波形发生器凌阳大学.docx

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波形发生器凌阳大学

波形发生器

作者：

凌阳大学…    文章来源：

凌阳大学计划网站    点击数：

344    更新时间：

2007-1-18    

摘要

关键词：

 SPCE061A单片机 波形发生器　　

　　单片机是实现各种控制策略和算法的载体。

由台湾凌阳公司生产的SPCE系列单片机，因其功耗低，超小型，低成本，功能完整，非常适用于便携式仪表和就地式显示控制仪表，在国内越来越受到用户的重视和广泛的应用。

SPCE061A单片机功能强大,其片内含有八路十位A/D转换器和两路D/A转换器，该波形发生器运用单片机技术，通过巧妙的软件设计和简易的硬件电路，产生数字式的正弦波、方波、斜波等幅值可调的信号。

信号频率，可通过键盘输入，并显示。

与现有各类型波形发生器比较而言，产生的数字信号干扰小，输出稳定，可靠性高，特别是操作简单方便，人机界面友好，成本低，非常适合于物理实验室教学与实验使用。

SPCE061A单片机概述

　　SPCE061A是继u'nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。

目前有两种封装形式：

84引脚的PLCC84封装和80引脚的LQFP80贴片封装。

主要性能如下：

■16位m’nSP微处理器；

■工作电压：

VDD为2.4~3.6V（cpu）,VDDH为2.4~5.5V（I/O）；

■CPU时钟：

32768Hz~49.152MHz；

■内置2K字SRAM、内置32KFLASH；

■可编程音频处理；

■32位通用可编程输入/输出端口；

■32768Hz实时时钟，锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；

■2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；

■2个10位DAC（数-模转换）输出通道；

■7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道语音模-数转换器；

■声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制（AGC）功能；

■系统处于备用状态下（时钟处于停止状态）耗电小于2mA@3.6V；

■具备触键唤醒的功能；

■14个中断源：

定时器A/B，2个外部时钟源输入，时基，键唤醒等；

■使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；

■具备异步、同步串行设备接口；

■具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；

■内置在线仿真电路接口ICE（In-CircuitEmulator）； 

■具有保密能力；

■具有WatchDog功能（由具体型号决定）

一、方案设计与论证 

方案一：

　　本方案直接采用凌阳SPCE061A作为波形发生器。

波形的具体产生是通过两路DAC来产生，凌阳SPCE061A在这方面的设计为我们提供了极大的方便，用它实现的好处在于，外围电路极其简单，另外在DAC的编程方面又提供及其便利的编程环境。

外围电路的设计包括三大部分，第一是键盘控制电路的设计，这里采用4*4键盘，由IOA的低八位进行控制，把键盘上的行和列分别接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7上，采用外部中断二来中断所显示波形，以便进入下一波形的编辑和输出，在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。

第二是显示电路的设计，这里为了在波形输出依然有显示，由于单片机的局限性这里采用通常的动态LED显示行不通，因为波形输出时要求CPU不停地为其服务而没有空闲来为LED进行不停更新，解决方案是采用带数据缓存器和驱动的LCD来提供显示，这样只占用八个I/O口即可完成设计要求,也可放弃适时显示功能采用LED显示，这里将提供两种显示方案。

第三是滤波和电压转换电路的设计，滤波采用低通滤波器，滤除DAC转换过程中形成的高频小锯齿波。

另外由于凌阳SPCE061A单片机DAC输出为电流输出，为满足达到5V的电压输出，外接OP07运算放大器进行放大，加1千欧姆电阻进行电流信号到电压信号的转换。

本设计的特点是全面采用数字电路方案，因而工作稳定可靠。

利用单片机控制管理，使频率设置和占空比调整等操作可用键盘输入，十分方便。

方案二：

　　本设计方案采用功能很强的大规模数字频率合成器MC145151和多波形宽频率范围信号发生器MAX038等新器件产生波形和频率，控制与管理电路部分使用SPCE061A单片机以及键盘显示电路。

