数字信号处理课程设计实训论文-基于嵌入式ARM的简易DA转换器的设计.doc

目 录前言11嵌入式系统基础11.1ARM处理器概述11.2嵌入式系统的基本概念21.2.1概述21.2.2嵌入式系统的特点31.2.3嵌入式系统的组成41.2.4嵌入式系统的应用领域62LPC2131系统核心应用72.1LPC2131概述72.2LPC2131主要性能特点：82.3PWM原理92.3.1特性92.3.2引脚描述102.3.3描述102.3.4PWM 基本操作方法113Proteus仿真软件124系统设计124.1系统框图134.2系统工作原理134.3各个功能块的实现原理及分析134.3.1滤波器设计134.3.2正弦波的产生144.3.3三角波的产生144.3.4幅度的控制144.3.5频率的控制145系统调试15总结17谢 辞18参考文献19附录2023前言随着信息技术和网络技术的高速发展，嵌入式产品日益广泛地油渗透到日常生活中、科学研究和军事技术等领域。从家用洗衣机、电机箱，到交通工具，以及办公室的远程会议，都使用了嵌入式产品。为了实现计算机的自动测量与控制, 越来越多的领域采用了转换技术。随着大规模集成电路芯片技术的发展, 速度更快、精度更高、使用更方便的集成电路芯片层出不穷。本文介绍了公司推出的一种新型转换芯片的主要特点和引脚功能。另外,由于微处理器的价格不断下降,用户已可以大量使用,而微处理器则更是受到青睐,并将在某些领域替代原来的位单片机。其中,嵌入式微处理器系列处于领先地位。本文介绍基于ARM嵌入式系统利用LPC2131的PWM功能输出产生模拟电压输出，产生固定的正弦波信号、三角波信号。1 嵌入式系统基础1.1 ARM处理器概述ARM（Advanced RISC Machines），既可认为是一个公司的名字，也可认为是对一类微处理器的统称。ARM是微处理器行业的一家知名企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入控制、消费/教育类多媒体、DSP和移动式应用等。1991 年 ARM 公司成立于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 ARM技术知识产权（ IP ）核的微处理器，即我们通常所说的 ARM 微处理器，已遍及工业控制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 ARM 技术的微处理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75 以上的市场份额， ARM 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。ARM 公司是专门从事基于 RISC 技术芯片设计开发的公司，作为知识产权供应商，本身不直接从事芯片生产，靠转让设计许可由合作公司生产各具特色的芯片，世界各大半导体生产商从ARM公司购买其设计的 ARM 微处理器核，根据各自不同的应用领域，加入适当的外围电路，从而形成自己的 ARM 微处理器芯片进入市场。目前，全世界有几十家大的半导体公司都使用 ARM 公司的授权，因此既使得 ARM 技术获得更多的第三方工具、制造、软件的支持，又使整个系统成本降低，使产品更容易进入市场被消费者所接受，更具有竞争力。ARM处理器的三大特点是：耗电少功能强、16位/32位双指令集和众多合作伙伴。用ARM处理器做的嵌入式系统更是前途广阔，接下来就简介开发工具、操作系统等研发设计及制造的公司或组织。1.2 嵌入式系统的基本概念1.2.1 概述根据IEEE（国际电机工程师协会）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助装置、机器和设备运行的装置”（devices used to control, monitor, or assist the operation of equipment, machinery or plants）。从中可以看出嵌入式系统是软件和硬件的综合体，还可以涵盖机械等附属装置。目前国内一个普遍被认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般就具备以下4个特点： 1）对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。 2）具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。 3）可扩展的处理器结构，以能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。 4）嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW甚至W级。