畢業設計--基于單片機的正弦波信號發生器設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 536 時， CPU只使用定時器 TO；當計算出 C65 536 時， CPU河南機電高等專科學校畢業設計 10 將 把定時器 0 和計數器 T1 兩者結合起來使用，將 C 開平方后的值給 0、 T1作為初值。 8 位的 DAC0832 單位周期輸出最多含有 256 個點，系統的晶振頻率 fo：25MHz f 0 是 4 位數字組合成的頻率值； P 為頻率小數點對應的值，兩者相除就是實際頻率值； K(K=1， 2， 3， 4)是分辨率的調整，根據波形頻率值，調整一個周期內輸出波形的點數。 T0/T1 被調用后，開始計數。當定時器 0 計數溢出時，產生中斷信號，給 寫一個脈沖信號， T1 用于記數該脈沖信號，當 T1 產生中斷后，總定時時間到，輸出一個點。反復循環 ，從而可在一個周期內輸出完整波形。 低通濾波電路 低通濾波器是直接數字頻率合成器的重要組成部分，其性能的優劣直接影響整個直接數字合成器的特性。在整個 DDS 實現過程中，低通濾波器除了濾掉高頻信號之外，還有除去雜散的作用。 DDS 的雜散主要來源以下三個方面： (1)ROM 幅度量化誤差：相位轉化為幅度，是通過尋址 ROM 實現的，然而 ROM地址中存有的波形幅度值字長是有限的， ROM 存儲能力有限而引起的舍位誤差就是幅度量化誤差； (2)相位截斷誤差：為了提高 DDS 的精度， DDS 的相位累加器位數都取得非 常大，但 ROM 的容量是有限的，因此只利用相位累加器的高 M 位 ROM 尋址，其低 (NM)位被截斷。由此引入的截斷誤差是 DDS 雜散的主要來源 ； (3)DAC的轉換誤差，即 DAC中非線性引起的轉換誤差： DAC有限的分辨率、非線性特性以及轉換過程中出現的尖峰脈沖均會導致頻譜質量變壞。因此，低通濾波器的使用是非常必要的，其性能的優劣直接關系到整個 DDS的技術指標。 低通濾波器可以分為巴特沃什濾波、切比雪夫濾波、貝賽爾濾波和橢圓濾波等。巴特沃什低通濾波器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，阻帶是等波紋抖動的；橢圓低通濾波器的通帶和阻帶都是抖動的。但是其過渡帶下降迅速，過渡帶很窄。在該系統中，為了使輸出信號頻率最高 10 MHz時能夠最低程度地降低 AD9835外部系統時鐘 30 MHz的干擾，采用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。根據系統要求，輸出信號的頻率可達 10 MHz，設定其通帶為 10 MHz，且 7階濾波具有下降速度更快的過渡帶，可以有效地濾除 10 MHz以上的 高頻干擾。考慮到實際的橢圓濾波器設計與理論分析是有所不同的，在此使用 Multisim 9經 過仿真后得出橢圓濾波器的具體參數。橢圓低通濾波器的電路圖如 下圖所示： 河南機電高等專科學校畢業設計 11 C 25 . 6 p FC 42 2 p FC 53 3 p FC 62 2 p FC 72 2 p FL 1L 2L 34 7 0 n H 3 0 0 n H 3 0 0 n HL P F I N P U TC 11 p FC 34 . 7 p FL P F O U T P U T 圖 24 低通濾波電路 D∕ A 轉換及幅度控制電路 本模塊首先介紹 D/A 轉換的基本原理，并對選用的 D/A 轉換芯片 TLC7524，轉換電路及幅度控制電路進行介紹。 D/A轉換器的基本功能是將一個用二進制表示的數字量轉換成相應的模擬量。實現這種操作的基本方法是對應于二進制的每一位， 產生一個相應的電壓（電流），而這個電壓（電流）的大小正比于相應的位權。目前，常用的 D/A 轉換器是由 T型電阻解碼網絡構成的。 T 型電阻解碼網絡 D/A 轉換器有電壓相加型和電流相加型兩種。集成 D/A 轉換器中廣泛使用的電流相加型的電路結構網絡中只有 R 和 2R 兩種電阻，各節點電阻都接成 T 型，故稱為 T 型電阻解碼。各位開關由各位二進制代碼控制，當代碼ai為 1 時，開關 Si上合，接運算放大器求和點 (虛地點 )；當代碼 ai為 0 時，開關Si下合，接地。