單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2 高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 余 水 寶 信息科學(xué)與工程學(xué)院 2005 年 6 月 單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 任 務(wù) 書 一、 任務(wù) 設(shè)計(jì)一款基于 AT89C51 單片機(jī)和鎖相技術(shù)的高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器。 二、設(shè)計(jì)要求 1、 基本要求 采 用 DDFS(直接數(shù)字頻率合成)和鎖相技術(shù), 實(shí)現(xiàn) 1Hz1KHz 變化的正弦信號(hào)。 通過面板鍵盤控制輸出頻率，頻率最小步進(jìn) 1Hz。 輸出雙極性。 用 LED數(shù)碼管實(shí)時(shí)顯示波形的相關(guān)參數(shù)。 寫出詳細(xì)的設(shè)計(jì)報(bào)告，給出全部電路和源程序。 2、 發(fā)揮部分 不改變硬件設(shè)計(jì)，將上限頻率擴(kuò)展到 10KHz。 不改變硬件設(shè)計(jì)，擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)三角波和方波信號(hào)。 可通過 PC機(jī)上的“虛擬鍵盤”，實(shí)現(xiàn)頻率等參數(shù)的控制。 實(shí)現(xiàn)對(duì)幅度的控制。 2單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為一種常用的信號(hào)源，廣泛 應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)研究等領(lǐng)域7。 它是一種為電子測(cè)量和計(jì)量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號(hào)設(shè)備， 因此是電子測(cè)試系統(tǒng)的重要部件， 是決定電子測(cè)試系統(tǒng)性能的關(guān)鍵設(shè)備。它與示波器、電壓表、頻率計(jì)等儀器一樣 是最普通、最基本的，也是得到最廣泛應(yīng)用的電子儀器之一。 1 總體方案論證與設(shè)計(jì) 數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的實(shí)現(xiàn)方案很多，主要有如下幾種： 方案一：采用微處理器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器直接合成 的數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。這種信號(hào)發(fā)生器具有價(jià)格低，在低頻范圍內(nèi) 可靠性好，體積小，功耗低，使用方便等特點(diǎn)，它輸出的頻率是由微處理器向數(shù) 模轉(zhuǎn)換輸出數(shù)據(jù)的頻率和信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù) （N） 來決定的， 因此受單片機(jī)的時(shí)鐘頻率的限制很大， 如果單片機(jī)的晶振取 12MHz，則單片機(jī)的工作頻率為 1MHz，若在一個(gè)周期內(nèi)輸出 360 個(gè)數(shù)據(jù)，則輸出信號(hào)的頻率理論上最高只能達(dá)到 2777Hz。實(shí)際上單片機(jī)完成一次數(shù)據(jù)訪問并輸出到 D/A電路， 至少要 5個(gè)機(jī)器周期， 因此實(shí)際輸出信號(hào)的頻率只有 500Hz左右。即使增大晶振頻率，減小一個(gè)周期 內(nèi)輸出數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，在稍高的頻率下輸出的波形頻率誤差也是很大的，而且計(jì)算煩瑣，軟件編程麻煩，控制不方便。 方案二：利用單片機(jī)與精密函數(shù)發(fā)生器構(gòu)成的 程控信號(hào)發(fā)生器。這種信號(hào)發(fā)生器能夠克服常規(guī)信號(hào)發(fā)生器的缺陷，保 證在某個(gè)信號(hào)的頻帶內(nèi)正弦波的失真度小于 0.5。 它的輸出信號(hào)頻率調(diào)整和幅值調(diào)整都由單片機(jī)完成。 但是， 由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的非線性誤差和函數(shù)發(fā)生器本身的 非線性誤差，這種信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率與理論值會(huì)有一定的偏差。 方案三：利用 DSP 處理器，根據(jù)幅值，頻率參數(shù)，計(jì)算產(chǎn)生高精度的信號(hào)所需數(shù)據(jù)表，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后輸出，形成需要 的信號(hào)波形。這種信號(hào)發(fā)生器可實(shí)現(xiàn)程控調(diào)幅，調(diào)頻。但這種信號(hào)發(fā)生器輸出頻 率不能連續(xù)可調(diào)，計(jì)算煩瑣，控制也不便。 方案四：基于單片機(jī)，鎖相環(huán)，可編程分頻、 相位累加、存儲(chǔ)器波形存儲(chǔ)以及 D/A 轉(zhuǎn)換器等組成的數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。