嵌入式计算机系统同通用型计算机系统相比具有以下特点： 1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU与通用型的最大不同就是嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，它通常都具有低功耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用CPU中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，跟网络的耦合也越来越紧密。 2.嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 3.嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能，这样才能在具体应用中对处理器的选择更具有竞争力。 4.嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起，它的升级换代也是和具体产品同步进行，因此嵌入式系统产品一旦进入市场，具有较长的生命周期。 5.为了提高执行速度和系统可靠性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而不是存贮于磁盘等载体中。 6.嵌入式系统本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 7.目前，嵌入式系统多用于手机等操作系统的开发。具有巨大的市场潜力.1.2.2 嵌入式系统的特点这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面：一是芯片技术的发展，使得单个芯片具有更强的处理能力，而且使集成多种接口已经成为可能，众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。另一方面的原因就是应用的需要，由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高，使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出，成为近年来令人关注的焦点。 从上面的定义，我们可以看出嵌入式系统的几个重要特征： 1系统内核小。由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的，系统资源相对有限，所以内核较之传统的操作系统要小得多。比如Enea公司的OSE分布式系统，内核只有5K，而Windows的内核？简直没有可比性。 2专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行系统的移植，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。同时针对不同的任务，往往需要对系统进行较大更改，程序的编译下载要和系统相结合，这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。 3系统精简。嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分，不要求其功能设计及实现上过于复杂，这样一方面利于控制系统成本，同时也利于实现系统安全。 4高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。而且软件要求固态存储，以提高速度；软件代码要求高质量和高可靠性。 5嵌入式软件开发要想走向标准化，就必须使用多任务的操作系统。嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行；但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口，用户必须自行选配RTOS（RealTime Operating System）开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、可靠性，并减少开发时间，保障软件质量。 6嵌入式系统开发需要开发工具和环境。由于其本身不具备自举开发能力，即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的，必须有一套开发工具和环境才能进行开发，这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。开发时往往有主机和目标机的概念，主机用于程序的开发，目标机作为最后的执行机，开发时需要交替结合进行。1.2.3 嵌入式系统的组成一个嵌入式系统装置一般都由嵌入式计算机系统和执行装置组成，如图1-1所示，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，由硬件层、中间层、系统软件层和应用软件层组成。执行装置也称为被控对象，它可以接受嵌入式计算机系统发出的控制命令，执行所规定的操作或任务。