基于SPCE061A的波形发生器设计

摘要:本文详细阐述了一款波形发生器的设计方案及软、硬件设计过程。利用成熟的单片机技术及PC技术,以凌阳公司生产的SPCE061A嵌入式芯片,通过串行接口电路,滤波放大电路及PC机控制界面,实现波形发生器功能。

关键词:波形发生器 SPCE061A 串行通信

1引言

波形发生器又叫信号发生器,在教学、试验、测控等各个领域都有着十分广泛的应用,而且随着现代电子通讯技术的发展,常常需要高精度,频率可方便调节且应用性强的波形信号发生器。而现有的波形发生器大多为单机操作型,通过按键来控制产生各种波形。在一些特殊的工作环境下(如高温高压,有辐射等),无法进行人工操作,无法满足特殊环境的工作需要。因此需要一种有效的方法来实现波形发生器的远程控制。借助PC机,结合串行通信技术可以用来实现对波形发生器的远程控制。本设计正是研究通过PC机来远程控制由SPCE061A 嵌入式芯片设计的简易数字波形发生器,该波形发生器能产生数字式的三角波、正弦波、锯齿波等频率可调的常用信号,应用于某些特殊的工作环境(如高温高压,有辐射等),给生产生活带来方便。

2 系统方案设计

波形发生器的实现方法通常有以下几种:(1)用分立元件组成的函数发生器,通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试;(2)用集成芯片的函数发生器,可达到较高的频率和产生多种波形信号,但电路较为复杂且不易调试;(3)利用单片集成芯片的函数发生器,能产生多种波形,达到较高的频率,且易于调试;(4)利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器,能产生任意波形并达到很高的频率,但成本较高。

本设计采用第三种方法,直接采用凌阳作为波形发生器。PC机作为远端控制端,通过PC的RS232串行接口与SPCE061A最小系统的串行接口相连,由PC直接控制波形发生器输出波形。其系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图

3 系统硬件电路设计

系统硬件电路设计主要包括以下电路:单片机SPCE061A小系统、电源电路、滤波放大电路、键盘电路以及单片机SPCE061A与PC机的通信接口电路。

3.1单片机SPCE061A

SPCE061A[1]嵌入式芯片其内部采用总线结构,把各功能部件模块化地集成在一个芯片里,这样就有效地减少了各功能部件之间的连线,提高了可靠性和抗干扰能力。SPCE061A单片机的通用串行通信接口为标准全双工的通用异步接收器/ 发送器URAT 模块。UART的接收信号Rx发送信号Tx分别是SPCE061A嵌入式芯片的并行I/ O口IOB7和IOB10共用,属于B 口的特殊功能。SPCE061A嵌入式芯片内部集成了两路十位D/ A转换器,因此可以方便的输出电压信号。

3.2系统电源电路设计

SPCE061A内核电压要求为3.3V,而I/O 端口的电压可以选择3.3V 也可以选择5V。所以,可以具有两种工作电压:5V和3.3V。5V供电电压采用LM2575与ILC7660两片芯片构成的电路来产生,5V电压经过一个二极管DN4148进行电源定向,再通过LM1117-3.3进行DC-DC电压转换。在电源模块中通过三个电容进行电源稳压滤波,为单片机系统提供稳定的3.3V电源。电源模块中通过一个LED灯指示电源状态,当电源模块有通电时,LED灯点亮,反之,LED灯熄灭。3.3V电源电路如图2所示.。

图2 3.3V系统电源电路原理图

3.3滤波放大电路设计

滤波器是一种能使有用频率的信号通过而同时能对无用频率的信号进行抑制或衰减的电子装置[2]。在工程上,滤波器常被用在信号的处理、数据的传送和干扰的抑制等方面。由运算放大器和电阻、电容(不含电感)组成的滤波器称为 RC 有源滤波器。滤波器按照所允许通过的信号的频率范围可分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器等。其中,低通滤波器只允许低于某一频率的信号通过,而不允许高于该频率的信号通过。高通滤波器只允许高于某一频率的信号通过而不允许低于该频率的信号通过。带通滤波器只允许某一频率范围内的信号通过而不允许该频率范围以外的信号通过。本设计采用二阶压控电压源低通滤波器,它由两节RC滤波电路和同向放大电路组成,此电路具有元件少、增益稳定和频带宽等特点。其电路原理图如图3所示。

图3 滤波放大电路原理图

3.4通信接口电路设计

虽然PC机与SPCE061A单片机都是采用异步串行通信,但是PC机和单片机的通信却不能够用电缆直接进行连接,原因是PC机RS232串口的电平标准和单片机的TTL电平不一致,PC机的电平是+12V,而单片机一般输入,输出电平都是+(0~5)V。因此单片机和PC机之间的串口通讯必须要有一个RS232/TTL电平转换电路。

4 系统软件设计

图4示出了PC控制界面图[3]。预输出波形栏可以显示输出波形的大概形状;通过波形选择按钮,可以任意选择正弦波、三角波、锯齿波这三种波形;通过频率选择粗调和微调,可以精确设置输出波形频率;串口和波特率栏用于设置单片机与PC机通信模式。

图4 PC机控制界面图

整个波形发生器的软件设计方案如图5所示,采用外部中断二来中断目前所显示波形,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。

图5 主程序流程图

本设计波形的具体产生是通过两路DAC来产生的。启动控制程序后,首先进行波形频率选择(粗调频率),波形频率的粗调是根据CPU的频率变换而变换的,SPCE061A单片机的32768Hz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。但由于SPCE061A芯片本身的性能,所产生波形的频率不会很高。然后选择要输出的波形。而由外部中断一实现的同步频率调节(微调频率),是通过改变抽取点的间隔及延时的改变来实现的。

5结语

在凌阳IDE集成开发环境下编程实现了锯齿波、三角波和正弦波的波形程序,并实现了和PC机远程通信串口程序,以及波形发生器的控制程序。最终能够通过PC机远程控制波形发生器输出锯齿波、三角波和正弦波三种周期性波形,并实现了波形频率和幅度调节功能。

参考文献

[1] 北阳电子公司技资室.凌阳单片机.2001.

[2] 何希才.新型集成电路及其应用实例.北京:北京科技出版社,2002.

[3] 齐舒创作室.Visual C++ 6.0 开发技巧及实例剖析.北京:清华大学出版社,1999.

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