輸出的頻率的大小由鎖相環(huán)和可編程計(jì)數(shù)器來控制，最終由地址發(fā)生器對(duì) 存儲(chǔ)器中的波形數(shù)據(jù)硬件掃描，單片機(jī)提供要輸出的波形數(shù)據(jù)給存儲(chǔ)器。這種方 案電路簡潔，不受單片機(jī)的時(shí)鐘頻率的限制， 輸出信號(hào)精度高， 頻率 “連續(xù)” ， 穩(wěn)定性好， 可靠性高， 功耗低， 調(diào)頻，調(diào)幅都很方便，而且可簡化軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)的要求。 綜合考慮，方案四各項(xiàng)性能和指標(biāo)都優(yōu)于其他 幾種方案，能使輸出頻率有較好的穩(wěn)定性， 充分體現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)的要求， 而且這些芯片及器件均為通用器件，在市場上較常見，價(jià)格也低廉，樣品制作 成功的可能性比較大， 所以本設(shè)計(jì)采用方案四。其系統(tǒng)組成原理框圖如圖 1 所示。 3單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 圖 1 系統(tǒng)組 成原理結(jié)構(gòu)圖 圖 1中主要有 2大塊， 即波形發(fā)生部分 （上半部） 和鍵盤/顯示部分。 波形發(fā)生部分是本設(shè)計(jì)的核心，主要由可編程基 準(zhǔn)信號(hào)、鎖相倍頻電路、相位累加地址發(fā)生、EPROM 存儲(chǔ)器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換和濾波驅(qū)動(dòng)等組成，如圖 2所示。 圖 2 系統(tǒng)波 形發(fā)生模塊 鍵盤輸入和顯示部分在控制儀器中起著人機(jī)交 互的作用，這兩部分的設(shè)計(jì)是儀器和操作者進(jìn)行聯(lián)系并得到實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵之一， 并關(guān)系到用戶使用的滿意度。鍵盤/顯示模塊設(shè)計(jì)的常用方法有: 采用 8279 可編程接口芯片來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的鍵盤/顯示器擴(kuò)展功能，該芯片 40 引腳，體積較大，成本不低，編程也不方便。由單片機(jī) AT89C2051 控制共陽數(shù)碼管、按鍵構(gòu)成動(dòng)態(tài)顯示模塊。該方案最多只能擴(kuò)展 16 個(gè)按鍵，且數(shù)碼管需 8 只 三極管驅(qū)動(dòng)。LCD 液晶顯示加鍵盤等，該方案成本不低， 接口復(fù)雜。 考慮到成本及電路的復(fù)雜度， 本設(shè)計(jì)采用一款新穎的 HD7279專用鍵盤/顯示芯片。 HD7279芯片價(jià)格低廉， 內(nèi)部含有譯碼器， 并具有多種控制指4單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 令，如消隱、閃爍、左移、右移、段尋址 等。在設(shè)計(jì)時(shí)，外圍電路簡單，只需一個(gè)電阻和一個(gè)電容即可解決鍵盤/顯示電路的外圍設(shè)計(jì)， 且有成熟的現(xiàn)成程序可借鑒。 2 頻率控制機(jī)理及其硬件設(shè)計(jì) 我們把鎖相+直接數(shù)字頻率合成稱為 PDDFS技術(shù)，頻率控制是本設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。頻率控制模塊的主要硬件支持是鎖相環(huán) CD4046和可編程分頻器 INTEL8254,鎖相環(huán)CD4046是本系統(tǒng)工作的關(guān)鍵所在， 可編程分頻器 INTEL8254 和其相互配合,為相位累加器 CD4518提供時(shí)鐘脈沖，從而最終實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形函數(shù)信號(hào)頻率的改變。 2.1 鎖相環(huán)介紹 鎖相環(huán) PLL（Phase Lock Loop） 是一個(gè)能完 成兩個(gè)電信 號(hào)相位同步 的自動(dòng)控制閉環(huán)系統(tǒng)。 它是比較輸入信號(hào)和壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的相位差， 比較結(jié)果產(chǎn)生的誤差輸出電壓正比于輸入信號(hào)和壓 控振蕩器輸出信號(hào)兩個(gè)信號(hào)的相位差,原理如圖 3所示。 圖 3 鎖相 環(huán)原理框圖 在環(huán)路開始工作時(shí)，通常輸入信號(hào)的頻率與壓控振蕩器末加控制電壓時(shí)的振蕩頻率是不同的，由于兩信號(hào)之間存在固 有的頻率差，它們之間的相位差勢(shì)必不斷地變化，在這種誤差電壓控制之下，壓 控振蕩器的頻率也就在相應(yīng)的范圍之內(nèi)變化。若壓控振蕩器的頻率能夠變化到與 輸入信號(hào)相等，便有可能在這個(gè)頻率上穩(wěn)定下來(當(dāng)然只有在一定的條件下才可 能這樣)。達(dá)到穩(wěn)定之后，輸入信 號(hào)和 壓控振蕩器輸出信號(hào)之間的頻差為零，相位 差不再隨時(shí)間變化，誤差控制電壓為一固定值，這時(shí)環(huán)路就進(jìn)入“鎖定”狀態(tài)。 