(shí)器，即設(shè)置分頻系數(shù)、計(jì)數(shù)值。本設(shè)計(jì)原理圖如圖 所示，預(yù)留了 12 25 512 可選分頻連接端口，以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的倍 頻數(shù)。以標(biāo)稱頻率為中心頻率，適當(dāng)?shù)耐ㄟ^頻率增減來實(shí)現(xiàn)調(diào)諧，根據(jù)系統(tǒng)需要，調(diào)諧過程中的頻率分辨率不能太大，本課題中，將頻率分辨率設(shè)定為中心頻率的 1%。 (a)R1 和 C1 與典型中心頻率關(guān)系 (b)R2 和頻率偏移關(guān)系 圖 74HC4046 參數(shù)設(shè)置 二進(jìn)制串行計(jì)數(shù)器 CD4060 內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖如圖，它具有 14 級(jí)計(jì)數(shù)，但只有 10 個(gè)計(jì)數(shù)輸出端。 圖 74HC4046內(nèi)部結(jié)構(gòu) 考慮到本課題的頻率要求，故設(shè)計(jì) PLL 能提供的波形頻率變化范圍為40k~2MHz。 74HC4046 是一款最大工作頻率能達(dá)到 12 MHz (VCC = )的鎖相環(huán)。令輸入信號(hào)頻率為 if ，把它加載到相位比較器的一端， VCO 輸出的信號(hào)經(jīng)過可預(yù)制分頻器 (N 分頻 )后輸出到相位比較器的另一端，這兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng) PLL 鎖定后，得到 oi ff N?， 移項(xiàng)有 oif Nf? ，達(dá)到了對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行 N倍頻的目的。同時(shí)，它的低噪聲跟蹤特性也得到人們的高度重視，發(fā)展越來越快，以至于今天被廣泛的應(yīng)用于無線電技術(shù)領(lǐng)域的各個(gè)方面?？梢姡灰h(huán)路設(shè)計(jì)恰當(dāng)，上述變化能使輸出信號(hào) ()out和輸入信號(hào) ()iut的頻率一致起來，最終兩者的頻率能完全一致，而兩者的相位差將保持某一恒定值，則環(huán)路低通濾波器的輸出為一個(gè)直流電壓， VCO 的頻率將停止變化，這時(shí)，環(huán)路處于“鎖定狀態(tài)”[12]。在環(huán)路濾波器的作用下，濾除 ()dut中的高頻成分和噪聲，輸出電壓 ()cut?；镜逆i相環(huán)是由鑒相器 (PD)，環(huán)路濾波器 (LF)和壓控振蕩器 (VCO)三部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 所示。 根據(jù)式 off 在課題所需的最低和最高頻點(diǎn)的相關(guān)參數(shù)，如表 : 表 128倍頻后的分頻系數(shù)和頻率步進(jìn)關(guān)系 1f X X +1 2f f? 2 f? /(1f +2f ) 40kHz 25600 25601 2Hz % 1000kHz 1024 1025 976Hz % 可見，通過倍頻之后，在課題需求的頻率段內(nèi)，頻率分辨率高很很多，完全能滿足課題的需求。 下面，對(duì)加單片機(jī)輸出信號(hào)加入倍頻電路后進(jìn)行理論分析。而在輸出高頻段， X 取值較小，此時(shí) f? 較大。 X +1=9，由 式 得A B 河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 對(duì)應(yīng)輸出頻率 2f =889kHz， f? =111kHz。 X +1=201，由式 得對(duì)應(yīng)輸出頻率 2f =， f? =200Hz。當(dāng)使用 8MHz 的晶體振蕩器作為 ATMEGA16 單片機(jī)的時(shí)鐘源時(shí)，即 mf =8MHz。以常用的單片機(jī) ATMEGA16 為例，它的定時(shí)器產(chǎn)生波形原理如圖所示河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 [1011]， 16 位的計(jì)數(shù)器 TCNT 在外部時(shí)鐘的作用下進(jìn)行累加，當(dāng)累加到波形中預(yù)設(shè)的 A 點(diǎn)時(shí)候，波形輸出腳復(fù)位，當(dāng)累加到預(yù)設(shè)的 B 點(diǎn)時(shí)，引腳置位。由上文可知，需要波形發(fā)生電路產(chǎn)生占空比約為 50%的方波。其次，本課題的還需要兼顧實(shí)驗(yàn)室研究的需要，故需要設(shè) 計(jì)的超聲功率波形發(fā)生器滿足如下條件 ： 頻率可調(diào)范圍為 40kHz～ 1MHz； 2 頻率步進(jìn)可達(dá)當(dāng)前頻率的 1%； 在驅(qū)動(dòng)全橋電路時(shí)，能加入死區(qū)時(shí)間控制以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定和安全。為弄清功率超聲的頻率與廢水處理效果之間的關(guān)系，本畢業(yè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)所在的課題組在前期開展了超聲降解模擬有機(jī)廢水 —— 對(duì)硝基苯酚（ pnitrophenol，簡(jiǎn)稱 PNP）溶液的頻率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究。 