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硕士论文一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 摘要 在线可编程任意波形发生器( 程控任意波形发生器) 是开展微流体数字化技术研 究的基础设备。南京理工大学微系统研究室在将微流体数字化技术研究成果应用于细 胞微量注射、基因芯片点样及固体粉末微量输送等具体领域的过程中对任意波形发生 器提出了新的要求。 本论文在参考了国内外及研究室现有任意波形发生器的同时，结合研究室的具体 研究项目，研究并试制了一种基于a t m e g a 8 5 3 5 l 微控制器的程控任意波形发生器， 满足了微流体数字化技术基础研究和应用研究中提出的性能上完善和功能上拓展的 要求。 论文分析了程控任意波形发生器硬件电路的总体结构，设计了各个电路模块，绘 制了系统原理图，加工出了电路板。通过自行开发的上位p c 机控制程序及嵌入式微 控制器，新程控任意波形发生器可实现波形预存储、单次波形发送、编码发送、波形 自动切换等功能。实验表明，新任意波形发生器的控制方式可很好的与数字化微喷射 点样系统相结合，满足了使用需求。 关键词：微流体数字化技术程控任意波形发生器波形预存储 编码发送波形自动切换 a b s t r a c t o nl i n ep r o g r a m m a b l ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri so n eo ft h ei m p o r t a n td e v i c e sf o r d i g i t a l i z a t i o no fm i e r o f l u i d s t h em i c r os y s t e ml a bo f n j u s ti sn o wa p p l y i n gt h es t u d y r e s u l to fd i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d st oc e l lm i e r o i n j e c t i o n , d i g i t a l i z a t i o no f m a t t e r t r a n s p o r t i n ga n de r e a n d ，i nt h i sp r o c e s s ，w ef i n dt h a tab e t t e ra r b i t r a r yw a v e f o r m g e n e r a t o ri sn e e d e d i nt h i sp a p e r , an e w a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri sd i s c u s s e da n dd e s i g n e d ，b a s e do n t h es t u d yo f t h em i c r os y s t e ml a bo f n j u s t t h i sn e w a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o ri s b a s e do na t m e g a 8 5 3 5 lah i 曲p e r f o r m a n c em i c r oc o n t r o lu n i t ，w h i c hf u l f i l sg r o w i n g e x p e r i m e n t a lr e q u e s t s t h i sp a p e ra n a l y s e st h ef r a m e w o r k ，d e s i g n sc i r c u i t sa n d p r o d u c e sp c bf o rt h en e w w a v e f o n ng e n e r a t o r w i t hm ec o n t r o ls o f t w a r eo np ca n dm i c r oc o n t r o lu n i t ( m c u ) e m b e d d e di nw a v e f o r mg e n e r a t o r , t h i sn e wg e n e r a t o rc a l ls t o r ew a v e s b e f o r e h a n d ，p r o d u c e s i n g l ep e r i o d i c a lw a v e f o r m ，a sw e l la sc o n t i n u e dp e r i o d i c a lw a v e f o r m ，o ra sc o d e da n dc a l l a l s oc h a n g es e n d i n gw a v e f o r mb e t w e e ns a v e dw a v