因此，不論開關是上合還是下合，網絡中各支路的電流是不變的。從電阻網絡各節點向右看和 向下看的等效電阻都是 2R, 經節點享有和向下流的電流相等，向下每經過一個節點就進行一次對等分流。因此，網絡實際上是一個按二進制規律分流的分流器。整個網絡的等效輸入電阻為 R，基準電壓 VR供出的總電流為： I=VR/R 經 2R 電阻流向開關的各分流為： I1=I/21 I2=I/22 … In1=I/2n1 河南機電高等專科學校畢業設計 12 In=I/2n 這些電流是流向求和點還是流向地，取決于開關是上合還是下合，也就是取決于數字量各位的代碼是 1 還是 0。因此，流向求和點的電流 IΣ 由下式確定： IΣ=a1I1+a2I2+anIn=（ a1/21+a2/22+…+a n/2n） I=D/2nI 若 Rf=R,則輸出電壓為： Uout=﹣ IfRf=﹣ IΣRf=﹣ D/2nV R 從上式可見，轉換器的輸出電壓 Uout 正比于數字量 D， 負號表示輸出電壓的極性與基準電壓 VR相反。 D/A 轉換器的主要性能指標： 。這個參數表明 D/A 轉換器對模擬值的分辨能力，它是最低有效位（ LSB）所對應的模擬值。它確定了能由 D/A 轉換器產生的最小模擬量的變化。分辨率通常用數字量的位數表示，一般為 8位， 10 位， 12 位， 16位等。若分辨率為10位，則表明它的最小輸出變化量為滿量程的 1/210。 。如二進制， BCD 碼等。 。通常給出在一定溫度下的最大非線性度，一般為 ﹪ ~﹪。 （建立時間）。轉換時間是描述 D/A 轉換速度的一個參數，具體是從輸入數字量變化到輸出終值誤差177。 1/2LSB（最低有效位）時所需的時間。通常為幾十納秒至幾微妙。 。絕對精度（簡稱精度）是指在整個刻度范圍內，任意輸入數碼所對應的模擬量實際輸出值與理論值之間的最大誤差。相對精度是最大誤差相對于滿刻度的百分比。絕對精度應小于 1LSB. 由于 AD9835最后輸出的是 數字量電流，為了實現對其進行的控制，需將其轉換成模擬量，由單片機控制模擬量進而控制波形實現正弦波的頻率和幅度調節。這里我們介紹一種 D/A轉換器 TLC7524。 AD9835輸出信號經濾波放大，送入 D/A轉換器 TLC7524，單片機控制 TLC7524實現幅值調節。其中， TLC7524采用直通方式，8位數字量一旦達到 D7~D0輸入端，便進行 D/A轉換，從而實現 256級幅值調節。TLC7524采用電流工作模式，外接一片運算放大器 AD829將電流電壓變換為模擬電壓輸出。 河南機電高等專科學校畢業設計 13 D B 0D B 1D B 2D B 3D B 4D B 5D B 6D B 7W RC SR E FR F BO U T 1O U T 2V D DT L C 7 5 2 4 圖 25 TLC7524封裝圖 信號放大電路 放大器的作用：能把輸入訊號的電壓或功率放大的裝置，由電子管或晶體管、電源變壓器和其他電器元件組成。用在通訊、廣播、雷達、電視、自動控制等各種裝置中。其原理是高頻功率放大器用于發射機的末級，作用是將高頻已調波信號進行功率放大，以滿足發送功率的要求，然后經過天線將其輻射到空間，保證在一定區域內的接收機可以接收到滿意的信號電平，并且不干擾相鄰信道的通信高頻功率放大器是通信系統中發送裝置的重要組件。按 其工作頻帶的寬窄劃分為窄帶高頻功率放大器和寬帶高頻功率放大器兩種，窄帶高頻功率放大器通常以具有選頻濾波作用的選頻電路作為輸出回路，故又稱為調諧功率放大器或諧振功率放大器；寬帶高頻功率放大器的輸出電路則是傳輸線變壓器或其他寬帶匹配電路，因此又稱為非調諧功率放大器。 運算放大器原理：運算放大器（ Operational Amplifier,簡稱 OP、 OPA、 OPAMP）是一種直流耦合，差模（差動模式）輸入、通常為單端輸出（ Differentialin, singleended output）的高增益（ gain）電壓放大器，因為剛開始主要用于加法，乘法等運算電路中，因而得名。一個理想的運算放大器必須具備下列特性：無限大的輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。最基本的運算放大器。一個運算放大器模組一般包括一個正輸入端 (OP_P)、一個負輸入端 (OP_N)和一個輸出端 (OP_O)。 