MAX038是一个精密高频波形产生器。

它能产生频率高达20MHz的正弦波、三角波、方波等脉冲信号，其压控振荡器的频率分粗调和细调两层控制。

在本电路中，用于粗调的控制电压（电流）由一个12位的DAC产生，使输出频率近似等于N倍基准频率。

而细调电压则由数字锁相电路MC145151和环路滤波器MAX427产生，由锁相反馈环将频率fo=Nfr锁定。

这种方案的优点是频率合成器工作更可靠，锁定更迅速。

另外MAX038还包括占空比调整电路、波形同步电路、相位检测电路、波形切换开关和电压基准源等电路，所需外部元件少，使用很方便。

控制和管理电路由SPCE061A单片机及外围电路组成。

其主要用于对键盘输入的波形和频率选择等数据进行译码，计算出相应的控制参数，控制频率合成器输出正确的信号，并将其频率和波形参数用LED显示出来。

对于小型通用信号产生器而言，这是一个比较理想的设计方案。

方案比较：

　　第一种方案设计外围电路简单，能够满足电子大赛设计的要求，这里考虑到短时间内设计既要成型，采用第一种方案。

第二种方案的设计比较完善，由于用到专门的波形发生芯片，产生的波形比较完美，但外围电路复杂，适合于作波形发生器的产品设计方案。

 二、系统硬件电路设计

2.1　电路方框图及说明 

图1　整体框图

2.2　各部分电路设计

2.2.1　滤波、放大及其电流到电压的转换电路

　　电路本系统采用二阶压控电压源低通滤波器，如图2所示。

它由两节RC滤波器和同向放大电路组成。

其中同相放大实际上就是所谓的压控电压源，它的电压增益就是低通滤波器的通带电压增益，即：

A0=Avf=1+Rf/R1  

图2　滤波电路　　

传递函数由图电路可知，运放同相端输入电压为：

（1）而Vp（s）与Va（s）的关系为：

Vp（s）=Va（s）/（1+sRC） 

（2）对于节点A，由节点电流法可得      Vi（s）/R-Va（s）/R-[Va（s）-V0（s）]sC-Va（s）/R-Vp（s）/R=0（3）将式

（1）、

（2）和（3）连立求解，可得电路的传递函数为A（s）=V0（s）/Vi（s）=Avf/[1+（3-Avf）sRC+sRC*sRC]       （4）式（4）为二阶低通滤波器传递函数的表达式。

其中1/RC为特征频率，而1/（3-Avf）为等效品质因数。

截止频率为1/RC。

通过设置R、C可调节带通到我们需要的范围。

另外调节Rf可调节幅度到我们需要的范围。

 2.2.2　键盘控制电路电路

　　在单片机中所需按键较少，多采用独立式键盘。

此种键盘结构简单，每只按键接单片机的一条I/O线，通过查询即可示别出每只按键的状态来。

但由于本系统按键较多，在这里采用矩阵式排列键盘，如图3所示，这样可以合理应用硬件资源，把16只按键排列成4*4矩阵形式，用一个8位I/O口控制,如图所示。

把键盘上的行和列分别接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7 

图3 

按键控制电路上。

先置IOA0~IOA3为带数据缓存器的高电平输出，置IOA4~IOA7为带下拉电阻的输管脚，此时若有键按下，取IOA4~IOA7的数据将得到一个值，把此值保存下来，再置IOA4~IOA7为带数据反相器的高电平输出，置IOA0~IOA3为带下拉电阻的输入管脚，此时若键仍没弹起，取IOA0~IOA3的数据将得到另一个值，把这两个值组合就可得知是哪个键按下了，再通过查表得到键值。

2.2.3　显示电路电路

　　为了给广大单片机爱好者提供方便，在显示电路的设计方面提供两种方案，第一种是采用四个LCD进行适时显示，这是比较理想的方案，但由于LCD成本较高，这里还提供另一种方案，用六个LED进行显示，这种方案的缺点是不能适时显示，但也能满足一般设计要求。

　　第一种方案采用四个LCD进行动态显示，轮流显示波形和频率，直接用SPCE061A驱动液晶显示器，要占用较多的I/O口，这里采用ICM7211M来驱动，这样不仅节省I/O口而且减化了编程。

用数字代表各种波形，显示波形的粗调频率。

用IOA9—IOA10口作为位选控制，IOA8口作为ICM7211M的片选信号，IOA11—IOA14作为数据线。

数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可，

图4　LCD显示电路　　

　　第二种方案采用六个共阴极数码管LED进行动态显示波形和频率，直接用SPCE061A直接驱动LED，两位提供波形显示，四位提供频率显示。

用IOB8—IOB13口作为位选控制，IOA8—IOA14口传输要显示的数据，数据线和位选线直接接凌阳SPCE061A单片机的I/O口即可，因为I/O口输出电流很小不会对LED造成损坏，它的电压值却足以驱动LED，这不像别的单片机还要外接驱动电路和电阻，采用凌阳SPCE061A单片机大大减化了设计过程和硬件电路。

