基于SPCE061A的多功能信号发生器.docVIP

东 北 石 油 大 学课 程 设 计课 程 通信电子线路课程设计 题 目 基于SPCE061A的多功能信号发生器设计 院 系 电气信息工程学院 专业班级 信11-1 学生姓名 学生学号 指导教师 任晶秋 张秀艳 2013年 7月 19 日东北石油大学课程设计任务书课程 通信电子线路课程设计 题目 基于SPCE061A的多功能信号发生器设计 专业 通信工程 姓名 学号 主要内容、基本要求、主要参考资料等主要内容：根据基本要求对SPCE061A单片机进行原理分析并完成硬件电路设计、信号发生电路原理论证及信号分析与计算。基本要求：1. 可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等几种周期性信号；2. 可以用键盘编辑生成正弦波、方波、三角波这三种信号的线性组合；3. 增加外部存储器后可以方便的是现信号存储功能，即有记忆功能系统以实现的功能；4. 信号存储功能可存储掉电前用户编辑的信号和设置；5. 可实现用键盘编辑产生任意信号。主要参考资料： 1刘乐善.微型计算机接口技术及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2001.258264. 2 童诗白.模拟电路技术基础M.北京：高等教育出版社，2000.171202. 3 张友德.单片微型机原理、应用与实践M.上海：复旦大学出版社，2004.4044. 完成期限 2013.7.15 2013.7.19 指导教师 2013年 7 月 15 日专业负责人 摘要 该信号发生器采用SPCE06lA芯片作为系统的CPU，配以少量的外围接口芯片，构成单片机的最小控制系统。该多功能信号发生器可产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定信号。信号产生原理：5V电源经二极管降压后得到3.6V电压用作单片机电源。人机对话部分用A口组成键盘及数码管显示；信号输出部分用SPCE06lA提供的2个10位的数模转换器，即DACl和DAC2，以及外部运放电路组成。将生成信号的数据写入DAC1后，数字量转换为模拟量经DAC1引线端输出，输出电流加在电阻R9上形成信号电压，信号电压经运放U2A组成的跟随器输入数字电位器DP1(MAX5400)的高端，数字电位器DP1将分压后信号输入由运放U2C组成的跟随器后输入由运放U2D组成的运算放大器放大后输出。关键词：信号发生器；单片机；SPCE061A；运算放大器目录1.设计要求12.设计方案1 2.1方案分析1 2.2 SPCE061A单片机简介13.单元电路设计、参数计算和器件选择2 3.1单元电路设计2 3.2参数计算2 3.3 器件选择34.信号发生的原理3 4.1信号发生电路原理3 4.2信号分析与计算5 4.3系统主要程序流程框图65.总结76.系统需要的元器件清单7参考文献7通信电子线路课程设计（报告）1.设计要求（1）.可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等几种周期性信号；（2）.可以用键盘编辑生成正弦波、方波、三角波这三种信号的线性组合；（3）.增加外部存储器后可以方便的是现信号存储功能，即有记忆功能系统可以实现的功能；（4）.信号存储功能可存储掉电前用户编辑的信号和设置；（5）.可实现用键盘编辑产生任意信号。扩展要求：输出信号的幅度和频率要求连续可调，幅度范围为0-5V，频率范围100Hz-10KHz。2.设计方案2.1方案分析 信号发生器是科研及工程实践中最重要的仪器之一，以往多用硬件组成，系统结构比较复杂，可维护性和可操作性不佳。随着计算机技术的发展，信号发生器的设计制作越来越多的是用计算机技术，种类繁多，价格、性能差异很大。本文介绍一种基于凌阳公司SPCE061A单片机设计的信号发生器，其特点是系统结构简单、成本低，使用方便，实用价值高。基本性能如下：可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波等几种周期性信号；可以用键盘编辑生成正弦波、方波、三角波这三种信号的线性组合。增加外部存储器后可以方便的是现信号存储功能，即有记忆功能系统可以实现的功能；信号存储功能可存储掉电前用户编辑的信号和设置；可实现用键盘编辑产生任意信号。