當(dāng)鎖相環(huán)入鎖時(shí)，它還具有“捕捉”信號(hào)的能力， VCO可在某一范圍內(nèi)自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化， 如果輸入信號(hào)頻率在鎖相環(huán)的捕捉范圍內(nèi)發(fā)生變化，鎖相環(huán)能捕捉到輸人信號(hào)頻率，并強(qiáng)迫 VCO 鎖定在這個(gè)頻率上。 本系統(tǒng)選用的是 CD4046 鎖相環(huán)，其特點(diǎn)是電源電壓范圍寬（為 3V18V），輸入阻抗高(約 100M)， 動(dòng)態(tài)功耗小， 在中心頻率 f0為 10kHz下功耗僅為 600W，屬微功耗器件。它采用 16 腳雙列直插式，各引腳功能如下： 5單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 1腳相位輸出端，環(huán)路人鎖時(shí)為高電平，環(huán)路失鎖時(shí)為低電平。 2腳相位比較器的輸出端。 3腳比較信號(hào)輸入端。 4腳壓控振蕩器輸出端。 5腳禁止端，高電平時(shí)禁止，低電平時(shí)允許壓控振蕩器工作。 6、7 腳外接振蕩電容。 8、16 腳電源的負(fù)端和正端。 9腳壓控振蕩器的控制端。 10腳解調(diào)輸出端，用于 FM解調(diào)。 11、12 腳外接振蕩電阻。 13腳相位比較器的輸出端。 14腳信號(hào)輸入端。 15腳內(nèi)部獨(dú)立的齊納穩(wěn)壓管負(fù)極。 圖 4 是 CD4046 功能圖，主要由相位比較、壓控振蕩器（VCO）、線性放大器、源跟隨器、整形電路等部分構(gòu)成。 圖 4 CD4046 鎖相環(huán)的功 能圖 =2R 時(shí)，鎖相環(huán)的振蕩頻率可表示為: 11CRVCOfinSOC (1) 當(dāng) ，VCOin=Vcc/2 時(shí)，鎖相環(huán)的振蕩頻率(中心頻率)可表示為: =2R6單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 1102 CRVfCC (2) 當(dāng)鎖相環(huán)鎖定時(shí)，壓控振蕩器能在某一范圍內(nèi) 自動(dòng)跟蹤輸入信號(hào)的變化，這個(gè)范圍稱作鎖定范圍。通常鎖定范圍大于 捕捉范圍，鎖相環(huán)能搜尋和捕捉的輸入信號(hào)的頻帶定義為捕捉范圍。 對(duì)于 CD4046內(nèi)部有兩個(gè)比較器， 用相位比較器的情況下它的捕捉范圍和鎖定范圍的關(guān)系為： 220RCffL= （3） 其中 RC 組成一個(gè)低通濾波器， 即圖 4中 的 R3,R4,C2部分。 對(duì) RC時(shí)間常數(shù)的選擇有一定的要求，既要避免環(huán)路自激，又要保證對(duì)輸入頻率的變化有合理快的響應(yīng)速度， 一般 R用兩個(gè)電阻， 分別取 R3= M1 ， R4=100（這個(gè)電阻也可以不要接） ， C=C2=1 F ，因此捕捉范圍，就會(huì)比較低，并且對(duì)相位比較器，它要求 Ui、Uo的占空比均為 50（即方波），這樣才能使鎖定范圍為最大。對(duì)于頻率輸入的變化不大的場合，用相位比較器時(shí)其捕捉范圍和鎖定范圍一樣，與低通濾波器的RC無關(guān). 而且最大鎖定范圍與輸入信號(hào)波形的占空比無關(guān)，并且壓控振蕩器的輸出脈沖占空比為 50%,與輸入信號(hào)的占空比沒有關(guān)系。圖 5為系統(tǒng)進(jìn)入鎖相狀態(tài)時(shí)各引腳的典型波形。 其輸出頻率最大最小分別為： )PF32(111max+=CRf （4 ） （ 5） 0min=f PF)50,110(11 CMRK在 VDD=5V條件下，為了使輸出頻率最大,可取R1=10K,C1=50PF， R2=，此時(shí)。 MHZf 8.0max=圖 5 鎖定時(shí) 各引腳波形圖 7單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 2.2 可編程分頻器及其頻率控制的原理 （1）可編程分頻器 本系統(tǒng)的分頻器是由 INTEL8254可編程計(jì)數(shù)器完成的， INTEL8254可編程計(jì)數(shù)器內(nèi)部有三個(gè)相互獨(dú)立的 16位的計(jì)數(shù)器， 其計(jì)數(shù)速率可達(dá)到 8MHz（INTEL8253 的計(jì)數(shù)速率只有 2MHz） 。一個(gè)具有三態(tài)雙向的 8 位數(shù)據(jù)總線緩沖器為 8254 芯片提供與系統(tǒng)總線相接口的能力， 它在讀/寫邏輯的控制下接收來自系統(tǒng)總線的命令和數(shù)據(jù)， 并將 8254的狀態(tài)字送上系統(tǒng)總線。 控制寄存器接收來自數(shù)據(jù)總線緩沖器中關(guān)于命令的數(shù)據(jù)，并暫存這些數(shù)據(jù)。命令的 數(shù)據(jù)經(jīng)內(nèi)譯碼后產(chǎn)生整個(gè)器件的控制信號(hào)，并設(shè)置每個(gè)計(jì)數(shù)器的工作方式。每一 個(gè)計(jì)數(shù)器是完全獨(dú)立的，并有各自獨(dú)立的工作方式。 8254 的內(nèi)部功能通過系統(tǒng)軟件的編程來確定。系統(tǒng)通過接口傳送所要求的工作方式和數(shù)值來初始化計(jì)數(shù)器。每一個(gè)計(jì) 數(shù)器都是獨(dú)立地通過一個(gè)命令數(shù)據(jù)來編程。每個(gè)計(jì)數(shù)器有 6種工作模式，本系統(tǒng)計(jì)數(shù)器 0、計(jì)數(shù)器 1均采用工作方式 3，即方波發(fā)生器。