e f o r m sw i l l i n g l y e x p e r i m e n ti n d i c a t e s t h a tm i c r oa r r a ys y s t e mc a n i n t e g r a t et h i sn e wa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o rw e l lw h i c h f u l f i l sa p p l i c a t i o nr e q u e s t s k e y w o r d s ：d i g i t a l i z a t i o no fm i c r o f l u i d s ，a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , w a v e f o r m s s t o r i n gb e f o r e h a n d ，s e n d i n gw a v e f o r m sa sc o d e d ，w a v e f o r m sc h a n g i n g 1 1 硕士论文 一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 图表编号 图1 1 1 图2 1 1 图2 2 1 图2 2 2 图2 3 1 图3 2 1 表3 2 1 表3 2 2 表3 2 3 图3 3 1 图3 4 1 图3 4 2 图3 4 3 图3 4 4 图3 5 1 表3 5 1 图3 5 2 图3 5 3 图3 5 4 图3 6 1 图3 6 2 图3 7 1 表3 7 1 图3 8 1 表4 1 1 图表目录 图表名称页码 流动可数字化的效果 2 d d s 原理框图 7 基于i s a 总线的任意波形发生器结构图 9 基于f p g a 实现的任意波形发生器结构图 1 0 任意波形发生器结构框图 1 2 a t m e g a 8 5 3 5 l 最小系统 1 4 a t m e g a 8 5 3 5 l 时钟源选择 l 5 晶体振荡器工作模式选择 1 5 晶体振荡器时钟选项对应的启动时间 1 6 串行数据交换接口电路 1 7 基本锁相环频率合成器原理框图 l8 程控基准频率发生电路 1 9 7 4 h c 4 0 4 6 内部逻辑框图 2 1 频率选择逻辑 2 l m a x 5 0 7 内部逻辑框图 2 2 5 0 7 的真值表 2 2 可变基准电压设定电路 2 3 0 v 1 0 v 单极性输出 2 4 a d 5 6 5 外围电路 2 4 波形数据写入电路 2 5 a t 2 8 c 6 4 写时序( w e 控制) 2 7 地址累加器 2 8 a t m e g a 8 5 3 5 l 引脚分配及初始状态 3 0 31 程控任意波形发生器p c b 样板实物照片 3 2 上位p c 机与微控制器通讯的控制命令解释 3 5 + v 图表目录硕士论文 图4 2 1 1 图4 2 1 2 图4 2 1 3 图4 2 1 4 表4 2 2 1 图5 1 1 1 图5 1 1 2 表5 1 1 1 表5 1 1 2 图5 1 2 1 图5 1 2 2 图5 1 2 3 图5 1 2 4 图5 1 2 5 图5 1 2 6 图5 1 2 7 图5 1 2 8 图5 2 1 图5 2 2 图5 2 3 图5 2 4 图5 2 5 p c 上位机控制程序界面 f i l e 菜单 t o o l s 菜单( 数据写入缓冲区选择) t o o l s 菜单( 数据发送缓冲区选择) 各个子窗口相关信息 程控任意波形发生器设计效果验证实验连接 图 实验波形 设定频率与示波器实测频率对比数据 设定幅值与实测基准电压对比数据 w a v e b u f f e r l 缓冲区波形 w a v e b u f f e r 2 缓冲区波形 w a v e b u f f e r 3 缓冲区波形 w a v e b u f f e r 4 缓冲区波形 b u f 王打1 一) b u 娟：r 牟一) b u f j f - e r 2 一) b u f f e r 3 。切 换效果照片 b u 任白1 一) b u 岱o r 3 一) b u f j f ；。1 4 - 一) b u f f e r 2 切 换效果照片 编码发送控制( 编码信息：1 0 1 1 1 0 0 1 ) 两种波形的混合编码发送控制( 编码信息： 0 1 1 1 0 0 1 ) 数字化点样系统框图 可编程任意波形驱动控制器实物图 数字化微喷射装置点样部分 点样效果图1 点样效果图2 3 6 3 6 3 6 3 7 4 6 5 4 5 5 5 5 5 6 5 8 5 8 5 9 5 9 6 0 6 0 6 1 6 1 6 2 6 2 6 3 6 4 6 4 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均己在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：砑年否月妒日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：伊z 年月弘日 硕士论文 一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 1 绪论 1 1 微流体数字化技术 本论文研究起点是南京理工大学微系统研究室章维一、侯丽雅两位教授发明的、 拥有自主知识产权的“微流体数字化技术”。