执行装置可以很简单，如手机上的一个微小型的电机，当手机处于震动接收状态时打开；也可以很复杂，如SONY 智能机器狗，上面集成了多个微小型控制电机和多种传感器，从而可以执行各种复杂的动作和感受各种状态信息。下面对嵌入式计算机系统的组成进行介绍。1）硬件层硬件层中包含嵌入式微处理器、存储器（SDRAM、ROM、Flash等）、通用设备接口和I/O接口（A/D、D/A、I/O等）。在一片嵌入式处理器基础上添加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个嵌入式核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。（1）嵌入式微处理器嵌入式系统硬件层的核心是嵌入式微处理器，嵌入式微处理器与通用CPU最大的不同在于嵌入式微处理器大多工作在为特定用户群所专用设计的系统中，它将通用CPU许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化，同时还具有很高的效率和可靠性。嵌入式微处理器的体系结构可以采用冯诺依曼体系或哈佛体系结构；指令系统可以选用精简指令系统（Reduced Instruction Set Computer，RISC）和复杂指令系统CISC（Complex Instruction Set Computer，CISC）。RISC计算机在通道中只包含最有用的指令，确保数据通道快速执行每一条指令，从而提高了执行效率并使CPU硬件结构设计变得更为简单。嵌入式微处理器有各种不同的体系，即使在同一体系中也可能具有不同的时钟频率和数据总线宽度，或集成了不同的外设和接口。据不完全统计，目前全世界嵌入式微处理器已经超过1000多种，体系结构有30多个系列，其中主流的体系有ARM、MIPS、PowerPC、X86和SH等。但与全球PC市场不同的是，没有一种嵌入式微处理器可以主导市场，仅以32位的产品而言，就有100种以上的嵌入式微处理器。嵌入式微处理器的选择是根据具体的应用而决定的。（2）存储器嵌入式系统需要存储器来存放和执行代码。嵌入式系统的存储器包含Cache、主存和辅助存储器。1CacheCache是一种容量小、速度快的存储器阵列它位于主存和嵌入式微处理器内核之间，存放的是最近一段时间微处理器使用最多的程序代码和数据。在需要进行数据读取操作时，微处理器尽可能的从Cache中读取数据，而不是从主存中读取，这样就大大改善了系统的性能，提高了微处理器和主存之间的数据传输速率。Cache的主要目标就是：减小存储器（如主存和辅助存储器）给微处理器内核造成的存储器访问瓶颈，使处理速度更快，实时性更强。在嵌入式系统中Cache全部集成在嵌入式微处理器内，可分为数据Cache、指令Cache或混合Cache，Cache的大小依不同处理器而定。一般中高档的嵌入式微处理器才会把Cache集成进去。2主存主存是嵌入式微处理器能直接访问的寄存器，用来存放系统和用户的程序及数据。它可以位于微处理器的内部或外部，其容量为256KB1GB，根据具体的应用而定，一般片内存储器容量小，速度快，片外存储器容量大。常用作主存的存储器有：ROM类 NOR Flash、EPROM和PROM等。RAM类 SRAM、DRAM和SDRAM等。其中NOR Flash 凭借其可擦写次数多、存储速度快、存储容量大、价格便宜等优点，在嵌入式领域内得到了广泛应用。3辅助存储器辅助存储器用来存放大数据量的程序代码或信息，它的容量大、但读取速度与主存相比就慢的很多，用来长期保存用户的信息。嵌入式系统中常用的外存有：硬盘、NAND Flash、CF卡、MMC和SD卡等。(3)通用设备接口和I/O接口嵌入式系统和外界交互需要一定形式的通用设备接口，如A/D、D/A、I/O等，外设通过和片外其他设备的或传感器的连接来实现微处理器的输入/输出功能。每个外设通常都只有单一的功能，它可以在芯片外也可以内置芯片中。外设的种类很多，可从一个简单的串行通信设备到非常复杂的802.11无线设备。目前嵌入式系统中常用的通用设备接口有A/D（模/数转换接口）、D/A（数/模转换接口），I/O接口有RS-232接口（串行通信接口）、Ethernet（以太网接口）、USB（通用串行总线接口）、音频接口、VGA视频输出接口、I2C（现场总线）、SPI（串行外围设备接口）和IrDA（红外线接口）等。2)中间层硬件层与软件层之间为中间层，也称为硬件抽象层（Hardware Abstract Layer，HAL）或板级支持包（Board Support Package，BSP），它将系统上层软件与底层硬件分离开来，使系统的底层驱动程序与硬件无关，上层软件开发人员无需关心底层硬件的具体情况，根据BSP 层提供的接口即可进行开发。该层一般包含相关底层硬件的初始化、数据的输入/输出操作和硬件设备的配置功能。BSP具有以下两个特点。硬件相关性：因为嵌入式实时系统的硬件环境具有应用相关性，而作为上层软 件与硬件平台之间的接口，BSP需要为操作系统提供操作和控制具体硬件的方法。