當(dāng)進(jìn)入工作方式 3，GATE為高電平并裝入計(jì)數(shù)值n后，若n為偶數(shù)，則OUTi端輸出的周期為nCLKi周期，占空比為 1：1 的方波序列；若n為奇數(shù)，則OUTi端輸出的周期為nCLKi周期，占空比為21/21 + nn的近似方波序列。 （2）INTEL8254 初始輸入基準(zhǔn)時(shí)鐘 INTEL8254 的初始輸入時(shí)鐘信號(hào)，直接取自單片機(jī) AT89S52 的 ALE 引腳信號(hào),其頻率為單片機(jī)晶振頻率的六分之一， 本系統(tǒng)的單片機(jī)用 6MHz的晶振， 所以輸入到 INTEL8254的基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率 為 1MHz。 0f（3）頻率控制原理 輸出信號(hào)的頻率控制主要通過對(duì)地址發(fā)生器掃 描頻率的改變來實(shí)現(xiàn)，其控制模塊主要由計(jì)數(shù)器 INTEL8254、鎖相環(huán) CD4046 組成。其頻率控制原理如圖 2 所示。 設(shè)計(jì)時(shí)，圖 2 中的分頻 器M由I NTEL8254 第 0 個(gè)計(jì)數(shù)器與第 1 個(gè) 計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)組成，因此可將計(jì)數(shù)器看作 32位計(jì)數(shù)器。初始時(shí)鐘信號(hào) 從第 0個(gè)計(jì)數(shù)器輸入，通過 8254計(jì)數(shù)器 0、 計(jì)數(shù)器 1進(jìn) 行 M分頻后， 其輸出信號(hào)作為 CD4046的信號(hào)輸入AIN；圖 2 中的分頻 器 N 由 INTEL8254 第 2 個(gè)計(jì)數(shù)器完成，而 CD4046 的壓控振蕩器的輸出端， 接入 INTEL8254 第 2個(gè)計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入端， 經(jīng)過 分頻后接到鎖相環(huán)比較器輸入端 BIN。當(dāng)相位鎖定時(shí)，CD4046 的壓控振蕩器的輸出頻率 也即相位累加器的輸入頻率等于計(jì)數(shù)器 1的輸出頻率與計(jì)數(shù)器 2的分頻值 的乘積,即 0fNVCOfNMNffVCO0= （ 6） INTEL8254計(jì)數(shù)器 2的分頻值 ， 受 AT89S52單片機(jī)控制。 相位累加地址發(fā)生器 CD4518 對(duì) 2764 掃描速度隨 的值改變而改變，從而可以控制最終輸出波形NVCOf8單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 的頻率值。假定相位累加地址發(fā)生器相位字長為 L，如圖 2 所示。則輸出波形的頻率可表示為： LMNfLffVCOOUT0= （ 7） 由上式可知， 要改變輸出頻率， 則可通過改變分頻值 、 N 和相位累加字長M L。為了在軟件設(shè)計(jì)宜實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)時(shí)將計(jì)數(shù)器 0、 1 都進(jìn)行 100 分頻，即 M 取 10000。因系統(tǒng)采用的晶振為 6MHz，所以 為 1MHz，則經(jīng)過計(jì)數(shù)器 0 、1 分頻后的輸出頻率為 100HZ，式（6） 、 （7）可分別表示為： 0fNfVCO100= （7） 100=LNfOUT（9） 根據(jù)式（7） ，取 L值為 100時(shí)，最終輸出頻率為： NfOUT= （ 10） 分頻值 可取 265536 之間的任意自然數(shù)， 因此輸出頻率最小頻率步進(jìn) 1HZ。但從式 （ 10） 可知， 輸出頻率最小只能到達(dá) 2Hz， 這是因?yàn)?8254 不能實(shí)現(xiàn) 1 分頻，也即不能輸出頻率為 1Hz 的波形。 為了能實(shí)現(xiàn) 1Hz 的頻率輸出， 可重新設(shè)置 NM 、的值， 如取 、 、N 20000=M 2=N L值仍為 100， 則最終輸出頻率仍滿足式 （10） 。 2.3 相位累加地址掃描電路設(shè)計(jì) 相位累加地址掃描由 CD4518 及 27C64 組成。 CD4518 是二、十進(jìn)制（ 8421編碼）同步加計(jì)數(shù)器，內(nèi)含兩個(gè)單元的加計(jì)數(shù)器，其功能表如表 1 所示。每單個(gè)單元有兩個(gè)時(shí)鐘輸入端 CLK 和 EN，可用時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿觸發(fā)。由表可知，若用 ENABLE 信號(hào)下降沿觸發(fā)，觸發(fā)信號(hào)由 EN 端輸入， CLK 端置“ 0” ；若用 CLOCK 信號(hào)上升沿觸發(fā)， 觸發(fā)信號(hào)由 CLOCK 端輸入， ENABLE 端置 “ 1” 。RESET 端是清零端， RESET 端置 “ 1” 時(shí) ， 計(jì)數(shù)器各端輸出端 Q1 Q4 均為 “ 0” ，只有 RESET 端置“ 0”時(shí)， CD4518 才開始計(jì)數(shù)。 