对于章维一、侯丽雅发明的“微流体数字 化技术”原创性和先进性，在江苏省科技厅于2 0 0 4 年3 月2 3 日主持的“微流体系统数 字化技术”鉴定会上作了肯定( 苏科鉴字 2 0 0 4 第1 4 5 号) 。鉴定意见认为：“微流体 系统数字化技术的研究在基本概念和理论上有原创性，为建立与信息数字化、能量 传输及固体运动数字化有等同意义的物质传输数字化开辟了道路，对微流体系统的研 究和技术进步有重要意义；该项研究总体达到国际先进水平。” “微流体数字化技术”被科技导报( 中国科学技术协会会刊) 遴选为“2 0 0 4 年 中国科学、技术与工程重大进展”。 国家科学技术部基础研究司科技部高技术研究发展中心2 0 0 4 年4 月2 5 日编辑的 基础科学研究快报第4 期( 总第1 5 0 期) 上的国内研究栏目中以“新微流体数字 化技术可使液滴量分辨率达到飞升级”为题报道了这一研究成果。 “微流体数字化技术及其应用”于2 0 0 7 年1 0 月在深圳召开的第九届中国国际高新 技术成果交易会被评为“优秀产品奖”。 “微流体数字化技术”的原创技术特征如下：方法上以脉冲为微流动基本形态；以 脉冲当地惯性力为主动力；以脉冲波形、频率、幅值、相位、波数、波序列为驱动 控制扰动参量；装置上既无微可动件又无嵌入式微电路；以外部宏驱动器影响微流 道内部流动。性能上：适用流体广，包括各种液体和粉体；流动分辨率高达飞升级； 脉冲量规整、序列可控的数字化流动：可靠性高、抗固粒堵塞、气泡阻断；工作条件 利于保持生物活性；结构简、成本低眨枷。 顿十论立 图i11 为采用微流体数字化技术实现的数字化流动效果图 音毒熹i 坠! ! 盟塑塑一 1 2 任意波形发生器简介 图1 1 1 流动可数字化的做果 信号蕴生器( s 1 印a lg e n e r a t o r ) ，叉称信号源或振荡器，是种能在模拟域或数字域 中咀一定频率产生可复现的精确校准信号的电子测拭仪器。根据输出信号波形的不同 信号发生器可以分为：函数信号发生器( 正弦信号发生器、矩形信号发生器、三角波 信号发k 器等) 、脉冲信号技生器、畦机信号发生器及任意波形技牛器等。 任意波形发生器( a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ，a w g ) ，是信号艘生器的一种， 是能够精确产生用户定义的任意波形的电子测试设备。不同于仅能产生有限简单波形 的函数发生器，用户可以对任意波形发生器定义各种不同的复杂可变的波形信号。 根据结构形式，任意波形发生器主要有两种： 独立控制式任意波形发生器 总线控制式任意波形发生器 任意波形发生器的关键技术是频率合成技术，目前常用任意波形发生器的频率合 成技术主要有d d s 技术和可变时钟技术。早期的任意波形发生器仅能输出低频信号 随着数字技术的发展，其输出频率已能达到射频范围。 硕士论文一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 1 3 通用任意波形发生器产品、 目前，国内外可供选择的商品化任意波形发生器较多，如北京普源精电科技有限 公司的d g l 0 0 0 系列函数任意波形发生器t 5 l 、台湾地区固纬电子公司的s f g - - 2 0 0 4 任意波形发生器t 6 l 、美国t e k t r o n i x ( 泰克) 的a f g 3 2 0 0 系列函数任意波形发生器1 7 1 美国a g i l e n t ( 安捷伦) 3 3 2 2 0 a 函数任意波形发生器嘞等。 上述商品化的任意波形发生器一般多具有复杂的功能，主要用于为各种待测的电 路系统提供不同的激励信号以检测其工作性能。由于这些商品化任意波形发生器限制 在电子测量的应用领域，不适于用于微流体数字化技术的基础研究和应用基础研究。 以北京普源精电科技有限公司的d g l 0 0 0 系列函数任意波形发生器 1 为例，产 品的特点及技术指标为：1 ) 采用d d s 直接数字合成技术，输出信号精确、稳定、低 失真，。2 ) 1 0 0m s a s 采样率，1 4 位垂直分辨率，4k 采样点存储深度。3 ) 直观的 图形界面，无需研读说明书即可使用。4 ) 输出十种标准波形：正弦波、方波、锯 齿波、脉冲波、噪声、指数上升、指数下降、s i n c 波、心电图波、直疯。5 ) 直观、 简单地生成用户自行定义的任意波形。6 ) 具有丰富的调制功能，输出各种调制波形： 调幅( a m ) 、调频( f m ) 、调相( p m ) 、频移键控( f s k ) 、扫频( s w e e p ) 、突发( b u r s t ) 。 7 ) 丰富的输入输出：外接调制源，外接基准1 0m h z 时钟源，外触发输入，波形输 出，数字同步信号输出，内部1 0m h z 时钟输出。