基于占空比和频率可调的脉冲发生器

基于占空比和频率可调的脉冲发生器内容摘要：

PB45PB56PB67PB78RESET9VCC10GCD11XTAL212XTAL113PD0/RXD14PD1/TXD15PD2/INT016PD3/INT117PD4/OC1B18PD5/OC1A19PD620PD721PC0/SCL22PC1/SDA23PC2/TCK24PC3/TMS25PC4/TDO26PC5/TDI27PC628PC729AVCC30GND31AREF32PA7/ADC733PA6/ADC634PA5/ADC535PA4/ADC436PA3/ADC337PA2/ADC238PA1/ADC139PA0/ADC040U4ATMEGA16RSTRSTX2X1X2X1VCCGND12345678P1Header 8123P2Header 3 图 32 AVR 单片机最小系统原理图 幅度控制电路 使用控制电压与增益成线性关系的可编程增益放大器 PGA，用控制电压和（ dB）成线性关系的可变增益放大器来实现增益控制，如图 33 所示。 用电压控制增益，便于单片机控制，同时可以减少噪声和干扰。 采用集成可变增益放大器 AD603 作增益控制。 AD603 是一款低噪声、精密控制的可变增益放大器，温度稳定性高，最大增益误差为 ，满足题目要求的精度，其增益（ dB）与控制电压（ V）成线性关系，因此可以很方便地使用 D/A 输出电压控制放大器的增益。 2020 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 第 9 页 共 24 页 图 33 AD603 增益控制原理图 人机接口电路 本次设计中我们需要的按键有 0~9 数字键和占空比频率设置功能键，用独立按键做会占用较多的单片机接口，不能满足设计要求，采用 4 4 矩阵键盘，节约单片机接口。 如图 34 所示。 数码管具有显示稳定和亮度高等优点，但由于本次要求显示占空比和频率，显示的内容较多，不宜采用数码管。 LCD1602 液晶模块能够同时显示 32 个数字或字母。 采用液晶显示完全满足要求，并大大简化硬件电路。 如图 35 所示。 图 34 矩阵键盘 图 35 液晶显示 x2x1x3x4y1y2y3y4R1R2C334817265U1AD60334817265U2AD603C4C6C7C9C2100uFC1+5V5V100uFC10INOUTC5C8增益调节端增益调节端黎涛：基于占空比和频率可调的脉冲信号发生器 第 10 页 共 24 页 4 软件设计 开发软件 ICCAVR 介绍 由于本次设计使用的是 Ateml 公司 AVR 单片机，对单片机编程要用到专用编程软件 ICCAVR。 ImageCraft 的 ICCAVR 是一种使用符合 ANSI 标准的 C 语言来开发微控制器 MCU 程序的一个工具， 使用方便、技术支持好 ，有以下几个主要特点： 是一个综合了编辑器和工程管理器的集成工作环境（ IDE）； ，文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成 错误显示在状态窗口中，并且当你点击编译错误时，光标自动跳转到错误的那一行； INTEL HEX 格式文件，该格式的文件可被大多数编程器所支持，用于下载到芯片中； 是一个 32 位的程序支持长文件名。 源文件全部被组织到工程之中， 文件的编辑和工程的构筑也在这个环境中完成， 编译错误显示在状态窗口中， 并且当你用鼠标单击编译错误时， 光标会自动跳转到编辑窗口中引起错误的那一行。 这个工程管理器还能直接产生您希望得到的可以直接使用的 INTEL HEX 格式文件 ， INTEL HEX 格式文件可被大多数的编程器所支持，生成的 HEX 文件就可以对 AVR 单片机烧录。 软件实现 该脉冲信号发生器软件设计部分可分为主程序设计、键扫描设计和液晶显示部分设计。 下面主要对主程序设计和键扫描设计进行介绍。 AVR 单片机工作模式介绍 AVR 单片机自带 PWM 波产生功能，只要对 AVR 内部的寄存器寄存器进行设置即可， AVR 产生 PWM 波有多种方式，有快速 PWM 模式、相位修正 PWM 模式、相位频率修正 PWM 模式，其中快速 PWM 模式产生的脉冲信号频率能达到更高，相位修 正 PWM 模式占空比调整更精确，相位频率修正 PWM 模式具有频率和占空比调整精确，但产生频率不高。 要达到本次的频率要求，则选择快速 PWM 模式。 计数器从 BOTTOM 计到 TOP，然后立即回到 BOTTOM 重新开始。 对于普通的比较输出模式，输出比较引脚 OC1x 在 TCNT1 与 OCR1x 匹配时置位，在 TOP 时清零；对于反向比较输出模式，OCR1x 的动作正好相反。 由于使用了单边斜坡模式，快速 PWM 模式的工作频率比使用双斜坡的相位修正 PWM 模式高一倍。 