CD4518 采用并行進(jìn)位方式， 只要輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖， 計(jì)數(shù)單元 Q1 翻轉(zhuǎn)一次；當(dāng) Q1 為 1， Q4 為 0 時(shí)， 每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖， 計(jì)數(shù)單元 Q2 翻轉(zhuǎn)一次； 當(dāng) Q1=Q2=1時(shí)， 每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖 Q3 翻轉(zhuǎn)一次； 當(dāng) Q1=Q2=Q3=1 或 Q1=Q4=1 時(shí)， 每輸入一個(gè)時(shí)鐘脈沖 Q4 翻轉(zhuǎn)一次。這樣從初始狀態(tài)（ “ 0”態(tài)）開始計(jì)數(shù)，每輸入 10 個(gè)時(shí)鐘脈沖，計(jì)數(shù)單元便自動(dòng)恢復(fù)到“ 0”態(tài)。若將第一個(gè)加計(jì)數(shù)器的輸出端 Q4A作為第二個(gè)加計(jì)數(shù)器的輸入端 ENB 的時(shí)鐘脈沖信號(hào)，便可組成兩位 8421 編碼計(jì)數(shù)器，依次下去可以進(jìn)行多位串行計(jì)數(shù)。 因 CD4518 每輸入 10 個(gè)脈沖便會(huì)自動(dòng)歸零， 所以在對(duì) 27C64 完成一次地址掃描后進(jìn)行復(fù)位時(shí)， 避免了用其它硬件電路進(jìn)行復(fù)位所出現(xiàn)的 “延時(shí)” 所造成的 “毛刺”現(xiàn)象。其相位累加、地址掃描電路如 5 所示。 9單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 表 1 CD4518 功能表 CLOCK ENABLE RESET ACTION 上升沿 1 0 加計(jì)數(shù) 0 下降沿 0 加計(jì)數(shù) 下降沿 X 0 不變 X 上升沿 0 不變 上升沿 0 0 不變 1 下降沿 0 不變 X X 1 Q0 Q4=0 之所以采用十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，是因?yàn)榭紤]到人們 的習(xí)慣。但此時(shí)要求存儲(chǔ)器地址必須按 BCD 碼的編碼規(guī)律，即每 16 個(gè)存儲(chǔ)單元中，只有前十個(gè)單元存放波形數(shù)據(jù)，后 6 個(gè)存儲(chǔ)單元不用。 自動(dòng)歸零和按 BCD 碼的規(guī)律存放數(shù)據(jù)，是本設(shè)計(jì)的巧妙之處。 圖 6 相位累 加地址掃描電路 2.4 雙極性輸出實(shí)現(xiàn) 本函數(shù)信號(hào)發(fā)生器信號(hào)輸出要求為雙極性，輸出電路原理圖如圖 7 所示。在此采用 DAC0832模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。圖中運(yùn)算放大器為具有雙極性工作電壓的 TL082。 10單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 圖 7 模數(shù)轉(zhuǎn) 換及雙極性輸出原理圖 由圖可得： URRWRRWVUREF=211（ 11） 256nREFDVU = （ 12） REFV 為 DAC0832提供的參考電壓， 輸入的波形數(shù)據(jù)。由上兩式可得： nD)1256(25612211RRDRWVDVRRWRRWVUnREFnREFREF=+= （ 13） 取 ，當(dāng) 時(shí)，212RR = 0=nD212RRWVUREF= ； 時(shí)，128=nD 01=U ； 時(shí)，255=nD212RRWVUREF= 。 由上述分析可看出， 取不同數(shù)據(jù)時(shí) （0255） ， 可得對(duì)稱的雙極性波形輸出。再取 ，則式（11）可表示為： nD1RRW =)1128(1=nREFDVU （ 14） 由上式可知，輸出信號(hào)的幅度受 的改變而改變。 REFV2.5 濾波器設(shè)計(jì) 輸入 DAC0832的波形數(shù)據(jù)是經(jīng)量化的離散數(shù)據(jù)，而 DAC0832分辨率為 1/255，因此輸出的波形具有非連續(xù)性， 是階梯狀的。 假設(shè) DAC0832的基準(zhǔn)電壓為+5V， 則每個(gè)階梯幅度為 0.0195V。 階梯寬度為采樣頻率的倒數(shù)。 這相當(dāng)于給輸出波形疊加了高頻干擾，為確保產(chǎn)生波形的質(zhì)量，減 少波形失真度，使輸出波形光滑，須用低通濾波器把高頻分量濾掉。在此采用自動(dòng)線性跟蹤 Butterworth 有源濾波器。11單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 圖 8為一常見的二階有源低通濾波器， 1RF2RF1R 2R1C2CoUiU圖 8 有源二 階低通濾波器原理圖 其傳遞函數(shù)為： 20022002121120222122121021)111(/)(+=+=SSKCCRRSCRKCRCRSCCRRKsH （ 15） 式中 為電路直流增益，0K 為電路阻尼率，002 f = 為電路固有頻率，分別為： 120/1 RFRFK += （ 16） +=1221022112112)1(21CRCRKCRCRCRCR （ 17） 21210/1 CCRR= （ 18） 以 jS = 代入（ 15）式，求得其幅頻特性： 2220202220200)2()1()2()()(+=+=KKjH （ 19） 式中00/ ff= 為頻率比， 1= 時(shí)的頻率稱為截止頻率。 由式（ 19）可得，當(dāng) 2/1= 時(shí)，其幅頻特性最為平坦。當(dāng)各種信號(hào)頻率小于濾波器截止頻率時(shí)，才能“無失真”地傳輸 ，也即幅度不會(huì)放大或衰減。