操作系统相关性：不同的操作系统具有各自的软件层次结构，因此，不同的操作系统具有特定的硬件接口形式。实际上，BSP是一个介于操作系统和底层硬件之间的软件层次，包括了系统中大部分与硬件联系紧密的软件模块。设计一个完整的BSP需要完成两部分工作：嵌入式系统的硬件初始化以及BSP功能，设计硬件相关的设备驱动。1.2.4 嵌入式系统的应用领域嵌入式系统技术具有非常广阔的应用前景，其应用领域可以包括： 工业控制： 基于嵌入式芯片的工业自动化设备将获得长足的发展，目前已经有大量的8、16、32 位嵌入式微控制器在应用中，网络化是提高生产效率和产品质量、减少人力资源主要途径，如工业过程控制、数字机床、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统。就传统的工业控制产品而言，低端型采用的往往是位单片机。但是随着技术的发展，32位、64位的处理器逐渐成为工业控制设备的核心，在未来几年内必将获得长足的发展。 交通管理： 在车辆导航、流量控制、信息监测与汽车服务方面，嵌入式系统技术已经获得了广泛的应用，内嵌GPS模块，GSM模块的移动定位终端已经在各种运输行业获得了成功的使用。目前GPS设备已经从尖端产品进入了普通百姓的家庭，只需要几千元，就可以随时随地找到你的位置。 信息家电： 这将称为嵌入式系统最大的应用领域，冰箱、空调等的网络化、智能化将引领人们的生活步入一个崭新的空间。即使你不在家里，也可以通过电话线、网络进行远程控制。在这些设备中，嵌入式系统将大有用武之地。 家庭智能管理系统： 水、电、煤气表的远程自动抄表，安全防火、防盗系统，其中嵌有的专用控制芯片将代替传统的人工检查，并实现更高，更准确和更安全的性能。目前在服务领域，如远程点菜器等已经体现了嵌入式系统的优势。 POS网络及电子商务： 公共交通无接触智能卡(Contactless Smartcard, CSC)发行系统，公共电话卡发行系统，自动售货机，各种智能ATM终端将全面走入人们的生活，到时手持一卡就可以行遍天下。 环境工程与自然： 水文资料实时监测，防洪体系及水土质量监测、堤坝安全，地震监测网，实时气象信息网，水源和空气污染监测。在很多环境恶劣，地况复杂的地区，嵌入式系统将实现无人监测。 机器人： 嵌入式芯片的发展将使机器人在微型化，高智能方面优势更加明显，同时会大幅度降低机器人的价格，使其在工业领域和服务领域获得更广泛的应用。 这些应用中，可以着重于在控制方面的应用。就远程家电控制而言，除了开发出支持TCP/IP的嵌入式系统之外，家电产品控制协议也需要制订和统一，这需要家电生产厂家来做。同样的道理，所有基于网络的远程控制器件都需要与嵌入式系统之间实现接口，然后再由嵌入式系统来控制并通过网络实现控制。所以，开发和探讨嵌入式系统有着十分重要的意义。 2 LPC2131系统核心应用在本次设计中选用LPC2131作为系统的微控制器，它是32位微控制器，并以很高的性价比赢得了越来越多的用户的青睐。随着科技和工艺的进步，32位微控制器的优势会更加凸现出来，将会成为嵌入式系统的主流。2.1 LPC2131概述LPC2131FBD64微控制器是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32ARM7TDMI-SCPU,并带有32kB嵌入的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。较小的封装和很低的功耗使LPC2131FBD64特别适用于访问控制和POS机等小型应用中；由于内置了宽范围的串行通信接口和8kB的片内SRAM,它们也非常适合于通信网关、协议转换器、软件modem、语音识别、低端成像,为这些应用提供大规模的缓冲区和强大的处理功能。多个32位定时器、1个10位8路的ADC、10位DAC、PWM通道、47个GPIO以及多达9个边沿或电平触发的外部中断使它们特别适用于工业控制应用以及医疗系统2.2 LPC2131主要性能特点：- 16/32位ARM7TDMI-S核,超小LQFP64封装。- 8kB的片内静态RAM和32kB的片内Flash程序存储器。- 128位宽度接口/加速器可实现高达60MHz工作频率。- 通过片内boot装载程序实现在系统编程/在应用编程(ISP/IAP)。- 单个Flash扇区或整片擦除时间为400ms。-256字节行编程时间为1ms。- EmbeddedICE RT和嵌入式跟踪接口通过片内RealMonitor软件对代码进行实时调试和高速跟踪。- 1个8路10位的A/D转换器,共提供16路模拟输入, 每个通道的转换时间低2.44us。- 2个32位定时器/外部事件计数器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)和看门狗。- 低功耗实时时钟具有独立的电源和特定的32kHz时钟输入。- 多个串行接口,包括2个16C550工业标准UART、2个高速I2C总线(400 kbit/s)、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP。- 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址。- 小型的LQFP64封装上包含多达47个通用I/O口(可承受5V电压)。- 多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚。- 通过片内PLL(100us的设置时间)可实现最大为60MHz 的 CPU操作频率。- 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为130 MHz, 与外部振荡器的操作频率范围高达50MHz。- 低功耗模式：空闲和掉电。- 可通过个别使能/禁止外部功能和外围时钟分频来优化功耗。- 通过外部中断或BOD将处理器从掉电模式中唤醒。- 单电源,具有上电复位(POR)和掉电检测(BOD)电路：CPU 操作电压范围：3.03.6 V(3.3 V10%),I/O口可承受5V的电压。图1 LPC2131管脚图2.3 PWM原理LPC2114/2124/2210/2212/2214 的脉宽调制器建立在标准定时器之上（此定时器是PWM专用的，不是定时器0 或定时器1），通过匹配功能及一些控制电路来实现PWM 输出。2.3.1 特性带可编程32 位预分频器的32 位定时器/计数器7 个匹配寄存器，可实现6个单边沿控制或3 个双边沿控制PWM 输出，或这两种类型的混合输出：连续操作，可选择在匹配时产生中断匹配时停止定时器，可选择产生中断匹配时复位定时器，可选择产生中断支持单边沿控制和双边沿控制的PWM 输出。单边沿控制PWM 输出在每个周期开始时总是为高电平，除非输出保持恒定低电平，如图5.64 所示(其中T 表示一个PWM 周期)。双边沿控制PWM 输出可在一个周期内的任何位置产生边沿，这样就可以产生正或负脉冲，如图2.1 所示。 图2 不同占空比的单边沿控制PWM 输出图2.2 双边沿控制PWM 输出的正负脉冲脉冲周期和宽度可以是任何的定时器计数值。这样可实现灵活的分辨率和重复速率的设定。所有PWM 输出都以相同的重复率发生。匹配寄存器更新与脉冲输出同步，防止产生错误的脉冲。软件必须在新的匹配值生效之前设置好这些寄存器。如果不使能PWM 模式，可作为一个标准定时器2.3.2 引脚描述汇集了所有与PWM相关的引脚，如下表所示。表1 与PWM相关得引脚引脚名称引脚方向引脚描述PWM1输出PWM通道1 输出PWM2输出PWM通道2 输出PWM3输出PWM通道3 输出PWM4输出PWM通道4 输出PWM5输出PWM通道5 输出PWM6输出PWM通道6 输出2.3.3 描述PWM基于标准的定时器模块并具有其所有特性。不过LPC2114/2124/2210/2212/2214只将其PWM 功能输出到引脚。定时器对外设时钟(pclk)进行计数，定时控制是基于7 个匹配寄存器，在到达指定的定时值时可选择产生中断或执行其它动作。PWM 功能是一个附加特性，建立在匹配寄存器事件基础之上。单边沿控制PWM 描述。两个匹配寄存器可用于提供单边沿控制的PWM 输出。一个匹配寄存器（PWMMR0）通过匹配时重新设置计数值来控制PWM 周期。另一个匹配寄存器控制PWM 边沿的位置。每个额外的单边沿控制PWM 输出只需要一个匹配寄存器，因为所有PWM 输出的重复率是相同的，都是使用匹配寄存器0 来控制的。多个单边沿控制PWM 输出在每个PWM 周期的开始，当PWMMR0(即匹配寄存器0)发生匹配时，输出都会变为高电平。双边沿控制PWM 描述。3 个匹配寄存器可用于提供一个双边沿控制PWM 输出。也就是说，PWMMR0 匹配寄存器控制PWM 周期，其它匹配寄存器控制两个PWM边沿位置。每个额外的双边沿控制PWM 输出只需要两个匹配寄存器，因为所有PWM 输出的重复率是相同的，都是使用匹配寄存器0 来控制的。使用双边沿控制PWM 输出时，指定的匹配寄存器控制输出的上升和下降沿。这样就产生了正脉冲（当上升沿先于下降沿时）和负脉冲（当下降沿先于上升沿时）。独立控制上升和下降沿位置的能力使PWM 可以应用于更多的领域。例如，多相位电机控制通常需要3 个非重叠的PWM 输出，而这3 个输出的脉宽和位置需要独立进行控制。使用双边沿PWM 输出时，建议使用PWM2、PWM4、PWM6；使用单边PWM 输出时，在PWM 周期开始时为高电平，匹配后为低电平，使用PWMMR0 作为PWM周期控制，PWMMRx 作为占空比控制。表2 PWM寄存器1. PWM1 单边沿控制设置PWM1 输出。设置PWM1 为单边沿控制的PWM 输出，PWM 周期由匹配寄存器0 控制，当匹配寄存器0 匹配时，PWM1 输出高电平，PWM 占空比由匹配寄存器1 控制，当匹配寄存器1 匹配时，PWM1 输出低电平。2. PWM2 双边沿控制设置PWM2 输出双边沿控制PWM。进行双边沿控制PWM 输出时，使用匹配寄存器1的匹配控制PWM2 输出高电平，而匹配寄存器2 自身匹配控制PWM2 输出低电平，PWM周期由匹配寄存器0 控制。