單片機(jī)控制低頻脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計

摘? 要： 本文詳細(xì)介紹了單片機(jī)控制低頻脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計，系統(tǒng)微控制器以16位凌陽單片機(jī)（SPACE061A）為核心，且要求脈沖頻率在1 Hz～999 Hz之間可調(diào)、幅值在3.6～27 V之間可調(diào)。本系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)過了反復(fù)的硬、軟件聯(lián)調(diào)與測試，實踐效果較好。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī);多功能輸入/輸出;低頻脈沖;信號發(fā)生器

中圖分類號： TP368.1 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.004

本文著錄格式：田莉霞. 單片機(jī)控制低頻脈沖信號發(fā)生器的設(shè)計[J]. 軟件，2020，41（07）：22-26

Design of Low Frequency Pulse Signal Generator Controlledby Single Chip Microcomputer

TIAN Li-xia

（Ningxia College of Finance And Economics， Yingchuan 750021， China）

【Abstract】： This article introduces a kind of designing method that adopts SPACE061A to control the device as the core and uses a electrical circuit board to control pulse occupies the spatial ratio， the amplitude，frequency. The frequency range is in 1 Hz～999 Hz， the amplitude is adjustable in succession as no grade in 3.6～27 V. This project makes full use of the predominance of SPACE061A， Though trial and error， the software and hardware suit well and bring good effect.

【Key words】： SPACE061A; Multifunctional Input/output; Low frequency pulse; Signal generating device

0? 引言

信號發(fā)生器應(yīng)用廣泛，是最早使用的電信號設(shè)備之一，目前主要在教學(xué)、科學(xué)試驗、測控、電子電路等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，它能為電子測量和計量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號。信號發(fā)生器同電子設(shè)備同時誕生于二十年代，并在通信和雷達(dá)技術(shù)的推動下，不斷更新。四十年代，標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器及脈沖信號發(fā)生器誕生，實現(xiàn)了定性分析到定量分析的改變，拓寬了信號發(fā)生器使用范圍，同時可用于脈沖電路調(diào)制^[1]。六十年代，全晶體管信號發(fā)生器的出現(xiàn)，大大簡化了信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化其功能，促使信號發(fā)生器迅猛發(fā)展，函數(shù)發(fā)生器、掃頻信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器、程控信號發(fā)生器等新種類在這一時期陸續(xù)出現(xiàn)。

信號發(fā)生器可以輸出正（余）弦波、脈沖波等多種任意波形;輸出信號頻率廣泛，從甚低頻到甚高頻均可;操作方式多樣，無論是手動還是程控均可調(diào)節(jié)。

本系統(tǒng)設(shè)計伊始，筆者主要對以下三方面提出要求：

（1）脈沖頻率要求在1-999 HZ之間，能夠讓用戶手動輸入要求的脈沖頻率，即實現(xiàn)脈沖頻率在規(guī)定范圍內(nèi)可調(diào)。

（2）用戶可以手動控制脈寬，即占空比的大小可以調(diào)節(jié)。

（3）借助放大電路，實現(xiàn)系統(tǒng)輸出脈沖電壓幅值可以調(diào)節(jié)，范圍控制在3.6 V-27 V之間。

（4）結(jié)合以上三點要求，筆者采用SPACE061A小系統(tǒng)板作為微控制器，設(shè)計制作用于控制輸入輸出的硬件控制電路，完成系統(tǒng)整體硬件設(shè)計。通過編寫程序控制低頻脈沖信號發(fā)生器脈沖信號在一? 定范圍內(nèi)可調(diào)，本文對系統(tǒng)的硬件及軟件分別做一介紹。

1? 系統(tǒng)設(shè)計方案

低頻脈沖信號發(fā)生器采用凌陽單片機(jī)SPACE061A進(jìn)行核心控制，自行設(shè)計的外部電路進(jìn)行輸入、顯示、信號整形的控制，二者通過排線相連。利用單片機(jī)的輸入/輸出口控制系統(tǒng)外部電路的鍵盤輸入及數(shù)碼顯示，再通過代碼編寫控制單片機(jī)產(chǎn)生初始矩形波信號。矩形波信號通過外部電路的74LS74D觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和放大電路，設(shè)計實現(xiàn)低頻脈沖信號發(fā)生器，其頻率在1-999 HZ之間、手動占空比可調(diào)、幅值3.6 V-27 V之間。

2? 系統(tǒng)相關(guān)硬件說明

系統(tǒng)硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)（SPACE061A）、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、74LS74D觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器模塊組成。下面對系統(tǒng)的相關(guān)硬件作詳細(xì)說明。

