超声波电机信号发生器的设计答辩PPT

超声波电机信号发生器的设计指导老师：纪跃波答辩：吕嵘学号：2009716042论文主体结构引言（绪论）部分31系统的总体方案设计2软件部分的设计4硬件部分的设计33系统实验调试情况35总结与展望6选题的背景与目的由于超声波电机运行条件的特殊性，致使超声波电机驱动信号发生器的设计成为一个十分重要的研究课题。随着半导体技术和微电子技术的日益进步，尤其是单片机技术的飞速发展，导致微处理器的功能越来越强大，这就为超声波电机的驱动信号发生器的设计提供了新的解决思路。本次课题的设计目的就是希望能够将大学期间所学的专业知识运用到实际项目的设计当中，尝试设计一款新型的基于单片机控制的超声波电机信号发生器。一方面可以检验自己大学四年来的学习成果，另一方面也可以拓宽自己的视野，锻炼自己动手实践的能力。设计目标采用单片机模块控制输出两路频率相同并且稳定的正弦信号。输出两路正弦信号的频率、相位差和幅值可以编程控制。输出信号的频率在20KHZ—50KHZ之间可调；相位在-180°至+180°之间可调；电压范围在0—10V之间可调。设计思路 周期方波的傅里叶级数展开式为： 其中ω1为基波角频率，由公式可知，可以通过低通滤波的方式滤除高频脉冲当中的直流分量和高次谐波分量，即可以求得正弦基波分量。基波分量保持原方波信号的相位关系。通过调节原方波信号的频率、相位差和占空比，就可以控制输出正弦信号的相应参数。其实现过程如图所示。系统设计方案

系统构成如图所示：通过设置ATMEGA16单片机定时器模块，输出两路频率范围20KHZ—50KHZ的方波信号，采用程序控制的方法，调节方波信号的频率、幅值和相位；将输出的两路方波信号经过高阶巴特沃斯低通滤波器将其转换成同频率的正弦信号，然后通过放大和移相模块将两路信号划分为四路输出，再经过功率放大后驱动超声波电机运转。硬件部分设计系统主要芯片的简要介绍：主控制芯片选用ATMEGA16，ATMEGA16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。其数据吞吐率高达1MIPS/MHz，因而具备有极高的处理速度，性能优越。滤波和移相的芯片选用TL072CN，TL072CN是低噪声高速双场效应管输入运算放大器。其转换速率高达16V/us，适合运用于高频的场合。放大模块选用AD811和BUF634,AD811为电流反馈型宽带运算放大器，采用±15V供电，其输出电压有±12V的输出摆幅，且输出电流最大可达100mA，十分适合本系统的放大要求。BUF634是一种高速缓冲器IC，输出电流可达250mA,在电路中起功率扩展的作用。硬件部分设计ATMEGA16的定时器模块ATMEGA16单片机的定时/计数器1，T/C1是一个16位的定时器/计数器模块。可以实现精确的程序定时(事件管理)，波形产生和信号测量。其主要特点如下：•两个独立的输出比较单元•双缓冲的输出比较寄存器（OCR1A、OCR1B）•一个输入捕捉单元（ICR1）•比较匹配发生时清除寄存器(自动重载)•无干扰脉冲，相位正确的PWM•可变的PWM周期•频率发生器•外部事件计数器（TCNT1）•四个独立的中断源(TOV1、OCF1A、OCF1B、ICF1)硬件部分设计 T/C1的波形信号的输出需要通过对T/C1控制寄存器TCCR1A和TCCR1B进行相关设置。其中WGM13:WGM10四位控制波形的发生模式。下表波形产生模式的位描述。硬件部分设计 在CTC模式下(WGM13:10=4)输出比较寄存器OCR1A用于调节计数器的分辨率。当计数器的数值寄存器TCNT1等于OCR1A时计数器清零。OCR1A定义了计数器的TOP值，亦即计数器的分辨率。这个模式下用户可以很容易地控制比较匹配输出的频率，也简化了外部事件计数的操作。 与此同时，输出比较寄存器OCR1B则用于调节输出两路方波信号之间的相位差。