硬件电路如图5所示。

图5　LED显示电路 

2.2.4　语音播报电路的设计电路  

　　凌阳的SPCE061A是16位单片机，具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。

另外SPCE061A单片机具有32k闪存，事先把所需要的语音信号录制好，整个语音信号经凌阳SACM_S480压缩算法压缩只占有13.2K存储空间，对凌阳SPCE061A单片机的存储系统来说绰绰有余。

凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，经LM396音频放大，即可驱动喇叭放音，放大电路如图6（只列出了DAC1,DAC2类似）。

在DAC1、DAC2后面接一个简单的音频放大电路和喇叭就能实现语音播报功能，这为单片机的音频设计提供了极大方便，音频的具体功能主要通过程序来实现。

图6　音频放大电路 

三、软件设计

3.1主程序流程图

　　由于使用凌阳SPCE061A使外围电路变得异常简单，整个波形发生器的主体任务落到了程序编写上。

整个系统的软件设计方案如图7，采用外部中断二来中断所显示波形，以便进入下一波形的编辑和输出，在波形输出的同时利用外部中断一来实现同步的频率调节。

波形的具体产生是通过两路DAC来产生，之所以采用这种方式，是因为凌阳SPCE061A在这方面的设计为我们提供了极大的方便，在DAC的编程方面又提供了及其便利的编程环境。

用函数来产生波形是大多数设计者喜之不舍得设计方案，但在具体设计方面，因为函数在单片机的运算过程中占据了太多的时钟周期，这就给我们追求高频波形一个瓶颈，要怎样解决这个问题呢？

这里我采用查表来实现，根据理论凌阳SPCE061A单片机可达到一百兆的要求，这就能充分满足题目设计要求了，然而，由于函数产生波形极其方便，凌阳SPCE061A单片机有提供了大量函数库，在设计过程中我在低频部分依然采用函数设计。

另外，波形频率随CPU的频率而变法，凌阳SPCE061A单片机的32768的实时时钟经过PLL倍频电路产生系统时钟频率（Fosc），Fosc再经过分频得到CPU时钟频率（CPUCLK）可通过对P_SystemClock（写）（$7013H）单元编程来控制，这就为我们设计提供了丰富的CPU时钟选择。

默认的Fosc、CPUCLK分别为24.576MHz和Fosc/8。

我们可以通过对P_SystemClock单元编程完成对系统时钟和CPU时钟频率的定义，改变设置将可提供多种频率选择。

在本设计中，波形编辑的第一部就是进行CPU频率选择，选择最高频和最低频作为粗调，在用键盘和中断进行微调，以便达到所需的频率及其幅值。

下面将对各部分编程作详细说明。

图7　整体流程图

3.2　分块程序流程 

按键控制部份

　　在键扫描的过程中，先置IOA0~IOA3为带数据缓存器的高电平输出，置IOA4~IOA7为带下拉电阻的输入管脚，此时若有键按下，取IOA4~IOA7的数据将得到一个值，把此值保存下来，再置IOA4~IOA7为带数据反相器的高电平输出，置IOA0~IOA3为带下拉电阻的输入管脚，此时若键仍没弹起，取IOA0~IOA3的数据将得到另一个值，把这两个值组合就可得知是哪个键按下了，再通过查表得到键值，跳转至相应程序段，执行输出相应波形或者编辑波形，从而达到控制波形的目的。

整体按键过程如图8所示。

图8　按键控制流程图　　

正弦波形的形成 

　　在设计之初，我一直都在尝试使用函数来计算输出波形，使用这种方法，在示波器上得到了很好的波形，但是在CPU时钟频率没调至最高的情况下，所得到的频率只是多少毫赫兹到几十赫兹之间，基本上没有实用价值。

要达到更高的频率，就得另辟蹊径了。

分析一下为什么频率上不去，主要原因在于，使用单片机进行正弦函数的运算时占去了不少时间，如果去掉这一计算过程波形的频率应该大有提高，另外就是CPU时钟频率没有调至最高，以及DAC转换过

