基于ATMEGA16A單片機的超聲波電機信號發(fā)生模塊

1、超聲波電機信號發(fā)生器的設(shè)計超聲波電機信號發(fā)生器的設(shè)計摘要 超聲波電機（USM）是一種新型的微特電機，它一般由兩路幅值相等、相位差90°的正弦信號驅(qū)動，驅(qū)動信號的頻率范圍一般在20KHZ100KHZ之間。本次設(shè)計主要的任務(wù)是設(shè)計一款新型的基于ATMEGA16單片機控制的超聲波電機驅(qū)動信號發(fā)生器，并且實現(xiàn)輸出信號的頻率、幅度、相位差可調(diào)。通過設(shè)置ATMEGA16單片機定時器模塊，輸出兩路頻率范圍20KHZ50KHZ的方波信號，采用程序控制的方法，調(diào)節(jié)輸出信號的頻率、幅值和相位。采取有源低通濾波的方法將兩路方波信號轉(zhuǎn)換成正弦信號。采用AD811和BUF634構(gòu)成信號放大電路。考慮到本次設(shè)計

2、的預(yù)期目標是輸出四路具有一定相角關(guān)系的正弦信號，故在信號放大模塊后添加移相電路輸出四路正弦信號。最后采用1602液晶實時顯示波形的頻率、幅值和相位等信息。關(guān)鍵詞 超聲波電機；ATMEGA16；正弦信號發(fā)生器Ultra sonic motor signal generator designAbstract: ultrasonic motor (USM) is a new type of micro motor, It is generally driven by the two channels of the sinusoidal signals, which of the amplitudes

3、 are equal, and phase difference of 90 degree, the drive signal frequency range from 20KHZ to 100KHZ. The main aim of this design is to design a new type ultrasonic motor drive control signal generator based on the ATMEGA16 micro-controller, and the output of signals frequency, amplitude, and phase

4、can be difference adjustable. By setting the ATMEGA16 micro-controller timer module to produce two channels of 20KHZ-50KHZ square wave signal, and using program control to adjust the frequency, amplitude and phase of the output signal. Using the active low-pass filtering method to make two square-wa

5、ve signals transform into sinusoidal signals. Using the AD811 and BUF634 constituting the signal amplification circuit. Considering the expected goal of this design is to output a certain phase angle relation between four sinusoidal signals. Therefore, after the signal amplification module, add the

6、phase shift circuit to output four sinusoidal signals. Finally, using LCD 1602 real-time displays the information such as frequency, amplitude and phase of the waveform.Key words: ultra sonic motor; ATMEGA16; sinusoidal signal 目錄引言11 緒論21.1 本次課題設(shè)計的目的與意義21.2 本次課題設(shè)計的預(yù)期目標21.3 本文的主要結(jié)構(gòu)22 系統(tǒng)總體設(shè)計方案32.1 設(shè)計目

7、標32.2 方案論證32.3 設(shè)計思路52.4 系統(tǒng)設(shè)計方案63 系統(tǒng)硬件的設(shè)計73.1 單片機模塊73.1.1 ATMEGA16芯片的簡要介紹73.1.2 ATMEGA16芯片的引腳功能83.1.3 ATMEGA16單片機定時器模塊103.1.4 T/C1的控制寄存器A（TCCR1A）113.1.5 T/C1的控制寄存器B（TCCR1B）123.1.6 T/C1的CTC模式（輸出方波）133.1.7 T/C1的數(shù)據(jù)寄存器（TCNT1）153.1.8 T/C1的輸出比較寄存器（OCR1A/OCR1B）153.2 濾波器模塊153.2.1 五階巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計163.2.2 五階巴特沃斯

8、低通濾波器的參數(shù)計算173.2.3 五階巴特沃斯低通濾波器PROTEUS仿真193.3 放大電路模塊193.4 4*4鍵盤輸入模塊203.5 LCD1602顯示模塊213.6 電源模塊223.7 移相模塊224 系統(tǒng)軟件的設(shè)計274.1 方波信號的輸出程序284.2 按鍵處理程序285 系統(tǒng)調(diào)試結(jié)果336 總結(jié)及展望367 致謝語378 參考文獻38引言超聲波電機（Ultra Sonic Motor, 簡稱USM）與傳統(tǒng)的電磁型電機原理不同，它的定子是由壓電陶瓷和金屬體構(gòu)成，作為振動體。轉(zhuǎn)子（移動體）是由摩擦材料和中空金屬板構(gòu)成。在彈性壓力下定子與轉(zhuǎn)子表面相接觸,當對粘接在定子上的壓電陶瓷施2