8 ) 高精度、宽频带频率计，频率 范围高达2 0 0m h z 。9 ) u s bh o s t 插槽，支持u 盘存储。1 0 ) 与d s 系列示波器无 缝互联，直接获取示波器中存储的波形并无损地重现。1 1 ) 多种语言用户界面，嵌 入式帮助系统。 i 其它供应商所提供的产品功能与性能基本和北京普源精电科技有限公司的函数 任意波形发生器相似，具有多种复杂功能。 而南京理工大学微系统研究室使用的程控任意波形发生器与这些商品化的产品 有如下区别： ( 1 ) 微系统研究室使用的压电陶瓷驱动器的频率响应上限为l k h z ，微流体数 字化实验中经常使用的频率段在1 h z - - 一，2 0 0h z 间，所以程控任意波形发生 器的频率输出范围应在1 h z - 1 k i - i z ，而无需达到上兆赫兹； ( 2 ) 微流体数字化技术研究中对各种调制波形也无需求； 3 1 绪论硕士论文 ( 3 ) 商品化的任意波形发生器一般是一个独立的嵌入式系统，体积较大，其输 出的波形也不能直接驱动压电陶瓷，还需后续的功率放大环节进行功率放 大，不利于将任意波形发生器与功率放大器集成在一个机箱内。 基于上述分析，为获得较佳的性价比，及考虑到便于研究成果的推广使用，需要 设计一种满足微流体数字化技术基础研究和应用研究要求的新程控任意波形发生器。 1 4 微流体数字化技术用任意波形发生器技术要求 在微流体数字化技术的技术基础及应用基础研究中，程控任意波形发生器是一种 基础和关键的设备。 程控任意波形发生器提供压电陶瓷驱动器所需的任意波形，中间通过j 个功率放 大器将功率放大后，加到压电陶瓷驱动器上以产生所需的惯性力。 南京理工大学微系统研究室现在使用的程控任意波形发生器是基于工业控制计 算机i s a 总线的扩展板卡，是作为计算机的外设来使用的。可用于微流体数字化技术 的一般性研究。 微流体数字化技术的基础研究和应用研究的深入和发展对程控任意波形发生器 提出了性能上的完善和功能上的拓展要求。 。现用程控任意波形发生器的性能局限 程控任意波形发生器至少需配备一台工业控制计算机，然而目前普遍使用的 p c 机主板大多只提供p c i 扩展插口，与i s a 不相兼容，不利于以后研究成 果的推广使用。 程控任意波形发生器的控制程序属于驱动程序范畴，对其进行功能扩展、程 序调试涉及到总线协议、操作系统驱动程序开发等复杂问题而显的过于困 难。 随着使用次数的增加，由于器件老化，程控任意波形发生器的输出波形出现 高频脉冲干扰，导致实验结果不正确。 不能产生频率为1 h z 的波形，而实验中经常要用到1 h z 的波形。 4 硕士论文 一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 微流体数字化技术用程控任意波形发生器的性能要求 根据对微流体数字化技术基础研究及应用基础研究的需求分析，新研制的程控任 意波形发生器应具有以下工作性能： 能够发送1 h z 及1 h z 以上的任意波形； 频率以1 h z 步进；一 频率、幅值、初始相位及形状在线可变； 可预存储波形以实现在细胞微量注射中的进退针波形自动切换； 有限次( 包括单次) 波形发送，编码发送； 对控制用计算机类型无限制，既可使用工业控制计算机，亦可使用普通p c 机或笔记本电脑，增加了计算机使用的灵活性。 上述工作性能中能够发送1 h z 任意波形、中的初始相位可变、中的编码 发送及是新研制程控任意波形发生器所特有的。 5 l 绪论硕士论文 1 5 课题来源及研究内容 1 5 1 课题来源 本论文在下列科研项目资助下完成： 教育部博士学科点专项科研基金项目“物质数字化中微特性系统及合理流动 形态的理论基础，( 项目编号：2 0 0 6 0 2 8 8 0 0 5 ) 清华大学9 8 5 学科建设项目“数字化微喷射系统研发”( 项目编号：2 0 0 8 0 2 2 7 a ) 1 5 2 论文工作内容 ( 1 ) 分析和选择程控任意波形发生器设计方案。 ( 2 ) 试制程控任意波形发生器硬件电路。 ( 3 ) 开发调试程控任意波形发生器的控制程序，包括上位p c 机控制程序及程控任 意波形发生器嵌入式控制程序。 ( 4 ) 验证程控任意波形发生器设计效果：将新研制的程控任意波形发生器应用于点 样实验测试其工作性能。 6 硕士论文一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 2 程控任意波形发生器的方案选择 。2 1 直接数字频率合成( d d s ) 技术四1 直接数字频率合成( d d s ) 是采用全数字技术、从相位概念出发直接合成所需波 形的一种新的频率合成技术。随着技术和器件水平的提高，这一新型的频率合成技术 得到了飞速发展，成为频率合成的主流技术。 d d s 技术的原理如下图所示： n 位 图2 11 d d s 原理框图 d d s 主要由相位累加器、相位幅度变换器、d a 转换器等部分组成。图中相位 累加器是n 位二进制加法器，用于产生相位幅度变换器的地址信号。相位幅度变换 器是存储器，可以是e p r o m 、e e p r o m 、r a m 等，在其中存储了一个周期波形的 2 n 个等间距采样的瞬时幅度数字值。