本次设计采用Protel DXP软件支持，从而模拟出实物电路，并测试信号输出，对各级参数调节，以达到理想结果。2.2 SPCE061A单片机简介SPCE061A的结构框图如图1所示。图1 SPCE061A的结构框图SPCE061A的CPU为16位微处理器，其内部含有8个寄存器，4个通用寄存器RlR4，1个程序计数器PC，1个堆栈指针SP，1个基址指针BP，1个段寄存器SR，通用寄存器R3和R4结合组成一个32位寄存器MR，MR可以作为乘法运算和内积运算的目标寄存器。内嵌2kB的SRAM和32kB闪存FLASH ROM。系统时钟由锁相环(PLL)振荡器为系统提供一个实时时钟的基频(32768Hz)，然后将基基频进行倍频，调整至49.152MH2，40.96MHz，32.768MHz，24.576MHz或20.480MHz。系统默认的PLL自激振荡频率为24.576MHz。系统时钟频率(Fosc)和CPU时钟频率(CPUCLK)可通过编程来控制。默认的Fosc、CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/8。通过对32768Hz实时时钟源分频而提供了多种实时时钟中断源。3.单元电路设计、参数计算和器件选择3.1单元电路设计每个单元电路设计前都需明确本单元电路的任务，详细拟定出单元电路的性能指标，与前后级之间的关系，分析电路的组成形式。具体设计时，可以模仿成熟的先进的电路，也可以进行创新或改进，但必须保证性能要求。而且，不仅单元电路本身要设计合理，各单元电路间也要互相配合，注意各部分的输入信号、输出信号和控制信号之间的关系。3.2参数计算为保证单元电路达到功能指标的要求，需要用电子技术知识对参数进行计算。参数计算时，同一个电路可能有几组数据，注意选择一组能完成电路设计要求的功能、在实践中能真正可行的参数。计算电路参数时应注意下列问题：元器件的工作电流、电压、频率和功耗等参数应能满足电路指标的要求；元器件的极限参数必须留有足够充裕量，一般应大于额定值的1.5倍；电阻和电容的参数应选计算值附近的标称值。3.3 器件选择阻容元件的选择：设计时要根据电路的要求选择性能和参数合适的阻容元件，并要注意功耗、容量、频率和耐压范围是否满足要求。分立元件的选择：分立元件包括 二极管、晶体三极管、场效应管、光电二（三）级管、晶闸管等。根据其用途进行选择。注意选择的器件种类、参数等满足设计要求。集成电路的选择：选择的集成电路不仅要在功能和特性上实现设计方案，而且要满足功耗、电压、速度、价格等多方面的要求。4.信号发生的原理4.1信号发生电路原理图2信号发生原理图信号发生电路原理框图如图2所示。该信号发生器采用SPCE06lA芯片作为系统的CPU，配以少量的外围接口芯片，构成单片机的最小控制系统。5V电源经二极管降压后得到3.6V电压用作单片机电源。人机对话部分用A口组成键盘及数码管显示(图中略去未画)；信号输出部分用SPCE06lA提供的2个10位的数模转换器，即DACl和DAC2，以及外部运放电路组成。多功能信号发生器可产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定信号。信号的发生方法有两种：一是采用硬件，二是采用软件。如果采用硬件方法可以使频率范围做得很大，然而为了配合智能化设置，其幅度、频率的调整，仍然要利用软件驱动I/O口进行切换，对于信号发生器来说，输出的信号种类较多，采用硬件的方法会使硬件电路相当复杂，并且调试也很困难故障率也会大大增加。本设计中采用软、硬件相结合方法，可节约大量的硬件电路，信号的种类、频率完全由软件通过D/A变换来产生，幅度调整由可以用数字量控制的硬件电路实现。在高频端采用软件压缩的方法，可以得到较好的效果。信号生成过程如下将生成信号的数据写入DAC1后，数字量转换为模拟量经DAC1引线端输出，输出电流加在电阻R9上形成信号电压，信号电压经运放U2A组成的跟随器输入数字电位器DP1(MAX5400)2的高端，数字电位器DP1将分压后信号输入由运放U2C组成的跟随器后输入由运放U2D组成的运算放大器放大后输出。由于单片机的DAC只能输出电流，在电阻R9上形成的信号电压始终0，要输出正反相信号需调整信号信号的电平，为此，利用DAC2输出电流加在电阻R8上形成偏置电压，经由运放U2A组成的反相器形成负偏置电压(Vr)后，加在输出放大器U2D输入端，达到调整输出信号电平的目的。