通常使用運算放大器時，會將其輸出端與其反相輸入端（ inverting input node）連接，形成一負反饋（ negative feedback）組態。原因是運算放大器的電壓增益非河南機電高等專科學校畢業設計 14 常大， 范圍從數百至數萬倍不等，使用負反饋方可保證電路的穩定運作。但是這并不代表運算放大器不能連接成正回饋（ positive feedback），相反地，在很多需要產生震蕩訊號的系統中，正回饋組態的運算放大器是很常見的組成元件。 將運算放大器的反向輸入端與輸出端連接起來，放大器電路就處在負反饋組態的狀況，此時通常可以將電路簡單地稱為閉環放大器。閉環放大器依據輸入訊號進入放大器的端點，又可分為反相（ inverting）放大器與非反相（ noninverting）放大器兩種。 由于 D∕A 轉換器輸出信號幅值小于 5V，需多級放大器，因此選用 AD829 放大器 ,AD829 是一款低噪、高性能高速運算放大器。壓擺率 230V∕μs,寬帶 750MHz。177。15V 供電，輸出電壓最大幅值可達 28VPP 滿足系統設計需要。下圖為電壓放大模塊電路，采用反比例放大，其增益為 R1/R2，手動調節 R1 調整電壓輸出幅值，C1 電容有效濾除雜波。 R 1R 2C 1+812345673 3 0 Ω1 5 p FC a p0 . 1 μ FC a p0 . 1 μ F4 7 ΩA D 8 2 9 圖 26 信號放大電路 顯示電路 顯示電路可以有 LED 數碼管顯示和 LCD 液晶顯示兩種，由于液晶屏價格相對較貴，驅動程序編寫較復雜，因 此選用廉價而且容易控制的數碼管作為顯示器件。 LED 顯示器顯示方式有兩種：靜態顯示和動態顯示。靜態顯示就是每一個 LED顯示器都必須接一個帶鎖存的 8位 I/O接口，用來鎖存待顯示的字形筆畫段的代碼。當顯示位數較多時，靜態顯示方式需要的 I/O 口數量較多，使用這種方式就不合適。這種方式的優點是占用單片機 CPU的時間少，顯示穩定；缺點是硬件電路比較復雜，占用 I/O 接口多，成本較高。動態掃描顯示是單片機應用系統中使用最為廣泛河南機電高等專科學校畢業設計 15 的顯示方式。其接口電路是把所有 LED 顯示器的 8 個筆畫段 a~h 同名端連在一起，共用一個接口（一般稱 作段輸出口），而每一個顯示器的公共極各自獨立地受其他I/O 線（一般稱作位輸出口）控制。 CPU向段輸出口送出字形碼時，所有顯示器接收到相同的字形碼，但究竟是哪個顯示器亮，則取決于公共端 COM 的狀態，而這一端是由 I/O 口線控制的，所以就可以決定顯示哪一位了。而所謂動態掃描就是指采用分時的方法，輪流控制各個顯示器的 COM 端，使各個顯示器輪流點亮。 在輪流點亮顯示器的掃描過程中，每位顯示器的點亮時間是極為短暫的（約1~2ms），但由于人的視覺暫留現象及發光二極管的余輝效應，盡管實際上各位顯示器并非同時點亮，但是只要 掃描的頻率足夠高（一般掃描間隔不超過 20ms），給人的印象就是多位顯示器在同時穩定地顯示字符，感覺不出閃爍。 單片機動態掃描驅動 LED 七段數碼管是根據顯示數碼位數的需要把時間分成若干等分，某一時刻僅驅動一位或幾位數碼管，選擇一定的掃描頻率，使得人看起來沒有閃爍的感覺即可。根據驅動方法的不同，可以分為七段碼直接輸出掃描驅動、 8421 碼輸出譯碼掃描驅動、移位輸出驅動顯示等。 七段碼直接輸出掃描驅動。單片機將要顯示的數據通過程序譯成七段碼，根據時間的不同選擇某一位數據的七段碼經單片機 I/O1:1 直接驅動 LED 數 碼管。 單片機 8421 碼輸出譯碼掃描驅動。單片機將要顯示的數據從 RB0～ RB3 輸出，七段碼由外部 CD4511 譯碼完成，如果需要點亮小數點，則小數點從 RB4 輸出，位選擇信號從 RB5～ RB7 輸出，經 CD4028 高電平輸出譯碼器分別驅動每位數碼管，用 8 位 I/O 口可以驅動 8 位帶小數點的數碼管，程序流程與七段碼直接輸出掃描驅動的相似。 移位輸出驅動。靜態驅動的方法所占用的 I/O 口 I:1 都較多，很難驅動多位數碼管，前兩種掃描輸出驅動的方法所占的 I/O 口也很多，且當要求顯示的數碼位數較多時，亮度很難達到要求。本人在 應用中設計出一種僅用 2 位