工作于快速 PWM 模式时， PWM 分辨率可固定为 9 或 10 位，也可由 ICR1 或 OCR1 定义。 PWM 分辨率位数可用下式计算： )2log ( )1log (  T O PR F P W M （ ） 当使用 OCR1A 或 ICR1 来定义 TOP 值时的快速 PWM 模式。 图中柱状的 TCNT1 表示这是单边斜坡操作。 方框图同时包含了普通的 PWM 输出以及反向 PWM 输出。 TCNT1 斜坡上的短水平线表示 OCR1x 和 TCNT1 的匹配比较。 比较匹配后 OC1x 中断标志置位。 2020 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 第 11 页 共 24 页 1 2 3 45 67 8周 期O C n xO C n xT C N T n（ C O M n x 1 : 0 = 3 ）（ C O M n x 1 : 0 = 2 ）计 数 最 大 值 图 41 快速 PWM 工作模式图 计时器数值达到 TOP 时 T/C 溢出标志 TOV1 置位。 另外若 TOP 值是由 OCR1A 或 ICR1定义的，则 OC1A 或 ICF1 标志将与 TOV1 在同一个时钟周期置位。 如果中断使能，可以在中断服务程序里来更新 TOP 以及比较数据。 工作于快速 PWM 模式时，比较单元可以在 OC1x 引脚上输出 PWM 波形。 设置 COM1x1:0 为2 可以产生普通的 PWM 信号；为 3 则可以产生反向 PWM 波形。 产生 PWM 波形的机理是 OC1x 寄存器在 OCR1x 与 TCNT1 匹配时置位 ( 或清零 )，以及在计数器清零 ( 从 TOP 变为 BOTTOM) 的那一个定时器时钟周期清零 ( 或置位 )。 输出的 PWM 频率可以通过如下公式计算得到： )1( /_ T O PN fP WMOC OIc lknx  （ ） 变量 N 代表分频因子 ( 6 256 或 1024)。 根据 COM1x1:0 的设定，输出恒为高电平或低电平。 通过设定 OC1A 在比较匹配时进行逻辑电平取反 (COM1A1:0 = 1)，可以得到占空比为 50%的周期信号。 这只适用于 OCR1A 用来定义 TOP值的情况 (WGM13:0 = 15)。 OCR1A 为 0(0x0000) 时信号有最高频率 foc2 = fclk_I/O/2。 这个特性类似于 CTC 模式下的 OC1A 取反操作，不同之处在于快速 PWM 模式具有双缓冲。 主程序流程图 首先开始对 AVR 单片机内部的相关寄存器进行初始化，使其处于初始状态， PD4 引脚处于输出模式，便于波形输出。 然后就可以设定寄存器，设置波形的产生模式。 频率、占空比和幅度的预置值 通过键扫描得来，键扫描时，如果有键按下，才进入预置模式，没有键按下，则寄存器的值不改变，即波形不变，如图 42 所示。 黎涛：基于占空比和频率可调的脉冲信号发生器 第 12 页 共 24 页 图 42 主程序流程图 键扫描程序流程图 进入键扫描后，要进行功能选择，本设计分为占空比、频率和幅度调节，按下对应的键则进入相应的设定。 占空比调节的最大位数为 2 位，范围为 1%99%。 频率调节的最大位数为 6 位，范围为 1Hz9999999Hz。 幅度调节位 3 位，范围为。 预置完成后，按下确定键，预置值生效，如图 43 所示。 图 43 键扫描流程图 开始 初始化内部寄存器 设定工作模式 键盘扫描 液晶显示 有键按下 重设寄存器 输出波形 重设幅度 Y N 键扫描开始 功能选择 占空比 频率 幅度 占空比预置 设置 OCR1B 频率预置 设置 OCR1A 幅度预置 数模转换器 键扫描结束 2020 届电子信息工程专业毕业设计（论文） 第 13 页 共 24 页 程序仿真 本设计的仿真在 PROTEUS ISIS 开发平台上实现， Proteus 的 ISIS 是一款 Labcenter 出品的电路分析实物仿真系统，可仿真各种电路和 IC，并支持单片机，元件库齐全，使用方便，是不可多得的专业的单片机软件仿真系统。 PROTEUS ISIS 能对硬件实物进行软仿真，功能强大，仿真结果基本接近实物效果。 将电路原理图在 ISIS中画好后，将程序汇编后的 HEX 代码装载到单片机，仿真开始就可以看到仿真效果。 下面对频率和占空比调节进行仿真。 仿真开始后， LCD1602 液晶初始化显示，单片机处于频率和占空比输入状态，此时通过矩阵键盘调节占空比和频率，在模拟示波器上显示出波形。 输入频率为 1KHz，占空比为 80%。 如图 44所示。 在模拟示波器上读出波形数据与液晶显示的数据进行对比，判断仿真是否正确。 图 44 频率和占空比调节 1 按下矩阵键盘的功能键后，重新调节频率和占空比，输入频率为 100KHz，占空比为 50%，确定后，输出波形将发生变化，如图 45 所示。 仿真图的右下角可以读出 模拟示波器每一格所代表的时间。