對(duì)一臺(tái)超聲功率源而言，對(duì)超 聲換能器所能提供的超聲頻率和功率是重要的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。其中化學(xué)因素有： 被處理溶液的 pH 值、初始濃度、 聲 化學(xué)反應(yīng)溫度等 ；物理因素有： 超聲的頻率、聲功率、聲強(qiáng)以及聲化學(xué)反應(yīng)器的物理結(jié)構(gòu)（實(shí)質(zhì)是聲場(chǎng)分布） 等。 河海大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 第三章 超聲功率源波形發(fā)生器設(shè)計(jì) 第一節(jié) 波形參數(shù)和設(shè)計(jì)難點(diǎn) 當(dāng)前眾多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者對(duì)超聲水處理技術(shù)進(jìn)行了研究。因此到底應(yīng)該選取怎樣的嵌入式操作系統(tǒng)和怎樣的嵌入式數(shù) 據(jù)庫(kù)，需要有經(jīng)驗(yàn)的人通過學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)，以起導(dǎo)向性的作用。 嵌入式操作系統(tǒng)和嵌入式數(shù)據(jù)庫(kù)的移植。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相對(duì)其他課題來說比較抽象，調(diào)試無線網(wǎng)絡(luò)更是一個(gè)不容易的工作。是本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。目前，本科階段的學(xué)生大部分設(shè)計(jì)的印刷電路板均能完成電路功能，但是穩(wěn)定性上欠佳。工作用的超聲換能器是一個(gè)變?nèi)莸呢?fù)載，設(shè)計(jì)一個(gè)能動(dòng)態(tài)匹配的調(diào)諧網(wǎng)絡(luò)是比較麻煩的，故為本課題的核心技術(shù)之一。需要通過理論分析、元器件的選取和實(shí)驗(yàn)的方法設(shè)能調(diào)整最佳死區(qū)時(shí)間的 D 類型功放，為本課題的核心技術(shù)之一。需要對(duì)比各類頻率合成技術(shù)，選取最適合的方案，為本課題的關(guān)鍵技術(shù)之一。 超聲水處理系統(tǒng)中智能語(yǔ)音與 LED 顯示裝置 在控制室的內(nèi)處，需設(shè)計(jì)一臺(tái)集語(yǔ)音和 LED 顯示為一體的裝置，系統(tǒng)的關(guān)鍵信息可以通過 LED 顯示屏顯示出來，智能語(yǔ)音系統(tǒng)還可以提供必要的語(yǔ)音提示。 五、控制室其他電子設(shè)備設(shè)計(jì) 為了保證超聲污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定、可靠的運(yùn)行，還需要給它買 一份“保險(xiǎn)”，如圖 所示 E 點(diǎn)放置有基于 RFID 的門禁系統(tǒng)、還有語(yǔ)音提示功能和 LED 大屏顯示。操作人員可以通過它查詢和修改各設(shè)備的工作狀態(tài)；在無人值守的狀態(tài)下，它也能通過事先設(shè)計(jì)的控制方案進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)中的各設(shè)備，以保證系統(tǒng)的健康。控制中心的設(shè)計(jì)可分為如下三個(gè)子課題： 超聲水處理系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì) 本課題中水質(zhì)監(jiān)測(cè)和污水處理裝置均通過無線節(jié)點(diǎn)與控制中心進(jìn)行信息交互的，在控制中心處，需設(shè)計(jì)一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，它的任務(wù)是維護(hù)整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的突發(fā)情況作出處理，匯集各傳感器節(jié)點(diǎn)的信息，以及向各個(gè)傳感器 節(jié)點(diǎn)發(fā)布控制命令。 四、控制中心設(shè)計(jì) 控制中心在本系統(tǒng)中擔(dān)當(dāng)“大腦”的角色，整個(gè)系統(tǒng)的反應(yīng)速度，反應(yīng)準(zhǔn)確度，以及信息發(fā)布的速度均影響該系統(tǒng)可靠性。該課題需要通過理論分析設(shè)計(jì)出一個(gè)穩(wěn)定的匹配網(wǎng)絡(luò)電路 [8]。 超聲水處 理裝置的匹配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì) 在壓電超聲換能器應(yīng)用中，匹配電路有很重要的作用：一是調(diào)諧匹配，即通過匹配電路調(diào)節(jié)換能器阻抗，使換能器盡量接近純阻狀態(tài)，減少無功分量；二是阻抗匹配，即改變換能器電路的阻抗，使之與電源達(dá)到阻抗匹配，保證換能器獲得最大的電功率。圖 中