相位累加器在时钟脉冲的作用下，将频率控制 字m 与相位累加器上一次的输出值相加得到新的相位幅度变换器地址信号；时钟信 号将存储器对应单元中的数字采样点读出，d a 转换器将数字信号转换成模拟信号， 经低通滤波器( l p f ) 输出。频率控制字m 表示累加器的输出步长以m 步进，则合 成波形的频率为： 厶矿器厶 当m = 1 时，得d d s 的最小输出频率也即频率分辨率为： 7 2 任意波形发生器的方案选择硕士论文 ，蜕矿古厶 当m = 2 n 一1 时，d d s 的最高输出频率为： 1 无们一= 专厶 以上结果说明，采用d d s 技术合成频率时，所能合成的最高频率为时钟频率的 一半。频率分辨率取决于累加器的位数n ，n 越大，分辨率越高，频率步进值越小。 但是，随着n 的增大，存储器的容量也将增大。例如，在d d s 中，为了提高频率分 辨率，一般取n - - 2 4 - - 一3 2 ，如果n 位全部用于寻址波形数据，那么存储器的容量需 要2 2 4 一2 3 2 个单元，这是不现实的。因此在实际应用中只截取n 位中的高h 位来寻 址存储器，而舍弃低位。这样有效减少了波形存储器的容量，保持了合成频率高分辨 率的优点，其负面效应是增加了相位噪声。 。 一 截取通过将频率控制字m 乘以一个系数实现，系数为2 n 。h ，因此实际的相位累 加器输出以步长m x 2 n 。h 步进，其高h 位地址以m 为步长步进，高h 位地址作为波 形存储器的地址。若改变波形存储器中的波形，即可输出其它波形，因此d d s 频率 合成器具有频率合成及波形发生双重功能。 2 2 基于d d s 技术的任意波形发生器方案比较 采用d d s 技术实现的各类任意波形发生器按其系统的控制方式可分为： ( 1 ) 基于计算机总线 在这种控制结构中，波形发生器被设计成计算机的外部设备，挂接在系统总线上， 如：i s a 总线、p c i 总线等。波形发生器的工作状态由计算机的c p u 控制。采用这 种方案实现的波形发生器可充分利用计算机总线数据位数宽、传输速率快等优点实现 大量波形数据的快速写入。图2 2 1 是微系统研究室目前使用的波形发生器的结构框 图1 1 0 l 这是一种基于i s a 总线实现的方案。 计算机c p u 通过i s a 总线向时基控制电路写入频率控制字，实现频率可调；向 控制寄存器写入运行方式( 有限次或连续) 控制波形的发送方式；控制写入电路打开 总线隔离器，将波形采样点数据写入波形存储器r a m 中；设定输出波形基准电压： 最后向控制寄存器写入波形发送控制字，打开控制门，之后，地址计数器在时钟脉冲 r 硕士论文一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 ， 下周而复始的累加，将r a m 中的采样点取出送入d a 转换器，实现模拟波形的输出。 i g a b u s 图2 2 1 基于i s a 总线的任意波形发生器结构图 ( 2 ) 基于嵌入式微控制器 在基于嵌入式微控制器实现的任意波形发生器方案中，微控制器是整个系统的控 制核心。图2 2 2 是基于f p g a 实现的两路任意波形发生器结构图 1 1 1 。 系统主要分为控制部分、波形产生部分以及通信部分。控制部分功能主要由嵌入 f p g a 内部的软核处理器n i o s i i 来完成，同时在f p g a 剩余的逻辑单元上设计d d s 主通道部分，实现波形生成。利用外接的u s b 芯片进行f p g a 与上位机之间的波形 数据传输。f p g a 芯片采用a l t e r a 公司的c y c l o n e 系列e p l c l 2 。在s o p cb u i l d e r 中构建的n i o s i ic p u 系统包含以下组件：n i o s i i 标准型内核。键盘接口，输 入控制，用于对外接键盘进行扫描和译码。l c d 显示接口，作为人机交换的界面。 f l a s h 控制器，s d r a m 控制器。同时也定义一些p i o 模块来实现频率控制字、幅 度以及相位控制字、相位差的d d s 输入，d a ，双口r a m 以及u s b 芯片的控制等。 9 2 任意波形发生器的方案选择硕士论文 0 图2 2 2 基于f p g a 实现的任意波形发生器结构图 基于计算机总线与基于嵌入式微控制器的任意波形发生器的对比如下： ( 1 ) 波形数据写入速度 基于计算机总线的任意波形发生器的写入速度要明显高于基于嵌入式微控 制器的任意波形发生器； 当基于嵌入式微控制器的任意波形发生器带波形预存储功能时，在使用前可 将用到的不同波形一次写入，则波形写入速度的矛盾就不明显了。 ( 2 ) 计算机平台的依赖性 基于嵌入式控制器的任意波形发生器自带有控制器，对计算机的依赖性不大； 基于总线控制的任意波形发生器一般都基于计算机技术中的某种总线技术， 在开发过程中对总线协议及驱动程序开发有很高的要求；在使用中也只有相应的 总线才能驱动任意波形发生器。因此基于总线控制的任意波形发生器对计算机有 较大的依赖性。 