【正文】 波、貝賽爾濾波和橢圓濾波等 ??15 。巴特沃什低通濾波器的通 帶和阻帶都是平坦的，但是其過渡帶太過平緩 ； 切比雪夫低通濾波器的通帶是等波紋抖動(dòng)的，阻帶是平坦的，過渡帶比巴特沃什稍陡 ； 貝賽爾低通濾波器和切比雪夫低通剛好相反，通帶平坦，阻帶是等波紋抖動(dòng)的 ； 橢圓低通濾波器的通帶和阻帶都是抖動(dòng)的，但是其過渡帶下降迅速，過渡帶很窄。在本系統(tǒng)中，為了使輸出信號(hào)頻率最高 80MHz時(shí)能夠最低程度的降低 AD9850內(nèi) 部系統(tǒng)時(shí)鐘 125MHz的干擾，采用了具有較窄過渡帶特性的橢圓濾波器，并采用 7階橢圓低通濾波。根據(jù)系統(tǒng)要求輸出信號(hào)的頻率可達(dá) 80MHz，設(shè)定其通帶為 80MHz，且 7階濾波具有下 降速度更快的過渡帶，可以有效的濾 100MHz以上的高頻擾。 本系統(tǒng)中設(shè)計(jì)輸出信號(hào)的幅度范圍為 ～ 20V。首先計(jì)算 AD9850輸出信號(hào)的幅度。以輸出典型值 10mA外接電阻 500為準(zhǔn)，得信號(hào)幅度為 ，達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，因此需要對(duì)輸出信號(hào)的幅度進(jìn)行放大。信號(hào)的放大電路由可控增益放大器 MAX437組成。 MAX437高精度低噪聲，尤其是在閉環(huán)增益為 5或更大時(shí)性能表現(xiàn)穩(wěn)定， 80MHz的頻帶寬度也能滿足所需。 MAX437控制的增益倍數(shù)與其外圍電路有關(guān)，通過調(diào)節(jié)電位器可以對(duì)信號(hào)輸出幅度起到調(diào)節(jié)的作用。在本系統(tǒng)中， MAX437的輸入端口為經(jīng)過低通濾波的 AD9850輸出信號(hào)。根據(jù)公式 ??4 ： 120 /1/ RRVVA Lv ??? （ 31） vA （ 電壓放大倍數(shù) ）、 0V （ 輸出電壓 ）、 LV （ 輸入電壓 ）、 1R （ 為輸入電阻 ）、 2R （ 反饋電阻 ） ， AD9850的輸出電壓大概為 ，電壓放大后的最高值為 20V， MAX437的輸入電阻為 IK，則可計(jì)算出反饋電阻至少為 39K?？紤]到 MAX437的輸出最高電壓為 15V，而指標(biāo)要求為 20V，故此處使用 40K的電位器，可以對(duì)放大倍數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)。 本系統(tǒng)中 電路的第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 20 電壓增益放大范圍為 0dB～ 32dB，經(jīng)過計(jì)算，設(shè)計(jì)的運(yùn)算放大電路的輸出幅度范圍理論上達(dá)到了所要求的 ～ 20V。 濾波電路如 圖 3 功率放大電路如圖 35所示。 C1C216pFC3L1132nHL2111nHL3109nHC8C969pFC 1064pFC 11I O U T 2 圖 34 濾波電路 o f f ncn c v c ci n + outgndM A X 4 3 7R 1 6R 1 7 1 5 VC 1 3100pFC 1 2100pF + 1 5 VOUT1KR 1 8INV C C 圖 35 功率放大電路 串口電路設(shè)計(jì) RS232是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用于計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間，計(jì)算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通信。該標(biāo)準(zhǔn)的目的是定義數(shù)據(jù)終端設(shè)備之間的電氣特性。 RS232提供了單片機(jī)與單片機(jī)、單片機(jī)與 PC機(jī)之間串行數(shù)據(jù)通信的標(biāo)準(zhǔn)接口，通信距離可達(dá) 15m。由于RS232電路電平與 TTL電平不同，因此 RS232驅(qū)動(dòng)器與 TTL電平連接時(shí)必須經(jīng)過電平轉(zhuǎn) 21 換，本系統(tǒng)采用 MAXIM公司的 MAX232來完成這一功能。 