9、0KHZ以上的高頻電壓時,沿定子圓周切線方向產(chǎn)生行波振動。這種振動傳遞給與定子接觸的摩擦材料以驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn),這就是旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機的工作原理。旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機作為目前最典型的一種超聲電機，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于微型機械、機器人、精密儀器儀表、日用家電等領(lǐng)域。旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應(yīng)好、低噪聲運行等一系列優(yōu)點，但是，它輸出功率小、效率低成為旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機目前急需解決的問題之一。采用兩個完全相同壓電定子與壓電轉(zhuǎn)子直接平行接觸“ 嚙合” 驅(qū)動壓電轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動，輸出動力，可以克服傳統(tǒng)單定子結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機定轉(zhuǎn)子存在摩擦驅(qū)動接觸范圍小等缺陷，有望提高電機的最大輸出轉(zhuǎn)矩和效率。傳統(tǒng)的

10、旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機的驅(qū)動信號只需要兩相具有相位差的正弦電壓信號。這種新型的旋轉(zhuǎn)型行波超聲電機具有兩組壓電陶瓷，需要四路正弦電壓信號驅(qū)動。本選題就是為這種新型超聲電機開發(fā)驅(qū)動信號發(fā)生器。目前國內(nèi)外應(yīng)用廣泛的行波型超聲電機驅(qū)動系統(tǒng)主要是：利用開關(guān)電源技術(shù)，由逆變來實現(xiàn)電壓升壓，能量傳遞、阻抗匹配和電源隔離。其功能完全由硬件實現(xiàn)，變壓器必須與不同型號的超聲電機匹配，功能單一而且購置、維護費用高；采用直接數(shù)字合成技術(shù)（簡稱DDS），DDS技術(shù)可以輕易地實現(xiàn)輸出信號的調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相的功能，并且與智能化系統(tǒng)有著良好的對接性，具有十分廣闊的發(fā)展前景。但是，受技術(shù)的限制目前系統(tǒng)的設(shè)計還比較復(fù)雜，需要精度比較

11、高的處理器（MCU）和高精度的外圍器件（DAC），成本很高，性價比低。使用美國NI公司的LABVIEW軟件，編寫LABVIEW程序來產(chǎn)生驅(qū)動系統(tǒng)所需的兩路正弦信號，再經(jīng)過濾波、移相和功率放大模塊來驅(qū)動超聲波電機。但是，目前來說，這種技術(shù)還不是很成熟，還不具備廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的條件。1 緒論1.1本次課題設(shè)計的目的與意義由于超聲波電機運行條件的特殊性，致使超聲波電機驅(qū)動信號發(fā)生器的設(shè)計成為一個十分重要的研究課題。隨著半導體技術(shù)和微電子技術(shù)的日益進步，尤其是單片機技術(shù)的飛速發(fā)展，為超聲波電機的驅(qū)動信號發(fā)生器的設(shè)計提供了新的解決思路。尤其是，基于單片機技術(shù)設(shè)計的超聲波電機驅(qū)動信號發(fā)生器的體積小、集

12、成度高、易于程序控制、便于調(diào)整參數(shù)，易于實現(xiàn)閉環(huán)系統(tǒng)的自動控制。對于現(xiàn)代社會的智能化系統(tǒng)的應(yīng)用場合有著重要的作用。本次課題的設(shè)計目的是為了充分運用在大學期間所學的專業(yè)知識，同時聯(lián)系實際問題對大學四年來所學成果的一次綜合性的檢測。通過研究旋轉(zhuǎn)型行波超聲波電機的驅(qū)動及控制原理，廣泛閱讀相關(guān)文獻資料，總結(jié)前人的研究成果和設(shè)計經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計一種新型的基于單片機控制的超聲波電機信號發(fā)生器。1.2本次課題設(shè)計的預(yù)期目標通過ATMEGA16單片機的定時器模塊產(chǎn)生兩路頻率、幅值、相位可調(diào)的方波，輸出的方波信號通過高階巴特沃斯低通濾波器后，生成兩路同頻率的正弦信號。之后采用移相電路，將兩路信號化分為四路頻率

