【正文】 盡可能寬，頻率合成器中，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)是晶體振蕩器產(chǎn)生的．各種頻率信號(hào)是由數(shù)字式高頻鎖相環(huán)輸出的，寬頻帶是用下變頻的方法獲得的，而輸出頻率 的改變是利用單片機(jī)控制鎖相環(huán)的分頻比實(shí)現(xiàn)的，如圖 27 所示。環(huán)路芯片 CD4046 中設(shè)有程序分頻器和參考分頻器，可由單片機(jī)來(lái)編程控制。當(dāng)環(huán)路鎖定時(shí)，輸出頻率可由式 計(jì)算出： 式中： N 為程序分頻比 ,R 為參考分頻比， rf 為晶體振蕩器固定頻率 。 方案三、采用單片機(jī)加 FPGA 的技術(shù)方案。它是作為專用集成電路領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn) 。 目前 FPGA 中多使用 4 輸入的 LUT，所以每一個(gè) LUT 可以看成一個(gè)有 4 位地址線的 16x1 的 RAM。 此方案是利用了可編程邏輯器件的設(shè)計(jì)靈活，且資源豐富的特點(diǎn)，將控制 DDS 信號(hào)的接口電路由可編程邏輯器件實(shí)現(xiàn)，如此，單片機(jī)只需控制可編程邏輯器件，就間接實(shí)現(xiàn)了 DDS 信號(hào)的控制。 但此方案成本要求高，達(dá)到本設(shè)計(jì)要求，用 FPGA 做資源得不到充分利用。 AVR 單片機(jī)是 8 位的精簡(jiǎn)指令集單片機(jī)，它采用與 51 系列單片機(jī)不一樣的內(nèi)部結(jié)構(gòu)， 51 單片機(jī)的工作頻率要晶振 12 分頻后得到，而 AVR 單片機(jī)工作頻率不需要晶振分頻，這使 AVR 單片機(jī)較 51 單片機(jī)工作頻率更高。 綜上所述，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們選用方案四，方案四充分利用 AVR 單片機(jī)能產(chǎn)生 PWM 波的特點(diǎn)，頻率和占空比調(diào)節(jié)直接由 AVR 單片機(jī)完成，減少外圍硬件電路，降低了成本， AVR 單片機(jī)內(nèi)部都是通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)，因此維護(hù)和修改也比較方便。這種方案硬件電路簡(jiǎn)單，容 易實(shí)現(xiàn)，但由于數(shù)字電位器的調(diào)節(jié)階數(shù)太小，調(diào)節(jié)精度不高，而且要通過(guò)單片機(jī)預(yù)置幅度，不能達(dá)到精確控制。 AD603 的工作頻率較高，且工作噪聲較低，能很好的保證放大的信號(hào)不失真。 AD603 的增益控制是通過(guò) 1 腳輸入一個(gè)范圍在 +的控制電壓，這樣預(yù)置就比較方便，可以通過(guò)單片機(jī)控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器，送入控制電壓。 顯示方案 方案一：數(shù)碼管顯示具有顯示亮度高，顯示速度快等優(yōu)點(diǎn)，但數(shù)碼管只能顯示有限的符號(hào)和數(shù)字，本次我們要現(xiàn)在頻率、占空比和幅度，因此需要數(shù)碼管較多， 這樣硬件電路將變得很復(fù)雜，人機(jī)交互界面不夠人性化。 綜合考慮，分析兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本次我們選用方案二。 其中主脈沖產(chǎn)生和頻率占空比調(diào)節(jié)由 AVR 單片機(jī)完成，首先由 AVR 單片機(jī)產(chǎn)生一個(gè)頻率和占空比可獨(dú)立調(diào)節(jié)主脈沖信號(hào)，從單片機(jī)輸出后進(jìn)入幅度控制電路，對(duì)幅度進(jìn)行衰減或放大。 頻 率 調(diào) 節(jié)主 脈 沖占 空 比 調(diào) 節(jié)幅 度 控 制 整 形 輸 出L C D 顯 示矩 陣 鍵 盤A V R 單 片 機(jī) 圖 31 系統(tǒng)整體框圖 單片機(jī)最小系統(tǒng) AVR 內(nèi)核具有豐富的指令集和 32 個(gè)通用工作寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 本芯片是以 Atmel 高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)生產(chǎn)的。引導(dǎo)程序可以使用任意接口將應(yīng)用程序下載到應(yīng)用 Flash 存儲(chǔ)區(qū) (Application Flash Memory)。通過(guò)將 8 位 RISC CPU 與系統(tǒng)內(nèi)可編程的 Flash 集成在一個(gè)芯片內(nèi)。 ATmega16 具有一整套的編程與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具，包括： C 語(yǔ)言 編譯器、宏匯編、 程序調(diào)試器 /軟件仿真器、仿真器及評(píng)估板。其主要特點(diǎn)如下： ? 真正的 16 位設(shè)計(jì) (即允許 16 位的 PWM) ? 2 個(gè)獨(dú)立的輸出比較單元 ? 雙緩沖的輸出比較寄存器 ? 一個(gè)輸入捕捉單元 ? 輸入捕捉噪聲抑制器 ? 比較匹配發(fā)生時(shí)清除寄存器 ( 自動(dòng)重載 ) ? 無(wú)干擾脈沖，相位正確的 PWM ? 可變的 PWM 周期 ? 外部事件計(jì)數(shù)器 ? 4 個(gè)獨(dú)立的中斷源 (TOV OCF1A、 OCF1B 與 ICF1) 本次我們利用 AVR 單片機(jī)的 16 位定時(shí)計(jì)數(shù)器產(chǎn)生頻率和占空比可調(diào)的脈沖發(fā)生器。 