MAX232芯片包含兩路接收器和驅(qū)動(dòng)器，內(nèi)部有一個(gè)電源電壓轉(zhuǎn)換器，可以把輸入的 +5V電壓變換為 RS232輸出電平所需的 10V～ +10V電壓。所以采用此芯片接口，串行通信系統(tǒng)只需單一的 +5V電源就可以了。串口通訊接口電路連接如圖 36所示。 1234567891110J11 23 45 67 89 1011 1213 1415 16M A X 2 3 2T 2 O U TR 2 I NT 1 O U TR 1 I NT 1 I NR 1 O U TT 2 I NR 2 O U TC 1 +C 1 C 2 +C 2 GNDVV+V C CC410uFC510uFC710uFC610uF+ 5 V 圖 36 串口電路原理圖 C8051F020有一個(gè)全雙工的串行通訊口，可以通過 MAX232與 PC進(jìn)行交互。采用三線制連接串口，即 9針串口只連接其 3根線 ： 第 2腳的 IN與 MAX232的 T1OUT(Pin 14)連接，第 3腳的 OUT與 MAX232的 （ Pin 13） 連接， 第 5腳的 GND接地。 MAX232的 T1取引腳 (Pin 21)和單片機(jī) C8051F020的 TXD引腳 (Pin 11)連接， R1 OUT引腳 (Pin 12)和 C8051F020的RXD引腳 (Pin 10)連接。 MAX232的其它引腳連接法如下 ： V 引腳 (Pin 6)與 GND引腳(Pin 15)接地， V+引腳 (Pin 2)與 VCC引腳 (Pin 16)接 +5V電源， 其中 VCC， V， V+對(duì)地加，提高抗干擾能力 ??1 。 單片機(jī)與 DDS 芯 片接口電路設(shè)計(jì) 信號(hào)的產(chǎn)生與控制部分電路由單片機(jī) C8051F020與 DDS芯片 AD9850組成，用戶通過鍵盤輸入的信號(hào)要求被 C8051F020接收，并經(jīng)其處理后將計(jì)算出的控制字傳送給AD9850，由 AD9850產(chǎn)生頻率可控的信號(hào)。下面以 AD9850為中心，對(duì)參考時(shí)鐘源、芯第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 22 片控制方法等問題加以討論 。 AD9850有兩種與微機(jī)并行打印口相連的評(píng)估版，并配有 Windows下運(yùn)行的軟件，可以作為應(yīng)用參考，但運(yùn)用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì) DDS的控制與微機(jī)實(shí)現(xiàn)的控制相比，具有編程控制簡便、接口簡單、成本低，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化等優(yōu)點(diǎn) ，因此普遍采用 MCS51單片機(jī)作為控制核心來向 AD9850發(fā)送控制字 ??9 。 單片機(jī)與 AD9850的接口既 可用 并行方式，也可采用串行方式，但為了充分發(fā)揮芯片的高速性能，應(yīng)在單 片機(jī)資源允許的情況下盡可能選擇并行方式，本文介紹并行方式的接口，其電路圖為圖 37： 圖 37 單片機(jī)和 AD9850的接口電路 23 4 4 鍵盤電路 正弦波1方波2三角波3鋸齒波45 6 7 89刪除0頻率.S hi f t確認(rèn)P P P P P 圖 38 鍵盤電路原理圖 印制電路板的設(shè)計(jì) 整個(gè)系統(tǒng)所用的元器件都安排在一塊印刷電路板上，芯片既有直插式 ，也有貼片式，采用手動(dòng)布局，布線采用最短路徑規(guī)則，自動(dòng)布線和手動(dòng)調(diào)整相結(jié)合。在設(shè)計(jì)及布板中，需要注意的是 ??16 ： 印刷板上電路出現(xiàn)電磁干擾的問題，通常都是因?yàn)殡娫淳€和地線上的噪聲電壓，它不僅會(huì)造成電路工作不正常，還會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射。為了減小這些干擾，處理方法為 ： 在印制電路板的電源輸入端跨接 1000uF的電解電容，在 VCC與電源地之間放置一個(gè) 。地線與電源線加粗，寬度達(dá)到 40mil。盡量采取減小地線的阻抗，縮短走線長度 等方法。 