其相位关系可以用下面的式子表示：硬件部分设计 CTC模式的时序图如图所示。计数器数值TCNT1一直累加到与OCR1A匹配，然后TCNT1清零。为了在CTC模式下得到方波信号的输出，可以设置OC1A在每次比较匹配时进行逻辑电平翻转。这可以通过设置COM1A1:COM1A0=1来完成。硬件部分设计波形发生器能够产生的最大频率为(OCR1A=0x0000)。波形发生器的频率可以由下面公式确定(N代表分频因子): 其中为输出频率，为系统时钟，OCR1A为输出比较寄存器A的设置值，用于调节输出方波的频率。硬件部分设计滤波模块 本次电路设计采用的是五阶的butterworth低通滤波器，它具有最大平坦幅频响应的特性，具有良好的线性相位特性等优点。它是一种全极点配置的滤波器，它的极点配置规律是:5个极点均匀地分布在s左半平面上，并在以原点为圆心、以为半径的半圆周上共轭,相邻两个极点之间的相位差为π/n弧度。故将其分解为一个一阶惯性环节和两个二阶震荡环节的级联。电路图如下所示：硬件部分设计采用multisim电路仿真的结果如下：硬件部分设计放大模块 为了是输出的信号得到更大的输出幅度和驱动能力，就需要对滤波环节下的输出信号作进一步的放大。本次设计中采用AD811和BUF634构成两级放大，足够将单片机输出的信号电压放大到10V。电路图如下：硬件部分设计采用multisim电路仿真的结果如下：硬件部分设计移相模块 移相部分采用基本的RC电路与集成运放TL072CN构成有源移相电路。基本的RC电路移相范围一般在90°以内，为了扩大移相范围需要对电路做一些变化。采用TL072CN的好处是进行调相的过程中，输出振幅不受输入频率的影响。电路图如下：硬件部分设计移相部分仿真的结果如下：45°移相180°移相90°移相225°移相硬件部分设计键盘和LCD显示部分的电路采用典型设计，其电路设计如下所示：功能键用于输入控制命令，进行相应的设置，比如键入‘B’键用于输入频率值，键入‘C’键用于输入相位值，键入‘E’使能设置，键入‘D’键取消相应设置，‘F’键用于状态切换，‘A’键用于输入小数点。数字键则用于输入数值。软件部分设计 根据系统的设计要求给出整个系统的程序设计流程图如右图所示。其中，主程序主要完成系统的初始化工作，以及LCD默认显示和波形信号的输出。通过按键判断是否执行中断函数，在中断函数里，根据使用者的要求，通过设置相应的参数，实现对系统输出进行相应的调整。软件部分设计接下来介绍一下方波信号的产生程序： voidCTC_Init() { externfloattemp; externfloatfre; externfloatpha; DDRD|=BIT(4)|BIT(5);//设置PD4、PD5为输出 TCCR1A=0x50;//设置为CTC模式，比较匹配时OC1A/OC1B电平取反TCCR1B=0x09; //设置时钟预分频为1分频 OCR1A=[xtal/(2*N*fre)]-1;//xtal为外部时钟频率12MHZ，N为分频因子，为了达到设计频率的输出要求取N=1; temp=OCR1A; //将OCR1A的值存放到临时变量temp中； OCR1B=(phase*temp)/180;//控制PD5和PD4之间的相位差； }软件部分设计控制部分的连线及控制程序流程图系统实验调试情况以下是本次试验的调试平台系统实验调试情况 在完成了系统的电路搭建以及控制部分的程序下载以后，就可以进行系统调试了。以下是通过RIGOLDS1102E示波器观察到输出的两路正弦信号的情况。系统实验调试情况 下面以频率为40KHZ时为例，调节输出两路正弦信号之间的相位差。通过键盘输入频率和相位值，LCD1602显示相关设置值。在RIGOLDS1102E示波器观察到的结果总结与展望本文的设计思路简单，采用的元器件也很容易购买，系统的成本相对来说比较低廉。从调试的