硕士论文 一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 2 3 程控任意波形发生器方案选择 任意波形发生器实现方案及主要考虑的因素如下： ( 1 ) 尽可能使波形发生器成为一种独立的设备 基于嵌入式微控制器的任意波形发生器对计算机的依赖性小，本论文采用基于嵌 入式微控制器的实现方案。 ( 2 ) 具体微控制器的选择 考虑到作者有a v r 系列单片机应用系统开发经验，且此系列微控制器的中高档 产品如a t 9 0 s 8 5 1 5 、a t m e g a 8 5 3 5 ( l ) 等硬件资源丰富、软件开发与调试相对简单( 其 原因是a v r 系列单片机采用独特的f l a s h 程序存储器，通过专用的下载线及配套 的下载软件可随时将程序写入单片机，实现在线调试) 1 1 2 1 ) 因此选择a v r 系列微控 制器，具体型号为a t m e g a 8 5 3 5 l ，p d i p4 0 脚封装形式。 ( 3 ) 整个电路采用较为简单的原理n 3 1 仔细分析。s f o 以= 百m 矿赢，。s 技术一般固定时钟基准厶， - 、 控制频率控制字m 来控制输出波形频率。这里采用另外一种方案，即固定m ，波形 数据地址以l 步进；固定波形数据采样点，采样点具体取为十进制数1 0 0 0 以替代公 式中的2 n ；改变基准频率丘七一，实现频率可变，这样新的输出频率公式为： f o “f = 虱南正尼，当输入的基准频率厶曹1 k h z 、2 l m z 或更高的n k h z 时，揄出 频率便为1 h z ，2 h z ，或更高的nh z ，频率步进为1 h z 。 对采用1 0 0 0 个波形数据采样点及改变基准频率l k 说明如下。在d d s 技术中， 波形数据存储器是必须的，可用的存储器有r a m 、e e p r o m 等。r a m 可实现较大 的波形数据存储量及存储速度，但在使用中需对数据存储单元进行定时刷新，且掉电 后，没有数据保存功能1 1 4 1 0 虽然单片e e p r o m 或e p r o m 存储量不如r a m 大，但 掉电后数据可继续保存。因此本次采用的是e e p r o m ，具体型号为a t 2 8 c 6 4 b ( 1 3 根数据地址线，a 0 - - a 1 2 ) ，可用作波形数据存储单元容量为8 k b ，考虑波形数据预 存储，将波形数据采样点定为1 0 0 0 。最终的结果表明，1 0 0 0 个波形数据采样点在最 低输出频率1 h z 时不会引起波形失真。当将波形数据采样点定为1 0 0 0 时，设定基准 2 任意波形发生器的方案选择 硕士论文 频率厶为1 0 0 0 的整数倍，用这样的基准频率厶周而复始的将1 0 0 0 个波形数据采 样点取出转换，便可获得所需输出频率。 ( 4 ) 通讯方式选择 一 波形发生器与上位p c 机采用串行数据交换口r s 2 3 2 来进行数据交换。因为现在 的台式计算机或笔记本电脑至少配备有一个串行数据交换口，且串口软硬件开发与设 计相对简单，因此这里采用串口作为数据交换口。 根据上述分析，本论文所设计的任意波形发生器结构如图2 4 1 所示： 控制罕 渡形数据写 数据 入电路 i l 控 】工巾i 中 频率幅值设 l 上位 控制字 串行 控制字 制 妇 7 定电路 l p c 数据，r 数据变换口 数据7 字 l( r s 2 3 2 )解 析 控审g 字 单步，连续， tl r 相位设定 控帝悼 技送膊止 控制 a t 眦鹳5 硝l ) 图2 3 1 任意波形发生器结构框图 系统工作过程： 起初微控制器处于休眠状态。上位机向微控制器a t m e g e 8 5 3 5 l 发送控制字， 将单片机从休眠状态唤醒 单片机启动串行中断接收程序，接收控制字 单片机解析接收到的控制字，如果是数据接收指令，控制器启动查询接收程 序，等待上位机将数据发送过来：如果是一般的控制指令，单片机只对外部电路进行 相应的控制。在程序执行期间，程序可以根据需要改变控制字，以控制程序的执行块 当上一次命令执行完毕，单片机控制程序再次检查当前的控制字，一般是一 条进入休眠的指令，之后单片机再次进入休眠状态 重复上述固步骤，重新开始下一次控制过程。 1 2 硕士论文一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 2 4 小结 ( 1 ) 分析并比较了基于d d s 技术的两类任意波形发生器的实现方案。比较的侧重 点在数据的写入速度及对计算机的依附性。在考虑到将要设计的程控任意波形 发生器带波形预存储功能时，认为波形写入速度矛盾是次要的，而对计算机依 赖性的大小是主要问题。 ( 2 ) 在参照了d d s 技术原理的基础上，提出了本论文的设计思路，给出了基于 a t m a g a 8 5 3 5 l 微控制器的设计方案。 ( 3 ) 描述了将要设计的程控任意波形发生器的工作过程。 ! 堡竺皇堕堡生 一一 硕士论文 3 硬件电路设计 3 1 硬件电路总体分析 根掘第2 章确定的设计方案，整个程控任意波形发生器系统包含以下几个电路模 块：( 1 ) 单片机最小系统( 2 ) 串行数据交换接口电路( 3 ) 地址累加器基准频率产生 ， 电路( 4 ) 基准电压设定及波形数据转换电路( 5 ) 波形写入电路( 6 ) 地址( 相位) 累加器电路。 