13、為40KHZ的高頻正弦信號輸出，用來驅(qū)動行波型超聲波電機。1.3本文的主要結(jié)構(gòu)本文主要分為六大部分：緒論、設(shè)計方案、硬件部分、軟件部分，系統(tǒng)調(diào)試，結(jié)論與展望。第1章緒論部分首先對課題背景和所涉及的技術(shù)領(lǐng)域以及課題的目的意義和預(yù)期達到的效果進行介紹；第2章設(shè)計方案部分對系統(tǒng)所要完成的功能進行講解，確定系統(tǒng)設(shè)計的主要參數(shù)和主要方法；第3章為硬件部分，這部分對系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)和各部分組成進行簡要的介紹；第4章為軟件部分，這部分重點介紹了主程序的流程圖及控制部分驅(qū)動程序；第5章為系統(tǒng)調(diào)試部分，這部分主要是驗證系統(tǒng)設(shè)計的整體效果；最后對全文進行了總結(jié)與展望。2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案2.1設(shè)計目標認真學習和研究

14、各類超聲波電機驅(qū)動信號發(fā)生器的原理，廣泛閱讀有關(guān)文獻和資料，設(shè)計并制作一款基于單片機控制的超聲電機驅(qū)動信號發(fā)生器，技術(shù)要求如下：（1）采用單片機模塊控制輸出兩路正弦信號，正弦信號頻率穩(wěn)定。（2）輸出正弦信號的頻率在20KHZ-50KHZ之間可調(diào)；相位實現(xiàn)-180°至+180°可調(diào)；幅值范圍在0-10V之間可調(diào)。（3）輸出正弦信號的頻率、相位差和幅值可以編程控制。2.2方案論證對于超聲波電機驅(qū)動信號發(fā)生模塊的實現(xiàn)方法主要有四種:一是傳統(tǒng)方法采用鎖相環(huán)電路( Phase Locked Loop, 簡稱PLL) 進行設(shè)計；二是采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)（Direct Digital

15、 Frequency Synthesis, 簡稱DDS）進行設(shè)計；三是基于可編程邏輯器件CPLD/FPGA專用數(shù)字集成電路；四是采用單片機控制與低通濾波技術(shù)相結(jié)合的方法。方案一：采用鎖相環(huán)電路（PLL）技術(shù)：這種方法主要是使用傳統(tǒng)的RC多諧振蕩器、555多諧振蕩器、壓控振蕩器（VCO）來產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦信號。這種方式往往需要采用比較復(fù)雜的倍頻、分頻、移相、鎖相環(huán)技術(shù)等。電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計往往比較龐大，元器件的數(shù)量很多，整個系統(tǒng)的精度比較低，并且容易產(chǎn)生溫漂、零漂等問題。方案二：利用直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)：以純數(shù)字的方式來生成正弦信號。這種方式是現(xiàn)在比較受人關(guān)注的一種方法，因為它是將所要產(chǎn)生的

16、正弦信號的信息以數(shù)字的形式按順序先存放在內(nèi)存（EEPROM或Flash）當中，然后通過計算機發(fā)送的指令，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換，輸出用戶所需要的信號信息。采取這種方式，用戶可以方便的更改存儲的信號類型、周期、頻率、幅值等參數(shù)，并且可以設(shè)置多個通道同時輸出。此外，系統(tǒng)和程序易于移植，便于實現(xiàn)自動控制。但是，這種技術(shù)對于主控芯片（MCU）的性能要求很高，系統(tǒng)設(shè)計比較復(fù)雜，同時對于外圍硬件設(shè)備（DAC）的精度要求也很高，成本很高。方案三：基于復(fù)雜可編程邏輯器件CPLD/FPGA專用數(shù)字集成電路：CPLD/FPGA是一種用戶根據(jù)各自需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。其基本設(shè)計方法是借助集成開發(fā)軟件平臺，用