當(dāng)，CCC =21RFRFRF =21，即 20=K 時(shí)，由式 14、 15、 16 有： 12/21RR= （20） 12單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 21021RRCf= （2 1） 令（ 18）式 2/1= ，得 RRR 2212= ，則有： CRf2210= （ 22） 由上式可知，當(dāng) 為定值時(shí)，電路截止頻率 與C0f R成反比。因此只要電阻按的比例關(guān)系線性改變，還可實(shí)現(xiàn)濾波器截止頻率的線性跟蹤濾波。 RRR 2212=2.6 人機(jī)對(duì)話模塊 系統(tǒng)的人機(jī)對(duì)話模塊使用了鍵盤/顯示采用 HD7279A， 它是一種管理鍵盤和 LED顯示器的專用智能控制芯片。 它能對(duì) 8 位共陰極 LED 顯示器或 64 個(gè) LED 發(fā)光管進(jìn)行管理和驅(qū)動(dòng)， 同時(shí)能對(duì)多達(dá) 88 的鍵盤矩陣的按鍵情況進(jìn)行監(jiān)視， 其內(nèi)部含有譯碼器，有兩種譯碼方式，可直接接受 16 進(jìn)制碼， 具有消隱、閃爍、左移、右移、段尋址等多種控制指令，并具有自動(dòng) 消除鍵抖動(dòng)并識(shí)別按鍵代碼的功能，從而可以提高 CPU工作的效率。 HD7279A片內(nèi)具有驅(qū)動(dòng)電路， 它可以直接驅(qū)動(dòng) 1英 吋及以下的 LED 數(shù)碼管，與微處理器之間采用串行接口，其接口電路和外圍電路簡單可靠，占用口線少，加之它具有較高的 性能價(jià)格比，因此，在微型控制器、智能儀表、控制面板和家用電器等領(lǐng)域中日益獲得廣泛的應(yīng)用。 HD7279采用同步串行外設(shè)接口 SPI（Serial Peripheral Interface）總線與單片機(jī)相連。 SPI 總線是 Motorola 公司提出的一個(gè)同步串行外設(shè)接口，用于 CPU與各種外圍器件進(jìn)行全雙工、同步串行通訊。 SPI 可以同時(shí)發(fā)出和接收串行數(shù)據(jù)。它只需四條線就可以完成 MCU 與各種外圍器件的通訊。 當(dāng) SPI 工作時(shí)， 在移位寄存器中的數(shù)據(jù)逐位從輸出引腳 （ MOSI） 輸出 （高位在前） ， 同時(shí)從輸入引腳 （ MISO）接收的數(shù)據(jù)逐位移到移位寄存器 （高位在前） 。 發(fā)送一個(gè)字節(jié)后， 從另一個(gè)外圍器件接收的字節(jié)數(shù)據(jù)進(jìn)入移位寄存器中。主 SPI 的時(shí)鐘信號(hào)（ SCK）使傳輸同步。 HD7279 與微處理器連接的 4 線 分別為 CS、CLK、DATA、KEY。其中 CS 為片選信號(hào) （低電平有效） 。 當(dāng)微處理器訪問 HD7279A（讀鍵號(hào)或?qū)懼噶睿?時(shí)， 應(yīng)將片選端置為低電平。DATA 為串行數(shù)據(jù)端，當(dāng)向 HD7279A發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，DATA 為輸入端；當(dāng) HD7279A 輸出鍵盤代碼時(shí)，DATA 為輸出端。CLK 為數(shù)據(jù)串行傳送的同步時(shí)鐘輸入端， 時(shí)鐘的上升沿表示數(shù)據(jù)有效。 KEY為按鍵信號(hào)輸出端， 在無鍵按下時(shí)為高電平；而有鍵按下時(shí)此引腳變?yōu)榈碗娖讲⑶乙恢北３值芥I釋放為止。 HD7279A 指令系統(tǒng)由 6 條純指令、7 條帶數(shù)據(jù)指令和 1 條讀鍵盤指令組成。這里對(duì)編程中用到的一些指令作介紹。 1純指令 13單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 （1） 復(fù)位指令。指令代碼為 A4H，其功能為清除所有顯示，包括字符消隱屬性和閃爍屬性。 （2） 測(cè)試指令。指令代碼為 BFH，其功能為將所有的 LED 點(diǎn)亮并閃爍，可用于自檢。 2 帶數(shù)據(jù)的指令（由雙字節(jié)組成） （1） 按方式 0譯碼下載指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 0 0 0 0 a2 a1 a0DP X X X d3 d2 d1 d0 X X：無影響 第 1字節(jié)為指令，其中 a2,a1,a0代表顯示位地址： a2,a1,a0 7 6 5 4 3 2 1 0 顯 示 位 8 7 6 5 4 3 2 1 顯示位 8為最高位。 第 2字節(jié)為顯示內(nèi)容， 其中 DP為小數(shù)點(diǎn)控制位， DP=1，小數(shù)點(diǎn)顯示；DP=0，小數(shù)點(diǎn)熄滅。 d3 d2 d1 d0 為數(shù)據(jù)，按方式 0譯碼時(shí)數(shù)據(jù)和顯示的關(guān)系如下： d3d2d1d0 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06HH 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 顯示內(nèi)容 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - E H L P 空 （2） 按方式 1譯碼下載指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 1 0 0 1 a2 a1 a0 DP X X X d3 d2 d1 d0 該指令和按方式 0譯碼下載指令的含義基本相同。