2.1 ?凌陽單片機(jī)SPACE061A

SPACE061A（“61 板”）是一款十六位結(jié)構(gòu)的微控制器^[2]，其結(jié)構(gòu)概覽如圖1所示。

由圖1可以看出，單片機(jī)SPCE061A主要包括16位微控制器、雙16位定時器/計數(shù)器、鎖相環(huán)振蕩器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、低電壓監(jiān)測/低電壓復(fù)位、串行異步通訊接口、32管腳通用輸入輸出接口等組成^[3]。下面分別對輸入/輸出接口及在線調(diào)試器PROBE 和EZ_PROBE 接口做一簡要介紹。

（1）輸入/輸出（I/O）接口

凌陽單片機(jī)（SPACE061A）的32 個輸入/輸出口全部引出，分別是IOA0～I(xiàn)OA15，IOB0～I(xiàn)OB15^[4]，對應(yīng)引腳為：A 口，41～48、53、54～60;B 口，5～1、81～76、68～64。I/O 口編程可控，輸入可以設(shè)置為懸浮輸入或非懸浮輸入，輸出可以設(shè)置為同相輸出或者反相輸出。

正如前面所提，B口出了具有常規(guī)的輸入輸出功能外，還有一些特殊的功能，如下表1所示^[5]。

系統(tǒng)在設(shè)計時就采用了IOB8口的特殊功能，輸出矩形波信號。

（2）在線調(diào)試器PROBE 和EZ_PROBE接口

PROBE接口有5 pin，上為VSS，下為VCC即3.3 V電源。通過PROBE接口與PC機(jī)的連接，實現(xiàn)調(diào)試、仿真及程序的下載。

2.2 ?低頻脈沖信號發(fā)生器的硬件控制電路板

硬件電路整體框圖如下圖2所示， 系統(tǒng)以16位凌陽單片機(jī)SPCE061A 為微處理器，利用排線連接外部硬件控制電路，實現(xiàn)鍵盤輸入以及數(shù)碼顯示^[6]。SPCE061A輸出矩形脈沖波，通過74LS74D觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，及放大電路，實現(xiàn)輸出波形頻率在1-999 HZ之間、手動占空比可調(diào)、幅值3.6 V-27 V之間的低頻脈沖信號發(fā)生器。

前面我們已經(jīng)詳細(xì)介紹了SPCE061A的結(jié)構(gòu)、功能等，下面詳細(xì)解讀硬件控制電路的結(jié)構(gòu)與組成。

（1）顯示模塊

為了實時顯示脈沖的頻率，系統(tǒng)利用三個八段共陰數(shù)碼管，字型輸出由IOB0—IOB7 端口負(fù)責(zé)^[7]，IOA8—IOA10主要用于數(shù)碼的點亮，如圖3所示。

（2）鍵盤輸入模塊

焊接制作1*5小鍵盤一個，供用戶進(jìn)行頻率、占空比的輸入調(diào)節(jié)。鍵1用于控制占空比;鍵2、3、4用于脈沖頻率的控制^[8]。通過設(shè)置SPCE061A的定時器/計數(shù)器TimerA的B6—B9位，控制占空比在十四種情況下可調(diào)。

（3）觸發(fā)器模塊

通過硬件控制電路實現(xiàn)了脈沖信號的占空比、頻率可調(diào)，矩形波信號再通過觸發(fā)器、放大電路整形，最終得到符合要求的低頻脈沖信號。

74LS74D觸發(fā)器將單片機(jī)輸出的矩形波信號頻率降低一半，占空比固定為50%的方波信號，再通過單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出輸出頻率不變占空比可調(diào)的脈沖信號，如圖4所示。

下面簡單介紹一下由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理：

接通電源一瞬間，電源通過電阻R向電容C充電，當(dāng)vc上升到2/3 Vcc時，觸發(fā)器復(fù)位，v0為低電平，放電BJT T導(dǎo)電，電容C放電，電路進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

若觸發(fā)輸入端施加觸發(fā)信號（vi<1/3 Vcc），觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)，v0輸出高電平，且BJT T截止。此后電容C充電至vc=2/3 Vcc時，電路又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，v0為低電平，T導(dǎo)通，電容C放電，電路恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)^[9]。

如果忽略T的飽和壓降，則vc從零電平上升到2/3 Vcc的時間，即為輸出電壓v0的脈寬tw。

tw=RCln3≈1.1RC

此電路產(chǎn)生的脈寬可從幾個微秒到數(shù)分鐘，精度可達(dá)0.1%，通過調(diào)節(jié)電阻R的值來改變tw，從而又重新做到脈沖寬度可調(diào)。