10KR121212M20pFC4S1VCC10uFC320pFC5PB0/T01PB1/T12PB2/INT23PB3/OC04PB45PB56PB67PB78RESET9VCC10GCD11XTAL212XTAL113PD0/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?cè)鲆娣糯笃鱽?lái)實(shí)現(xiàn)增益控制，如圖 33 所示。 采用集成可變?cè)鲆娣糯笃?AD603 作增益控制。 2020 屆電子信息工程專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 共 24 頁(yè) 圖 33 AD603 增益控制原理圖 人機(jī)接口電路 本次設(shè)計(jì)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(dú)立按鍵做會(huì)占用較多的單片機(jī)接口，不能滿足設(shè)計(jì)要求，采用 4 4 矩陣鍵盤，節(jié)約單片機(jī)接口。 數(shù)碼管具有顯示穩(wěn)定和亮度高等優(yōu)點(diǎn)，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。采用液晶顯示完全滿足要求，并大大簡(jiǎn)化硬件電路。 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(hào)發(fā)生器 第 10 頁(yè) 共 24 頁(yè) 4 軟件設(shè)計(jì) 開(kāi)發(fā)軟件 ICCAVR 介紹 由于本次設(shè)計(jì)使用的是 Ateml 公司 AVR 單片機(jī)，對(duì)單片機(jī)編程要用到專用編程軟件 ICCAVR。 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(gè)環(huán)境中完成， 編譯錯(cuò)誤顯示在狀態(tài)窗口中， 并且當(dāng)你用鼠標(biāo)單擊編譯錯(cuò)誤時(shí)， 光標(biāo)會(huì)自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到編輯窗口中引起錯(cuò)誤的那一行。 軟件實(shí)現(xiàn) 該脈沖信號(hào)發(fā)生器軟件設(shè)計(jì)部分可分為主程序設(shè)計(jì)、鍵掃描設(shè)計(jì)和液晶顯示部分設(shè)計(jì)。 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(duì) 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(hào)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。 計(jì)數(shù)器從 BOTTOM 計(jì)到 TOP，然后立即回到 BOTTOM 重新開(kāi)始。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。 PWM 分辨率位數(shù)可用下式計(jì)算： )2log ( )1log ( ?? T O PR F P W M （ ） 當(dāng)使用 OCR1A 或 ICR1 來(lái)定義 TOP 值時(shí)的快速 PWM 模式。方框圖同時(shí)包含了普通的 PWM 輸出以及反向 PWM 輸出。比較匹配后 OC1x 中斷標(biāo)志置位。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(gè)時(shí)鐘周期置位。 工作于快速 PWM 模式時(shí)，比較單元可以在 OC1x 引腳上輸出 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(shí)置位 ( 或清零 )，以及在計(jì)數(shù)器清零 ( 從 TOP 變?yōu)? BOTTOM) 的那一個(gè)定時(shí)器時(shí)鐘周期清零 ( 或置位 )。 根據(jù) COM1x1:0 的設(shè)定，輸出恒為高電平或低電平。這只適用于 OCR1A 用來(lái)定義 TOP值的情況 (WGM13:0 = 15)。這個(gè)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。然后就可以設(shè)定寄存器，設(shè)置波形的產(chǎn)生模式。 黎濤：基于占空比和頻率可調(diào)的脈沖信號(hào)發(fā)生器 第 12 頁(yè) 共 24 頁(yè) 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(jì)分為占空比、頻率和幅度調(diào)節(jié)，按下對(duì)應(yīng)的鍵則進(jìn)入相應(yīng)的設(shè)定。頻率調(diào)節(jié)的最大位數(shù)為 6 位，范圍為 1Hz9999999Hz。預(yù)置完成后，按下確定鍵，預(yù)置值生效，如圖 43 所示。 PROTEUS ISIS 能對(duì)硬件實(shí)物進(jìn)行軟仿真，功能強(qiáng)大，仿真結(jié)果基本接近實(shí)物效果。下面對(duì)頻率和占空比調(diào)節(jié)進(jìn)行仿真。輸入頻率為 1KHz，占空比為 80%。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(duì)比，判斷仿真是否正確。仿真圖的右下角可以讀出 模擬示波器每一格所代表的時(shí)間。 AVR 單片機(jī)產(chǎn)生的信號(hào)，脈沖信號(hào)占空比為 50%，幅度為 5V。 如表 52 表 52 占空比調(diào)節(jié)測(cè)試 1KHz 100KHZ 1MHZ 預(yù)置占空比 輸出占空比 誤差 預(yù)置占空比 輸出占空比 誤差 預(yù)置占空比 輸出占空比 誤差 1% 1% 0 1% 1% 0 1% 1% 0 10% 10