3 2 单片机最小系统设计 单片机最小系统是指单片机能工作的最低需求，这里主要包括电源供给、系统时 钟源、复位电路及程序下载电路。 m 图3 2 1a t m e g a 9 5 3 5 l 最小系统 注：此图同时也说明了单片机已用引脚的实际网络编号，在后面的有些电路中为简便起见，将不 再给出单片机的元件图，而直接用网络编号表示电路的输出或输入与单片机的具体引脚相连 a t m e g a 8 5 3 5 l 最小系统硬件电路非常简单。图3 2 1 是a t m e g a 8 5 3 5 l 最小系统 硬件原理图，很显然这里希望使用外部晶体振荡器作为系统工作时钟。然而 1 4 硕士论文 一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 ， a t m e g a 8 5 3 5 ( l ) 芯片有几种可通过f l a s h 熔丝进行选择的时钟源t 1 5 l 具体选项见 表3 2 1 及表3 2 2 。熔丝位c k s e l 0 以及s u t l ：0 用于选择启动时间。表3 2 3 是晶 体振荡器时钟选项对应的启动时间。芯片出厂时c k s e l = “0 0 0 1 ”， s u t = “1 0 。这 个缺省设置的时钟源是内部r c 振荡器，启动时间为最长。这种设置保证用户可以通 过i s p 或并行编程器得到所需的时钟源。 参照表3 2 1 及表3 2 2 ，在用i s p 下载线将程序写入单片机时，设定c k s e l = “1 1 1 1 ”，以使用外部石英振荡器。对于启动时间没有特殊要求，将其设定为s u t = “1 l ”。附录i i 将给出是如何对熔丝位进行编程的。 表3 2 1 a t m e g a 8 5 3 5 ( l ) 时钟源选择5 1 芯片时钟选项 c k s e l 3 。0 外部晶体陶瓷振荡器 外部低频品振 外部r c 振荡器 标定的内部r c 振荡器 外部时钟 注：1 对所有的熔丝位，“l ”表示未编程，“0 ”代表已编程 表3 2 2 晶体振荡器工作模式选择1 5 1 m 叭叭 o l h 砌o l 0 加圯o 卜o m m 炝姗一舢 n m 毗 3 硬件电路设计 硕士论文 表3 2 3晶体振荡器时钟选项对应的启动时间1 5 2 5 8c k 2 5 8 c k l kc k l k c k 1 kc k 1 6 k c k 1 6 k c k 1 6 k c k 4 1 m s 6 5 m s 4 1 r n s 。 6 5 r m 4 1 m s 6 5 m s 陶瓷谐振器，电 源快速上升 陶瓷谐振器，电 源缓慢上升 陶瓷谐振器， b o d 使能 陶瓷谐振器，电 源快速上升 陶瓷谐振器，电 源缓慢上升 石英振荡器， b o d 使能 石英振荡器，电 源快速上升 石英振荡器，电 源慢速上升 j p 3 为i s p 程序下载座，通过此电路及专用的下载线、下载控制程序可随时将修 改后的程序写入单片机，实现在线调试。 1 6 叭 m n m n 0 o o 0 l l l 1 硕士论文一种微流体数字化技术用住意波形发生器的研制 3 3 串行数据交换接口电路 串行数据交换接口电路负责将单片机的t t l 或c o m s 电平转换成计算机串行通 信口所使用的r s 2 3 2 电平，一般使用专用的转换芯片即可，如m a x 2 3 2 等。参照 a x 2 3 2 的用户手册，图3 3 1 为本设计所使用的接口电路。 dc c 4砚 1 1 + l l 6 v e e ，g n d 1 5 厂=上上i i l ： 9 j 1 u f 8 r 2 琳r 2 伽 。9 j 2 z 1 3 二 1 2 c 卜一j l ， vr 1 i nr 1 c 灯r ：j _ _ - _ 一 ， 37 t 2 0 u tt 2 工n 一1 0 c 卜一 71 4 甄 一- _ _ _ 。 t 1 0 u tt 1 i n 4 o - 6 c 2 5 5 c 2 + 4 + ie 6 k 二lc 5 1 6 v c cc 1 3l1 u f m e c t c l ry 一 。i i 2 v d dc 1 + 1+c 7 i l +1 1 u f 图3 3 1 串行数据交换接e l 电路 图中m a x 2 3 2 的9 脚接单片机的1 4 脚( r x d ) ，1 0 脚接单片机的1 5 脚( t x d ) 。 采用的通讯方式为全双工异步正常模式 1 5 1 0 由于上位机与单片机只通过串口交换数据，当在向波形数据存储器中写入数据 时，数据的交换量较大，为提高速度，采用的通讯波特率为1 9 2 0 0 b p s 。在异步正常 模式下波特率的计算公式为： ， 删叻= 丽厕j o s c 5 删u d波特率 厶c 系统( 单片机) 工作时钟频率 2 穆r r波特率控制寄存器( 一个1 6 位的寄存器) 当确定通讯波特率为1 9 2 0 0 b p s 后，选择系统时钟频率为7 3 7 2 8m h z 时，设定的 一一 u b ( 与公式计算值误差率为0 ，因为在此系统时钟频率下根据上面公式计算出的 1 7 j 3 硬件电路设计 硕士论文 3 4 地址累加器基准频率产生电路 i 基准频率产生电路的功能是根据上位机控制乔面中设定的输出频率来产生相应 的地址计数器驱动时钟。