图3 电平调整原理 输出信号幅度的调节方式：在05V的(峰峰值)范围，要实现步进0.1V，如果完全使用软件实现，失真会非常严重。因为10位输出按0.1V步进，则峰峰值最小为0.1V；又因为D/A数字最大为1023，输出对应5V，则0.1对应数字20，在这个很小的范围内，输出各种信号失真会很大。为了减小失真度，将信号峰峰值固定对应数字1023，而其中参考电压由DAC2提供，以实现步进幅度为0.1V要求的硬件原理。低电压输出时信号时，这里使用数字电位器DP1的是调整输出信号的信号，数字电位器DP1产生的偏差通过输入DAC1的数字量进行修正，为此需要检测输出信号与期望值的偏差，所以系统中将数字电位器分压信号反馈给SPCE061A的模数转换通道(IOA0)，借以检测输出信号是否达到规定要求。实验测量信号电压可实现0.02V幅度步进。信号电平调整原理如图3所示。图3(a)为数字电位器分压信号，图3(b) DAC2提供的由反相器U2A形成的负偏置电压(Vr)，图3(c)为输出放大器U2D放大后的输出信号。系统中运放采用一片TI公司的4运放芯片TLC22543，该芯片为rail-to-rail型低功耗运放，可以提供-5V+5V摆幅输出。为使输出信号得到进一步改善，在输出端再加1级RC低通滤波器，以实现输出信号的平滑。4.2信号分析与计算 (1)正弦波信号计算由于信号都是周期性的，所以只要设计出一个完整周期的正弦波。在信号输出部分，采用了10位的D/A变换器，其最大输出值为1023。为了与D/A变换器相适应，在2一个周期内，将其输出信号的幅值、角频率量化，如图3(a)所示，将正弦波向上平移，使其最低点为0，而且对于奇函数，其傅里叶级数只能用正弦项表示，即有 (1) (2) 式中。由此可以求出1024个离散值，形成数据表，以备计算驱动程序调用。 （2）三角波的计算图4三角波信号形成原理 三角波信号形成原理如图4所示，按DAC满幅输出计算三角波的上升沿和下降沿的N个DAC输出的小阶梯，由于阶梯很小从宏观上看它可以近似成三角波波信号，如图4中实线所画的波形。阶梯之间的时间间隔t1，t2由定时器TimerA 的定时值决定通过改变t1和t2的值来改变三角波信号上升沿和下降沿的时间T1、T2从而改变三角波信号的频率。(3)方波信号的计算方波计算比较简单，只需根据给出高电平时间t1和低电平t2时间，分别用定时器计时即可实现。以上计算所的数据(10位有效数据)在写入DAC寄存器时，要写入DAC数据寄存器的高10位。因为，SPCE06lA的DAC数据寄存器中只有高10为有效，低6位无意义。4.3系统主要程序流程框图正弦波三角波方波其他有键按下输出扫描键盘YN计算图5主程序流程选择输出 初始化显示设计数据主程序流程如图5所示。5.总结由于采用硬件数字电位器分压和软件修正的措施，再结合具有较高性能价格比的单片机SPCE061A，不仅使系统输出的信号电压的精度较高，而且简化了电路结构。此多功能信号发生器操作简单、显示直观，可同时查看信号类型、频率和幅值。总体性能优于传统的信号发生器，有很好的发展前景另外，利用SPCE061A的串行接口可以方便地与计算机进行通信，接收计算机的指令，进而可以组成测控、测量一体化系统。利用麦克风通道(MIC IN)输入语音信号，DACl，DAC2输出语音信号，可实现简单的人机语音对话功能，使人机接口更加人性化。6.系统需要的元器件清单表1 元器件清单元器件类型元器件规格元件标号备注数量单片机SPCE061AU11二极管 D1 2运算放大器TLC225U2A1运算放大器TLC224U2B,U2C.U2D3电阻R32.4K2电阻R8，R94.3K1电阻R2，R4，R6，R710K4电阻R15K1电阻R530K1数字电位器MAX5400ADP11参考文献1刘乐善.微型计算机接口技术及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，2001.258264.2 童诗白.模拟电路技术基础M.北京：高等教育出版社，2000.171202.3 张友德.单片微型机原理、应用与实践M.上海：复旦大学出版社，2004.4044. 4 德州仪器公司IC数据手册EB/OL.5 美信IC数据手册EB/OL.7东北石油大学课程设计成绩评价表 课程名称通信