對(duì)于多層板，往往專門設(shè)置一層地平面，但是，多層板的成本較高，而采用在雙面板上作地線網(wǎng)格的方法能獲得幾乎相同的方法。良好的接地對(duì)高頻電路來講尤為重要。為了減小地線電感，本印制板設(shè)計(jì)中采用的是多點(diǎn)接地法，來盡量增大接地面積，接地線盡量短以減小電感。對(duì)于電路板上上下兩層的空余面積，采取地網(wǎng)鋪銅的形式，第 3 章 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 24 并在空處打幾個(gè)過孔使兩層的地網(wǎng)保持電平一致。 由于系統(tǒng)既有數(shù)字器件又有模擬器件，所以產(chǎn)生了很多數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)?；旌闲盘?hào)電路 PCB的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，元器件的布局、布線以及電源 和地線的處理將直接影響到電路性能和電磁兼容性能。因此在進(jìn)行 PCB設(shè)計(jì)時(shí)，在器件的布局上，遵循數(shù)字器件和模擬器件分開擺放，輸出模擬信號(hào)線最短輸出、輸入模擬信號(hào)線最短輸入、模擬器件的模擬地以最短距離到地的原則。數(shù)字集成電路的多余輸入管腳閑置時(shí)處于懸空狀態(tài)，從邏輯觀點(diǎn)來看，與“ 1”的輸入狀態(tài)的邏輯關(guān)系一樣，由于開路的輸入端有很高的輸入阻抗，因此容易受到外部的電磁干擾，所以應(yīng)對(duì)元器件的空余輸入管腳采用處理措施以防止干擾。一種方法為將閑置輸入端與使用輸入端并聯(lián)，方法簡單，但是增加了前級(jí)電路的輸出負(fù)擔(dān) ； 另一種方法為將閑 置輸入端通過電阻上拉到高電平 。第二種方法簡單易行，因此在電路設(shè)計(jì)中對(duì)元器件空余的輸入管腳均上拉到了高電平。 布線時(shí)，數(shù)據(jù)線、地址線和控制線盡量縮短，以減小對(duì)地的分布電容 ： 而且其長短和走線方式盡量一致，以免造成各線阻抗差異過大，使信號(hào)達(dá)到終端時(shí)波形差異很大，形成非同步干擾。由于電路板的一個(gè)過孔會(huì)帶來大約 10pF的電容效應(yīng)，這對(duì)于高頻電路，將會(huì)引入太多的干擾，所以在布線時(shí)，盡可能地減少過孔的數(shù)量，而且過多的過孔也會(huì)造成電路板的機(jī)械強(qiáng)度降低。本板采用雙面走線，所以兩面的線盡量垂直，以 防止總線間的電磁串?dāng)_。避免在高速器件 DDS下方走線，以免把噪聲耦 合至芯片內(nèi)部。在線路板的邊緣，信號(hào)線或電源線上的電流會(huì)產(chǎn)生更強(qiáng)的輻射，為了避免這種情況的發(fā)生，關(guān)鍵信號(hào)線不要太靠近線路板的邊緣。 25 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 軟件總體設(shè)計(jì) 本章我們將介紹系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。系統(tǒng)中控制軟件占有很重要的地位。它不僅要產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)，控制波形的發(fā)生，還要和 PC機(jī)的通訊以及顯示、鍵盤的控制，因此系統(tǒng)軟件的好壞直接決定著系統(tǒng)的功能和穩(wěn)定。本系統(tǒng)在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)用的是 K51,K51是基于Windows平臺(tái)下的集成調(diào)試環(huán)境，支持軟 件仿真和硬件仿真。它集成了編輯器、編譯器、調(diào)試器，源程序編輯、編譯、下載、調(diào)試全部可以在一個(gè)環(huán)境下完成。有豐富的窗口顯示方式，多方位，動(dòng)態(tài)地展示仿真的各種過程，使用極為便利。 C8051F020的初始化程序用 C8051F020專門的初始化配置 軟件 Config8來生成。 應(yīng)用系統(tǒng)中的應(yīng)用軟件是根據(jù)系統(tǒng)功能要求設(shè)計(jì)的，應(yīng)該可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。