按方式 1譯碼時(shí)數(shù)據(jù)和顯示的關(guān)系如下： d3d2d1d0 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06HH 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 顯示內(nèi)容 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F （3） 不譯碼下載指令 1 0 0 2 0 a2 a1 a0 DP A B C D E F G 14單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 a2 a1 a0仍為位地址，第 2字節(jié)仍為顯示內(nèi)容，其中 DP和 AG 分別代表小數(shù)點(diǎn)和 LED顯示器的 7段，相應(yīng)位為 1時(shí)，該段點(diǎn)亮；為 0時(shí)，該段熄滅。 （4） 閃爍控制指令 1 0 0 0 1 0 0 0 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 該指令規(guī)定了每個(gè)數(shù)碼管的閃爍屬性。 d1d8 分別對(duì)應(yīng)第 1到 第 8個(gè)數(shù)碼管，該位為 1不閃爍；該位為 0閃爍。缺省狀態(tài)為所有數(shù)碼管均不閃爍。 （5） 消隱控制指令 1 0 0 1 1 0 0 0 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 該指令規(guī)定了每個(gè)數(shù)碼管的消隱屬性。 d1d8 分別對(duì)應(yīng)第 1到 第 8個(gè)數(shù)碼管，該位為 1顯示；該位為 0消隱。應(yīng)該注意的是至少要有 1位保持顯示狀態(tài)，如果全部消隱則該命令無效。 （ 6）讀鍵盤數(shù)據(jù)指令 15H 0 0 0 1 0 1 0 1 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 該指令從 HD7279A讀出當(dāng)前的按鍵代碼。與其它指令不同，此命令的前一個(gè)字節(jié) 00010101B為微控制器傳送到 HD7279A的指令，而后一個(gè)字節(jié) d0d7則為HD7279A返回的按鍵代碼， 其范圍是 03F（無鍵按下時(shí)為 oxFF） ， 各鍵鍵盤代碼的定義，參閱附圖，圖中的鍵號(hào)即鍵盤代碼。 當(dāng) HD7279A檢測(cè)到有效的按鍵時(shí)， KEY引腳從高電平變?yōu)榈碗娖?，并一直保持到按鍵結(jié)束。在此期間，如果 HD7279A接收到“讀鍵盤數(shù)據(jù)指令”，則輸出當(dāng)前按鍵的鍵盤代碼；如果在收到“讀鍵盤指令”時(shí)沒有有效按鍵， HD7279A將輸出 FFH。 3 系統(tǒng) 的 軟件設(shè)計(jì) 3.1 波形數(shù)據(jù)獲取 按雙極性輸出的要求，經(jīng)推導(dǎo)得出輸出波形量化數(shù)據(jù) 的數(shù)學(xué)公式： nD正弦波： +=21sin255nD （23） oo3590鋸齒波： 2255=nD （24） oo359015單片機(jī)課程設(shè)計(jì) 2-高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 方波： 255=nDoo1790（25） 0=nDoo359180根據(jù)上述公式， 將 的取值離散化， 即取 ， 即可得到波形量化數(shù)據(jù) 。 o1=nD3.2 主程序設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)主程序模塊主要完成的工作是對(duì)系統(tǒng)的初始化， 包括對(duì) HD7279 的初始化、發(fā)送顯示數(shù)據(jù)、輸出波形。初始時(shí)默 認(rèn)輸出波形為正弦波，輸出波形幅度為5V， 頻率為 100Hz； 在初始化的同時(shí)， 對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描， 判斷是否有相應(yīng)功能鍵按下， 如有相應(yīng)功能鍵按下， 則根據(jù)所需要的功能進(jìn)行相應(yīng)的操作。 其流程圖如圖 9所示。 圖 9 主程序 流程圖 需說明的是將單片機(jī)的 P1.7、P1.6 置成 01或 10，就得到三角波或方波。 4 結(jié)束 語 本文闡述了高精度數(shù)字式函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的軟 、硬件設(shè)計(jì)。利用單片機(jī)以及可編程分頻器、 數(shù)字鎖相環(huán)、 地址發(fā)生器、 波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 D/A 轉(zhuǎn)換等部件， 采用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS） ，以及鎖相環(huán)（PLL）倍頻技術(shù)相結(jié)合的方法。此函數(shù)信號(hào)發(fā)生器調(diào)節(jié)靈活方便，輸出波 形精度高且波形較為穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)以多功能、低功耗、操作方便、結(jié)構(gòu)合理、易 于調(diào)試為主要設(shè)計(jì)原則。