2.3.4 PWM 基本操作方法连接PWM 功能引脚输出，即设置PINSEL0、PINSEL1；设置PWM 定时器的时钟分频值 (PWMPR)，得到所要的定时器时钟；设置比较匹配控制(PWMMCR)，并设置相应比较值(PWMMRx)；设置PWM 输出方式并允许PWM 输出(PWMPCR)及锁存使能控制(PWMLER)；设置PWMTCR，启动定时器，使能PWM；运行过程中要更改比较值时，更改之后要设置锁存使能。3 Proteus仿真软件Proteus软件是来自英国Labcenter electronics公司的EDA工具软件，Proteus软件有十多年的历史，在全球广泛使用，除了其具有和其它EDA工具一样的原理布图、PCB自动或人工布线及电路仿真的功能外，其革命性的功能是，他的电路仿真是互动的，针对微处理器的应用，还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，并实现软件源码级的实时调试，如有显示及输出，还能看到运行后输入输出的效果，配合系统配置的虚拟仪器如示波器、逻辑分析仪等，您不需要别的，Proteus为您建立了完备的电子设计开发环境！尤其重要的是Proteus Lite可以完全免费，也可以花微不足道的费用注册达到更好的效果;功能最强的Proteus专业版也非常便宜，人人用得起，对高校还有更多优惠。Proteus组合了高级原理布图、混合模式SPICE仿真,PCB设计以及自动布线来实现一个完整的电子设计系统。此系统受益于15年来的持续开发,被电子世界在其对PCB设计系统的比较文章中评为最好产品“The Route to PCB CAD”。Proteus 产品系列也包含了我们革命性的VSM技术,用户可以对基于微控制器的设计连同所有的周围电子器件一起仿真。用户甚至可以实时采用诸如LED/LCD、键盘、RS232终端等动态外设模型来对设计进行交互仿真其功能模块。4 系统设计D/A转换器的设计的基本要求:1、直接利用芯片PWM功能实现D/A转换；2、能够输出固定的1V/1KHZ正弦波信号；3、能够输出固定的1V/1KHZ的三角波信号。4.1 系统框图图3 D/A转换系统框图4.2 系统工作原理用各功能模块实现波形产生电路，通过软件将波形数据存储到RAM当中去，再把这些数据输送到D/A转换器进行转换得到模拟波形。同LPC2131的PWM5引脚输出的PWM信号经过R1和R3构成的一阶无源滤波输出PWM式DAC波形输出，通过按键控制正弦波信号、三角波信号显示。如下图所示。图4 系统原理图4.3 各个功能块的实现原理及分析4.3.1 滤波器设计直接采用RC过程的简单的滤波电路，此方法设计简单，又完全满足设计要求。采用这种结构，一是因为RC滤波器结构简单，二是为了实现低功耗，尽量避免采用有源器件。 用于交流信号的滤波器是一个双极点级联RC滤波器。如果滤波器阶数过高，可以采用提高的抽样频率的办法来降低滤波器阶数。当R2 ? R1时滤波器的响应较好。但是如果截至频率很接近信号带宽边沿，将会导致相当大的衰减。因此为了减小滤波器的衰减，截至频率应该大于信号带宽边沿，但是要远小于PWM信号的频率。用于产生直流电平的滤波器仅仅是用来储存电荷的，而不像交流信号滤波器那样用来滤波。因此采用了一个简单的单极RC滤波器。4.3.2 正弦波的产生 本设计中信号的产生直接用LPC2138芯片上集成的D/A转换器和软件的结合来生成。波形的信号数据采用了函数计算的方法来取得： Y=sin(N)7 （3-1）其中，N表示所要取得的点数的多少。在设计中我选择N=1024，即一个完整的基本的正弦信号有1024个数据信号点组成。将数据存储到控制芯片LPC2138的RAM当中，根据所要的频率来取得信号数据的多少，点数多少的计算如下： N=T/2t7 （3-2）其中，N表示点数，T表示所要产生的波形信号的周期，t表示定时器的时间长短.从RAM中 取得点数的间隔为: M=1023/N8 （3-3）其中M表示在RAM中的表格取得点数的间隔.根据不同的间隔的大小决定产生一个完整的波形信号所要的数据多少不同.设计中要求信号的频率为1KHZ,根据奈奎斯特定理，采样的频率最少要为所要信号的频率的两倍，但是为了更好的保证信号的完整输出，我们至少要让它采样10个点才能输出完整波形。4.3.3 三角波的产生在设计中，三角波的产生就直接利用定时器定时时间的长短来控制信号数据的输出，信号数据从一个较低（或高）的位置开始按照一定的规律，当其达到一个高度时再按照相同的步进下降到原来的数据大小，如此反复的输出就构成了三角波模拟信号的输出。4.3.4 幅度的控制在设计中，为了能使波形在示波器中显示，这样就要设定好波形的幅度。在设计时要求波形幅度为1V。4.3.5 频率的控制在输出的信号数据的时间间隔一定时，当产生一个完整波形时所需要的点数发生变化时信号的周期就发生变化，这样它的频率就相应的变化。因此，在设计中，通过固定定时器的定时长短，改变波形数据的点数多少就改变了信号的频率。要求频率输出1KHZ。程序设计分析初始化PLL,PLL使能，总线时钟设置，发送PLL馈送序列，存储加速设置，中断初始化等。void sys_i