一個(gè)優(yōu)秀的應(yīng)用系統(tǒng)的軟件應(yīng)具有下列特點(diǎn) ??1 ： （ 1）根據(jù)軟件功能要求，將系統(tǒng)軟件分成若干個(gè)相對(duì)獨(dú)立的部分。設(shè)計(jì)出軟件的 總體結(jié)構(gòu)，使其結(jié)構(gòu)清晰、簡捷、流程合理。 （ 2）要樹立結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)風(fēng)格，各功能程序?qū)崿F(xiàn)模塊化、子程序化。既便于調(diào)試、鏈接，又便于移植、修正。 （ 3）建立正確的數(shù)學(xué)模型。即根據(jù)功能要求，描繪出各個(gè)輸入和輸出變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，它是關(guān)系到系統(tǒng)性能好壞的重要因素。 （ 4）為提高軟件設(shè)計(jì)的總體效率，以簡明、直觀的方法對(duì)任務(wù)進(jìn)行描述，在編寫應(yīng)用軟件之前，應(yīng)繪制出程序流程圖。 （ 5）要合理分配系統(tǒng)資源，包括 ROM、 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷資源等。 （ 6）注意在程序的有關(guān)位置處寫上功能注釋，提高程序的可讀性。 （ 7）加強(qiáng)軟件抗干擾設(shè)計(jì)，它是提高計(jì)算機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)可靠性的有利措施 。 本系統(tǒng)的軟件包括以下幾個(gè)程序模塊： 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 26 （ 1） 主程序模塊。 （ 2）鍵盤掃描程序與處理程序 。 （ 3） 中斷 鍵盤 程序。 （ 4）正弦波發(fā)生程序及其服務(wù)程序 。 （ 5）三角波發(fā)生程序 。 （ 6） 方波發(fā)生程序 。 （ 7）鋸齒波發(fā)生程序 。 功能軟件設(shè)計(jì) 主程序模塊 程序開始后，運(yùn)行初始化程序，包括初始化單片機(jī) C8051F0初始化 AD9850、初始化液晶顯示模塊等。然后等待鍵盤中斷，掃描鍵盤狀態(tài)，檢查到有鍵按下就運(yùn)行鍵值處理程序，對(duì)按鍵值進(jìn)行查 表處理，然后執(zhí)行相應(yīng)的子程序。輸入的信號(hào)相關(guān)信息通過運(yùn)行液晶顯示程序，在 LCD上顯示正確的輸入數(shù)據(jù)和提示字符。在按下執(zhí)行鍵后，C8051F020計(jì)算出所需信號(hào)的數(shù)據(jù)或控制命令，將其傳送到 AD9850，輸出最終信號(hào)。 其流程圖如圖 41所示： 27 圖 41 主程序圖 1． 上電復(fù)位。 2. 執(zhí)行初始化程序，包括 C8051F020初始化程序， AD9854初始化程序， LCD初始化程序。 3. 循環(huán)執(zhí)行 While（） 程序，當(dāng)有 /INT0中斷申請(qǐng)時(shí)，轉(zhuǎn)向中斷鍵盤掃描處理程序。 4. 執(zhí)行完中斷鍵盤掃描處理程序，返回 While（） 循環(huán)，直到又有中斷產(chǎn)生。 上電 系統(tǒng)初始化 確認(rèn)鍵 正弦波 或 方波 三角波 鋸齒波 YES NO YES YES NO NO YES 根據(jù)鍵值計(jì)算控制字 控 制字寫入 AD9850,頻率更新 LCD 顯示 使能 T0 定時(shí)器 T0 中斷， DAC0 輸出三角波 使能 T1 定時(shí)器 T1中斷 DAC0輸出鋸齒波 第 4 章 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 28 中斷鍵盤處理程序 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的輸入主要使用鍵盤。 鍵入信號(hào)的軟件處理方法是影響系統(tǒng)使用和操作性能的重要因素。鍵盤接口軟件的主要任務(wù)包括以下幾個(gè)方面 ： 檢測(cè)并判斷是否有鍵按下 ； 按鍵開關(guān)的延時(shí)消抖功能 ； 計(jì)算并確定按鍵的鍵值 ； 程序