（4）放大電路模塊

前面各級電路所輸出波形峰值始終在1.8 V左右，通過放大電路，其電路圖如圖5所示，其峰值最大可提高到27 V左右，通過調(diào)節(jié)電位器R2以做到幅值可調(diào)^[10]。

由圖可知，當(dāng)R2為10K時，放大倍數(shù)可達(dá)15倍，電壓最高可放大到27V左右，通過調(diào)節(jié)R2 即可做到幅值可調(diào)這一特點。

通過各級電路輸出波形如下圖6所示。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)以16位凌陽單片機(jī)（SPCE061A）為控制中心，使用排線將輸入/輸出口與自行設(shè)計制作的外部控制硬件電路相連，實現(xiàn)鍵盤輸入和數(shù)碼顯示，最終輸出占空比可調(diào)、頻率可調(diào)、幅值可調(diào)的矩形脈沖波。

系統(tǒng)軟件設(shè)計的整體流程如圖7所示。

凌陽單片機(jī)提供了兩個16位的定時/計數(shù)器：TimerA 和TimerB 。

TimerA的時鐘源是由兩個時鐘源ClkA和ClkB經(jīng)過一個邏輯與門相與而成。如圖8所示為SPCE061A定時/計數(shù)器TimerA的基本結(jié)構(gòu)^[11]。

當(dāng)發(fā)生溢出時，定時器發(fā)出TAOUT/TBOUT，即溢出信號。CPU中斷系統(tǒng)會將溢出信號作為定時器中斷信號來處理。同時，溢出信號還可以用于輸出4位可調(diào)的脈寬調(diào)制占空比信號，即是4 位計數(shù)器計數(shù)的時鐘源信號。

本系統(tǒng)利用了TimerA定時/計數(shù)器的第二個功能，通過設(shè)置P_TimerA_Ctrl的B6—B9位來達(dá)到占空比可調(diào)的目的。

脈沖的頻率主要通過設(shè)置P_TimerA_Data來控制。頻率是通過計數(shù)初值來控制調(diào)節(jié)的，因此計數(shù)初值的計算十分重要。其計算方法如下：

P_TimerA_Data=0xFFFF-f0/f

其中f0是系統(tǒng)時鐘，f是計數(shù)溢出頻率，P_ TimerA_Data就是計數(shù)初值。此系統(tǒng)中計數(shù)初值為 P_TimerA_Data=0xFFFF-f0/（（f1+f2*10+f3*100）*16），其中f1、f2、f3分別為計數(shù)溢出頻率的百位、十位、個位^[12]。因為系統(tǒng)中會將輸出波形的頻率自動16分頻，因此在計算計數(shù)初值時，已經(jīng)將溢出頻率進(jìn)行了16倍頻。

4? 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)結(jié)果

本系統(tǒng)以16位凌陽單片機(jī)SPACE061A為核心，將輸入/輸出端口與外部硬件控制電路相連。硬件電路主要包括顯示電路、小鍵盤、74LS74D觸發(fā)器、由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和放大電路模塊;軟件方面采用模塊化設(shè)計方法，主要包括數(shù)碼管顯示程序、鍵盤掃描程序，程序設(shè)計過程充分利用了凌陽單片機(jī)地強(qiáng)大地多功能輸入/輸出口、及各引腳的特殊功能等，很好地完成了與硬件電路的配合，聯(lián)調(diào)結(jié)果良好。

本系統(tǒng)的主要功能如下：

（1）整體布局合理，結(jié)構(gòu)簡單，由電源開關(guān)控制整個系統(tǒng)的運行。

（2）接通電源后，在無任何按鍵按下時，即脈沖頻率為零，系統(tǒng)不輸出任何波形，數(shù)碼管顯示為000。

（3）Key2鍵、Key3鍵、Key4鍵分別控制頻率的百位、十位、個位，每按一下，其相應(yīng)頻率位就加一，當(dāng)超過9時就重新變?yōu)?。

（4）每按下Key1鍵一次，輸出脈沖占空比就

改變一次，當(dāng)按鍵超過十四次時，重新回到初始方波狀態(tài)，即占空比為50%。

（5）通過IOB8口輸出峰峰值為3.6 V左右的矩形波，再通過74LS74D觸發(fā)器、由555定時器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和放大電路，最終輸出頻率在0-999 Hz之間可調(diào)、幅值在1.8 V-27 V之間可調(diào)、占空比可調(diào)的脈沖。

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