由于有1 0 0 0 个数据采样点，因此驱动时钟频率应是输出频 率的1 0 0 0 倍。 电路是基于集成锁相环的频率合成器1 1 6 - 1 9 1 。其原理如下所示： 图3 4 1 基本锁相环频率合成器原理框图 锁相环是能够完成两个电信号相位同步的自动控制闭环系统，简称p l l ( p h a s e l o c kl o o p ) 。相位同步是指同频率的两个或多个信号的相位的变化率一致，t i p , 目位的 相对关系保持固定。 。 锁相环电路由鉴相器( p d ) 、环路低通滤波器( l p f ) 和压控振荡器( v c o ) 三 个基本的环节组成。 图3 4 1 的工作原理是：鉴相器的一端接输入信号f n ，另一端接压控振荡器的 输出信号f o 讲的n 分频信号，相位比较器将f i n 与f o z l f n ( 分频信号) 的相位和频 率相比较，产生一正比于厶与分频信号的相位和频率的误差电压圪o ) ，圪) 经 低通滤波器滤波后得到v c o 的控制电压圪( 力，圪) 朝着减小输入信号频率f n 与 分频信号频率差的方向改变。当f i n 足够接近f o 以的n 分频信号频率时，p l l 的性 质将迫使f o ”f 锁定在输入频率力的n 倍上，即f o 讲= f l nx n 。固定输入信号频率 1 8 硕士论文一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 z ：，改变n 即可改变输出频率以啦，实现了由一种频率合成出多种频率? 环路中 的n 分频器可用可编程分频器来实现，这就可以接增量f t 来改变输出频率f o 甜。厶 就是该频率合成器的频率分辨率。 。图3 4 2 为根据需要设计的程控基准频率发生电路。 n k d l ) 图3 4 2 程控基准频率发生电路 参照锁相环频率合成器原理框图，电路可分成三个部分： ( 1 ) 鉴相器信号输入。鉴相器的输入信号为l k h z 的基准方波。1 4 位二进制计 数器振荡器4 0 6 0 ( u 1 3 ) ，外接石英晶体振荡器就可构成一个方波发生器。石英晶体的 频率选为4 0 9 6 m h z ，通过4 0 6 0 对其进行4 0 9 6 分频，即从1 脚引出输出信号，便可 获得频率为l k h z 基准方波。 ( 2 ) 锁相环电路。u 1 2 为高频集成锁相环芯片7 4 h c 4 0 4 6 ，内含线性压控振荡器 和相位比较器，对应图3 4 1 中的p d 、l p f 及v c o 。 ( 3 ) 可编程分频器。u 1 0 和u l l 为两片同步4 位二进制计数器7 4 l s l 6 1 。这两 片计数器构成一个8 位同步的二进制计数器，正常情况下计数器在输入2 5 6 个计数时 1 9 3 硬件电路设计硕士论文 钟周期后将溢出，但7 4 l s l 6 1 可同步预置初始累加值，因此可通过预置初值( 设定 p 7 o 的初值) 的方法控制计数器的溢出计数时钟周期数，这样从溢出端输出的信号 就是对同步计数时钟的某一分频信号。同步计数时钟是7 4 h c 4 0 4 6 压控振荡器的输出 端。溢出端的溢出信号是鉴相器的另一输入。 从4 0 6 0 的1 脚产生的l k h z 方波接到7 4 h c 4 0 4 6 的鉴相器信号输入端( 第1 4 脚) ； 7 4 h c 4 0 4 6 内的压控振荡器输出( 第4 脚) 接8 位同步二进制计数器的同步时钟输入 端( 7 4 l s l 6 1 的第2 脚) ；8 位同步二进制计数器的溢出端( u 1 1 的第1 5 脚) 接7 4 h c 4 0 4 6 ， 鉴相器的另一输入端第3 脚。按照这样连接的电路与图3 4 1 所示的原理图完全一致， 因此电路将按照上述介绍的原理工作。这样最终从7 4 h c 4 0 4 6 的4 脚输出的信号频率 将是鉴相器输入信号频率的整数倍，即电路具有倍频功能。 假设希望通过该电路获得nk h z 的方波，通过分析研究发现分频器( 8 位同步二 进制计数器) 的预置值p 7 o 与n 存在如下关系： p 7 0 - - 0 x f f - n + 0 x 0 1 ( 2 n 2 5 6 ) 倍频电路的最高输出频率为2 5 6 k h z 。 当n = 1 ，即希望获得l k h z 的方波时，使用上述公式计算后，p 7 0 = 0 x f f 。但当 将p 7 0 设定为0 x f f 时，且分频器若有计数时钟输入时，那么分频器将不断的溢出， 最终溢出端只会输出一稳定的高电平，参照7 4 h c 4 0 4 6 的内部逻辑框图( 图3 4 3 ) ， 此时7 4 h c 4 0 4 6 内部与3 脚相连的d 触发器将失效，即无相位比较功能，从而导致锁 相环不能正常工作，4 脚也不会输出l k h z 的方波。 硕士论文 一种微流体数字化技术用任意波形发生器的研制 爿b v c c j v c o _ l j p c p o u t 图3 4 3 7