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，我們力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮 軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，并最大限度挖掘單片機(jī)片內(nèi)資源，來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要 求。本系統(tǒng)所采用的器件大都屬于最常用、最普通的集成器件，但所得到的結(jié)果已基本達(dá)到預(yù)期的效果。 16附 錄 正弦信號(hào)發(fā)生器基本部分參考電路器件清單 名稱 數(shù)量 備注 AT89C51 1 配插座（DIP40） 74LS373 1 配插座（DIP20） 27C64 1 配插座（DIP28） CD4046 1 配插座（DIP16） CD4518 1 配插座（DIP16） 8254 1 配插座（DIP24） DAC0832 1 配插座（DIP20） HD7279 1 配插座（DIP28） TL084 1 配插座（DIP14） 按扭 21 4插腳 晶振 1 6MHZ LED數(shù)碼管 8 共陰(超高亮)（配 DIP40插座兩個(gè)） 電容 2 30pf(瓷片) 1 1UF(105)獨(dú)石 1 15P(瓷片) 1 50P(瓷片) 3 103(獨(dú)石) 4 104(獨(dú)石) 電阻 1 1K5(1/4W) 1 1M(1/4W) 3 4K7(1/4W) 5 10K(1/4W) 2 20K(1/4W) 8 100K(1/4W) 8 200(1/4W) 接插件 1 四芯（間距:3mil,2mil） 導(dǎo)線 若干 四色(紅、黑、黃、綠) 焊錫絲 若干 雙面線路板 1 150110mm 主要設(shè)備： 單片機(jī)仿真器（帶仿真頭） 焊接實(shí)驗(yàn)工具箱一套 5V、15V 電源 示波器 17附 錄 高精度數(shù)控低頻正弦信號(hào)發(fā)生器參考電路原理圖 EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD10U180316MC130PC230PC6 104D08OUT010D17GATE011D26CLK09D35D44D53D62OUT113D71GATE114CLK115CS21RD22WR23OUT217A019GATE216A120CLK218U68253AIN14BIN3VCIN9INH5CA6CB7R111R212PCP1PC12PC213VCOUT4SF10ZEN15U54046VCCVCCC850pC71ufR61MR810KVCC+15V-1 5 VRESETSW-PBCSCLKDATAKEYVCCVCCD0D1D2D3D4D5D6D7VCCD0D1D2D3D4D5D6D7A0A1A2A3A4A5A6A782548254VCCCSCLKDATAKEYCLK1EN2R7Q03Q14Q25Q36U7A4518CLK9EN10R15Q011Q112Q213Q314U7B4518VCCA010A19A28A37A46A55A64A73A825A924A1021A1123A122CE20OE22PGM27VPP1D011D112D213D315D416D517D618D719U82764VCCA0A1A2A3A4A5A6A7A8A9A8A9IO0IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO78254_A08254_A1D03Q02D14Q15D27Q26D38Q39D413Q412D514Q515D617Q616D718Q719OE1LE11U274LS373D0D1D2D3D4D5D6D78254_A08254_A1R54K71234J1CON4DATAKEYVCCGNDCLKCSKeyDisKeyDis.Sch-15VIO0IO1IO2IO3IO4IO5IO6IO7VCC1098U4CTL084121314U4DTL084R710KR320KR420KVcc20Iout111lsbDI07Iout212DI16DI25Rfb9DI34DI416Vref8DI515DI614msb DI713ILE19WR218CS1WR12Xfer17U3DAC0832VCCR14K7R24K7C3103C5103C4103321411U4ATL084DOUTDOUT567U4BTL084+15VOUTVCC附圖 1 系 統(tǒng)波形發(fā)生信號(hào)模塊原理圖18附 錄 附圖 2 系 統(tǒng)鍵盤/顯示 模塊原理圖 19附 錄 低頻正弦信號(hào)發(fā)生器 PCB 實(shí)物圖 附圖 4 系 統(tǒng)實(shí)物圖 20附 錄 HD7279A基 本部分源程序清單 （HD7279A Test Program） ;* ; RAM 定義 ;* BIT_COUNT DATA 07FH TIMER DATA 07EH TIMER1 DATA 07DH TEN DATA 07CH DATA_IN DATA 020H DATA_OUT DATA 021H ;* ; I/O 口定義 ;* DAT BIT P1.2 ;HD7279A 的 DATA 連接于 P1.2 KEY BIT P3.2 ;HD7279A 的 KEY 連接于 P3.2 CS BIT P1.0 ;HD7279A 的 CS 連接于 P1.0 CLK BIT P1.1 ;HD7279A 的 CLK 連接于 P1.1 ORG 000H LJMP START ORG 100H START: MOV SP,#2FH MOV P1,#11011011B ;I/O 口初始化 MOV TIMER,#50 ;延時(shí)約 25MS START_DELAY: MOV TIMER1,#255 START_DELAY1: DJNZ TIMER1