【正文】 z，因此芯片后級濾波器需設(shè)計成無源低通濾波器。但由于受到運放帶寬的限制，有源濾波器的濾波頻帶一般不是很高。濾波器可以分為有源 和無源濾波器。 其接口電路如圖 33 所示。 和時鐘電路 圖 32（ a） 和 復(fù)位電路 圖 32（ b） ： 圖 32(a) 時鐘電路原理圖 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 18 S 17S W P BR 1410KR S T 圖 32(b) 復(fù)位電路原理圖 LCD 接口電路設(shè)計 LCD 選用 Hlz0112864 顯示模塊 ??14 ， 液晶采用串行方式發(fā)送數(shù)據(jù)與單片機的三個I/O 口連接 A A A3，用 I/O 口模擬時序?qū)懭氲?LCD 里。在本系統(tǒng)中，單片機的復(fù)位是靠外部電路實現(xiàn)的，在時鐘電路工作后，只要在 C8051F020的 /RST引腳上加一個有效的低電平信號，單片機便實現(xiàn)初始化狀態(tài)復(fù)位。為了使 LM317輸出 +，對 R2的電阻值進行計算，并通過在面包板上實際調(diào)節(jié)，最終得到 R2值為 230 Ω 時 ， 可滿足輸出要求。 在三端穩(wěn)壓塊的輸入端接有 1000uF的電容，是為抵消輸入時的電感效應(yīng)，以防止穩(wěn)壓塊產(chǎn)生自激振蕩，保證正常工作。其中MC7805， MC7815和 MC7915集成塊輸出電壓為固定值，即集成塊名的后兩位， 78系列 17 輸出為正電壓， 79系列輸出為負電壓。 選擇常用的三端穩(wěn)壓塊，其內(nèi)部電路由基準電路、比較電路、調(diào)整電路、采樣電路、保護電路等組成，外部電路簡單，用于直流穩(wěn)壓。由于整流的每個二極管都是半相通，半相不通，所以其反向耐壓值要求 很高，為留有一定余量，選用 50V。 整流橋的作用是利用單向?qū)щ娦阅艿陌雽?dǎo)體二極管，將正負交替的正弦交流電壓變換成單方向的脈動電壓 ??13 。選用南京首圣電子公司的三抽頭變壓器，抽頭在次級線圈的中心 位置，初級為 220V次級為 士12V。 15V電源設(shè)計圖 圖 3l(b) +5V電源設(shè)計圖 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 16 圖 3l(c) + 本系統(tǒng)中所需電源電壓為直流電壓，最高值為 15V，穩(wěn)壓塊壓降為 2V，所以穩(wěn)壓前直流電壓為 士 17V。 系統(tǒng)部件設(shè)計 電源設(shè)計 本系統(tǒng)是多電源系統(tǒng)，使用四種共地電源 ： +5V， +， +15V， 15V，其中 ：液晶顯示模塊 Mlz011286串口通信芯片 MAX232等需要 +5V的供電電壓，如圖 3l(b)；單片機 C8051F0 DDS芯片 AD9850需要 + ??11 ， 如圖 31(c)； 運放芯片MAX437需要 +15V、 15V的供電電壓 ， 如圖 3l(a)。 (8)在考慮硬件總體結(jié)構(gòu)的同時要注意通用性的問題。驅(qū)動能力不足時，系統(tǒng)工作不可靠，解決的辦法是增加驅(qū)動能力，增設(shè)線驅(qū)動器或減少芯片功耗，降低總線負載。 (5)可靠性及抗干擾性設(shè)計是硬件系統(tǒng)設(shè)計不可缺少的部分，它包括芯片、器件選擇，去耦濾波等。 (4)整個系統(tǒng)中相關(guān)的器件要盡可能做到性能匹配，例如選用的晶振頻 率較高時，存貯器的存取時間有限，就該選擇允許存取速度較高的芯片。但必須注意，由軟件實現(xiàn)的硬件功能，其響應(yīng)時間要比直接用硬件響應(yīng)來的長，而且占用 CPU 時間。 (3)硬件結(jié)構(gòu)應(yīng)結(jié)合應(yīng)用軟件方案一并考慮。 系統(tǒng)的擴展和模塊設(shè)計應(yīng)遵循下列原則 ??10 ： (1)盡可能選擇標準化、模塊化的典型電路，提高設(shè) 計的成功率和結(jié)構(gòu)的靈活性。 13 圖 22 總體結(jié)構(gòu) 框 圖 LCD 顯示模塊 4 4 鍵盤 上位機 PC 控制模塊 C8051F020 單片機 串口通信 MAX232 DDS 模塊 AD9850 低通濾波和放大模塊 波 形 輸 出 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 14 第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計 單片機應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計包含兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元（如 ROM、 I/O、定時 /計數(shù)器等）容量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當?shù)男酒?，設(shè)計適當?shù)碾娐贰＿€可以通過 MAX232 和上位機 PC 聯(lián)系，也可以用 LCD 進行顯示。AD9850的參考時鐘頻率一般遠高于單片機的時鐘頻率，因此 AD9850的復(fù)位（ RESET）端可與單片機的復(fù)位端直接相連。