图9　正弦波形查表形成流程图 

程需要时间。

为了达到更高的频率，首先就要免去单片机的计算负担，我使用的解决方法是人为计算出要输出的点，然后建一个表通过查表来进行输出，这样主要工作任务就落到了建表的过程中。

这样做的好处在于，查表所耗费的时钟周期相同，这样输出的点与点之间的距离就相等了，输出的波形行将更趋于完美，当然更让我们感到的高兴的是它输出波形的频率将近达到了100K赫兹，能够满足我们设计的扩展要求了。

为了实现频率的调整，我在一个正弦波周期里建了两百个点，如果我们隔一个取点的话，且在CPU时钟频率不改变的情形下，正弦波频率将相对于前面的频率提高将近一倍。

这样我们就得到了解决频率调整的方法，首先进行CPU时钟频率选择，再调整一个正弦函数一个周期输出的点数，幅度的调节是通过初始幅度设置再通过外部放大电路来调节，设计程序流程图如图所示。

另外，由于函数产生波形及其方便，凌阳SPCE061A单片机又提供了大量函数库，在设计过程中我在低频部分依然采用函数设计，因为这更有利于数字幅度和频率的调节。

设计程序流程图如图9和10所示。

图10　正弦函数计算形成波形流程图　　

三角波、锯齿波的形成 

　　三角波、锯齿波形成的原理同正弦波形成的原理大致相同，在这里将不做作详细介绍，其流程图如图11所示。

图11　三角波查表形成流程图 

方波的形成和实现 

　　方波是我们最常用的一种波形，并且常常作为一种标准信号应用在各个领域，凌阳SPCE061A提供了一种很好的方波发生机制，就是APWM调制，通过写入P_TimerA_Ctrl（$700BH）单元的第6~9位，可选择设置APWM输出波形的脉宽占空比；同理，写入P_TimerB_Ctrl（$700DH）单元的第6~9位，便可选择设置BPWM输出波形的脉宽占空比。

我们可以将IOB8设置成同相输出端口，通过设置P_TimerA_Ctrl（写）（$700BH）的第0~5位来选择TimerA的时钟源（时钟源A、B）。

设置该单元的第6~9位（如图12所示），TimerA将输出不同频率的脉宽调制信号，即对脉宽占空比输出APWM进行控制。

这里为了得到最标准的波形采用这种方式来实现标准方波。

如图12所示就是我们进行APWM调制的原理图。

图12　APWMO信号时序图

在某些应用领域由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，为了满足各种需要我们还设计了有频率突变的方波，如图11所示。

具体设计方案是采用不停的输出和停止输出某一幅度的值，在一个序列周期我们总共提供八位可变数值，因为在数据传输过程中一般是八位为一帧进行传输。

通过键盘的编辑可以达到我们的需求。

图13有频率突变的方波

显示和播报

　　时间和路程的显示采用动态显示，显示子程序流程图如图14，语音播报采用凌阳SACM_S480语音播报，流程图如图15。

图14　显示子程序流程图 

图15　语音播报流程图 

其它 

　　在按键控制的第6到第12个按键，都是用来改变和编辑波形参数的，这就为整个系统能输出各种波形提供了可能性，以及增加了它的实用性。

另外还用外部中断一来进行同步调试，我们可在中断里写入各种参数，就可达到我们所要求的波形及其实现参数变化的目的。

四、系统测试及整机指标

五、总结

（1）能产生正弦波、方波、三角波、锯齿波几种周期性波形，并且可通过调节变形成其它相关波形。

（2）用键盘输入编辑可生成正弦波由基波及其谐波线性组合的波形，以及各次谐波单独的波形。

（3）输出波形的频率范围为100mHz～100kHz；可以通过键盘输入粗调频率，通过外部中断一可同步调节频率，具有在低频部分调节步进小，在高频部分大的特点。

（4）输出波形幅度范围为0～5V（峰-峰值），可通过可变电阻任意调整调整。

（5）具有显示输出波形的类型、及其粗调频率和幅度的功能。

（6）具备语音提示波形和粗调频率的功能。

整个系统其性能指标均达到了要求，还增添了其它特色。

通过此次设计，让我感到了凌阳SPCE061A十六位单片机的方便性和灵活性，通过对凌阳SPCE061A单片机的使用，可以使编程技能快速提高，并且认识到很多新的算法和设计思想。

六、参考资料

1、凌阳大学计划网站