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，當移動40位后，用一個 FQUD脈沖即可更新輸出頻率和相位。這 40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到 AD9850，在并行裝入方式中，通過 8位總線 A0～ A7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），同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器。 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的時鐘下， 32位的頻率控制字可使 AD9850的輸出頻率分辨率達 ,并具有 5位相位控制位，而且允許相位按增量 180176。輸出的正弦波周期 MNtt c /20 ? ，頻率 NfMf cout ? ， ct 、 cf 分別為外部參考時鐘的周期和頻率。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號， 然后驅(qū)動 DAC以輸出模式量。～ 360176。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上?？删幊?DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由一個加法器和一個 N位相位寄存器組成， N一般為 24～ 32。 AD9850的引腳排列如 下 圖 21所示。美國 AD公司推出的高集成度頻率合成器 AD9850便是采用 DDS技術(shù)的典型產(chǎn)品之一 ??9 。 綜上所述， 為了達到高精度，高穩(wěn)定的正弦信號輸出 ， 我們選擇了第三 種方案 。 方案二，電路結(jié)構(gòu)簡單，但在頻率分辨率、頻率變換時間、相位 噪聲 等方面都不如方案三。 它高精度并且非常穩(wěn)定能產(chǎn)生任意 波形并達到很高的頻率 （ AD9850 最高為 125MHz） ，缺點是 成本較高 ??7 。早期的函數(shù)信號發(fā)生器 IC，如 ： L803 BA20 XR2207/2209 等，功能較少，精度不高，頻率上限只有 300kHz，無法產(chǎn)生更高頻率的信號，調(diào)節(jié)方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者互相影 ??8 。 但是結(jié)構(gòu)簡單，價格非常便宜。 信號發(fā)生器的方案選擇 方案一 ： 用分立元件組成的函數(shù)發(fā)生器。在一個芯片內(nèi)集成了兩個多通道 ADC子系統(tǒng)、兩個電壓輸出 DAC、兩個電壓比較器、電壓基準、 Sambas/I 2C總線接口、 UART、 SPI總線接口、 5個通用的 16位定時器、一個具有 5個捕捉 /比較模塊的可編程的計數(shù)器 /定時 9 器陣列、內(nèi)部振蕩器、 8個 8位通用數(shù)字 I/O端口和 64 Kb的 FLASH程序存儲器以及與 8051兼容的高速微控制器內(nèi)核。 C8051F的 JTAG接口不僅支持 FLASH ROM的讀 /寫操作及非侵入式 在系統(tǒng)調(diào)試，而且它的 JTAG邏輯還為在系統(tǒng)測試提供邊界掃描功能。引入 JTAG接口將使 8位單片機傳統(tǒng)的仿真調(diào)試實現(xiàn)徹底的變革。他的最大時鐘工作頻率是 25MHz。平均每個時鐘可以執(zhí)行完1條單周期指令。 ● 速度優(yōu)勢 Cigna公司在提升 8051速度上采取了新的途徑，推出了 CIP51的 CPU模式。 Intel公司的 51系列一般都工作在 5V， Atmen公司的 AT98C51也是 5V正常運行，最低不能低于 4V，所以都不滿足要求。 C8051F020的優(yōu)點如下 ??7 ： ● 合適的工作電壓 AD9850正常工作電壓是 ，接受的數(shù)字電平也不能超過其電源電壓。除此之外，該芯片中還集成了 12 位的 ADC 和 DAC，方波發(fā)生器，這樣算下來的話， 也貴不了多少。與以前的 51 系列單片機相比， C8051F020 增添了許多功能，同時其可靠性和速度也有了很大提高 ??7 。其中的 C8051F020 單片機含有 64kB 片內(nèi) Flash 程序存儲器，4352B 的 RAM、 8 個 I/O 端口共 64 根 I/O 口線、一個 12 位 A/D 轉(zhuǎn)換器和一個 8 位 A/D轉(zhuǎn)換器以及 2 個 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器、 2 個比較器、 5 個 16 位通用定時器、 5 個捕捉 /比較模塊的可編程計數(shù) /定時器陣 列、看門狗定時器、 VDD 監(jiān)視器和溫度傳感器等部分 。片內(nèi)含 CIP－51 的 CPU 內(nèi)核， 它采用先進的流水線結(jié)構(gòu) RISC 來執(zhí)行指令， 速度飛快。 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器、1000 次擦寫周期、全靜態(tài)操作： 0Hz～ 33Hz 、三級加密程序存儲器、 32 個可編程 I/O 口線、三個 16位定時器 /計數(shù)器八個中斷源 、全雙工 UART 串行通道、低功耗空閑和掉電模式、掉電后中斷可喚醒 、看門狗定時器 ??6 。 系統(tǒng)方案設(shè)計 單片機選 擇 方案一：采用傳統(tǒng)的 MCS— 51 系列單片機，比如 AT89S52。 （ 12） LCD 顯示程序。 （ 10） 三角波發(fā)生程序。 軟件部分 ： （ 8）中斷鍵盤程序。 （ 6） LCD 顯示模塊。 （ 4） 單片機與 DDS 芯片 AD9850 的接口電路。 （ 2） 44 的 16 位矩陣鍵盤。此系統(tǒng)具有的功能如下： 硬件部分 ： （ 1）單片機所需的平穩(wěn) 的 和 5V 以及 177。第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 6 第 2 章 系統(tǒng)總體方案設(shè)計 系統(tǒng)分析 問題定義 基于單片機的信號發(fā)生系統(tǒng)是一個實際應(yīng)用系統(tǒng)，可 為相關(guān)實驗及實際應(yīng)用提供支持。 (2) 系統(tǒng)的硬件設(shè)計 ： 完成系統(tǒng)的硬件總體 電路圖的 設(shè)計，對具體實現(xiàn)電路進行詳細的分析和設(shè)計，并就實際設(shè)計中出現(xiàn)的問題提出了處理的方法。對 DDS的工作原理和優(yōu)缺點做了簡單的介紹和分析。整個系統(tǒng)以 C8051F020單片機控制， DDS芯片 AD9850為核心，配置相應(yīng)的外設(shè)及接口電路，用 C語言開發(fā)，組成一 個多功能信號發(fā)生器。 5 本文研究的內(nèi)容 本論文的任務(wù)是根據(jù)信號發(fā)生器的特點和應(yīng)用情況，結(jié)合新一代高性能 DDS芯片AD9850和新一代高性能片上系統(tǒng)級單片機 C8051F020設(shè)計一種使用簡單、性能優(yōu)良的信號發(fā)生器。 在實際應(yīng)用中，超低頻波和高頻波一般是不用的，一般用中頻，即幾十赫茲到幾千赫茲。 用以上原理設(shè)計的信號發(fā)生器，其輸出波形一般只有兩種，即正弦波和脈沖波，其零點不可調(diào)。 超高頻信號發(fā)生器： 產(chǎn)生波形一般用 LC 振蕩電路。 低頻：頻率范圍為幾十赫茲到幾千赫。 信號發(fā)生器的分類 目前，市場上的信號發(fā)生器多種多樣，一般按頻帶分為以下幾種 ??5 ： 超高頻：頻率范圍 1MHz以上，可達幾十兆赫茲。利用信號發(fā)生器輸出的信號，可以對元器件的性能及參數(shù)進行測量， 還可以對電工和電子產(chǎn)品整進行指數(shù)驗證、參數(shù)調(diào)整及性能鑒定。另外，當要求進行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。它是一種為電子測量和計量工作提供符合嚴格技術(shù)要求的電信號設(shè)備。與此同時，各類信號發(fā)生器在簡化機械結(jié)構(gòu)，體積小型化、功能多樣 化等各方面也取得了顯著的進展。直到 1964年才出現(xiàn)了第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。隨著通信和雷達技術(shù)的發(fā)展，四十年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機的標準信號發(fā)生器，使信號發(fā) 生器從定性分析的測試儀器成為定量分析的測量儀器，同時，還出現(xiàn)了可用來測試脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號發(fā)生器。 信號發(fā)生器的發(fā)展與應(yīng)用 信號發(fā)生器是一種歷史最為悠久的測量儀器 ??4 。 （ 5）一般單片機內(nèi)無監(jiān)控程序或系統(tǒng)通用管理軟件，只放置有用戶調(diào)試好的應(yīng)用程序。 （ 4）控制功能強 ： 為了滿足工業(yè)控制要求，一般單片機的指令系統(tǒng)中具有極豐富的條件分支轉(zhuǎn)移指令、 I/O 口的邏輯操作以及位處理功能。 （ 3）易擴展 ： 片內(nèi)具有計算機正常運行所必需的部件。 單片機的性能特點 單片機具有以下特點 ??3 ： （ 1）受集成度限制，片內(nèi)存儲容量較小，一般 8 位單片機的 ROM 小 于 4/8K 字節(jié)，RAM 小于 256 字節(jié)，但可在外部擴展，通常 ROM、 RAM 可分別擴展至 64K 字節(jié)。單片機已經(jīng)進入一個嶄新的階段 。例如 Mostek公司的 MK6800、 Intel公司的 MCS96 等。廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、外部設(shè)備控制、宏觀控制、局部網(wǎng)絡(luò)及家用計算機中。以 Intel公司的 MCS51， Motorola公司的 6801 和 Zilog公司的 Z8 等為代表。 第二階段： 1974～ 1978 年，初級單片機階段，以 Intel 公司的 MCS48 為代表， 8位單片機。正是針對上述種種要求而設(shè)計的單片機自然成為機電一體化控制器的最佳選擇。機電一體化產(chǎn)品要實現(xiàn)電器控制的實時性、高可靠性、第 1 章 引言 2 可編程和一定的人工智能。 近年來，在國際上出現(xiàn)了 Mechanics和 electronics復(fù)合而成的 Mechtroni