17、原理圖、硬件描述語言等方法，生成相應(yīng)的目標文件，通過下載電纜將代碼傳送到目標芯片中，實現(xiàn)設(shè)計的數(shù)字系統(tǒng)。CPLD適合于完成各種算法和組合邏輯，F(xiàn)PGA則適合于完成時序邏輯。使用CPLD/FPGA數(shù)字集成電路產(chǎn)生正弦信號的方案的特點是電路搭建容易，電路的集成度高，處理速度快，輸出信號穩(wěn)定性好，并且可以進行編程控制。但是，相應(yīng)的集成開發(fā)軟件平臺和可編程器件本身都比較昂貴。方案四：基于單片機與低通濾波技術(shù)相結(jié)合的方法：由于單片機技術(shù)的飛速發(fā)展現(xiàn)在許多中高端8位的單片機芯片（如ATMEGA8，ATMEGA16，HC9S08AW60）內(nèi)部就集成有脈寬調(diào)制模塊，無需采用傳統(tǒng)的模擬比較的方式進行軟件編程，只

18、要通過設(shè)置相關(guān)的寄存器單元就可以得到所要的信號的脈寬。之后，通過有源低通濾波器后就可以得到所要的正弦信號。這種方法控制簡單易行，濾波技術(shù)也比較成熟。相對于前面幾種方案而言，設(shè)計相對簡單，成本也較低，性價比高?；趯Ρ敬握n題設(shè)計目標的深入研究，在滿足工作要求的前提下，性價比高的信號發(fā)生器是我們的首選。從上面的比較可以看出，第一個方案的設(shè)計結(jié)構(gòu)比較龐大，不利于系統(tǒng)的集成化，誤差也比較突出，難以達到我們所要求的預(yù)期的效果；方案二和方案三，雖然可以很好的達到設(shè)計目標的預(yù)期效果，但是總體的設(shè)計方法比較復(fù)雜，系統(tǒng)成本很高，性價比不高；而第四個方案所提出的方法簡單易行，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)適中，器件的數(shù)目較少，成本低

19、，性價比高。因此，本次設(shè)計采用方案四。2.3設(shè)計思路本次課題在充分考慮設(shè)計目標和設(shè)計成本后，決定采用方案四來試驗，即采用對方波信號進行有源低通濾波的方法形成正弦信號。該方法的基本原理是通過濾除方波信號中的高次諧波，得到一次諧波分量（正弦波），對高次諧波分量具有很高的抑制作用。設(shè)計原理：周期信號的傅里葉級數(shù)的三角函數(shù)展開式如下： （n=1,2,3） （2-1）其中，常值分量、余弦值分量幅值、正弦值分量幅值分別可以用下列積分式表示： （2-2） （2-3） （2-4）現(xiàn)假設(shè)周期方波信號在一個周期內(nèi)的表達式為： （2-5）根據(jù)式（2-2），式（2-3），式（2-4），以及奇函數(shù)在對稱區(qū)間的積分值為零

20、有：，。同時，還可以得到： （2-6）因此，周期方波的傅里葉級數(shù)展開式為： （2-7）其中為基波角頻率，由式（2-7）可知，可以通過隔離直流和低通濾波的方式濾除方波中的直流分量和高次諧波分量，即可以求得正弦基波分量。基波頻率與方波頻率相同，幅值由方波的占空比決定，兩者成正弦函數(shù)關(guān)系。在濾波后，兩相輸出信號保持原方波信號的相位關(guān)系。通過調(diào)節(jié)原方波信號的頻率、相位差和占空比，可以控制輸出正弦信號的相應(yīng)參數(shù)。其實現(xiàn)過程可以用圖2-1來表示。圖2-1 方波形成正弦波的原理框圖2.4系統(tǒng)設(shè)計方案系統(tǒng)由ATMEGA16單片機控制模塊、ATMEGA16單片機方波信號發(fā)生模塊、五階巴特沃斯低通濾波器模塊、信號

21、放大模塊、移相電路模塊、功率放大模塊、4*4鍵盤輸入模塊和LCD顯示模塊組成。通過設(shè)置ATMEGA16單片機定時器模塊，輸出兩路頻率范圍20KHZ50KHZ的方波信號，采用程序控制的方法，調(diào)節(jié)輸出信號的頻率、幅值和相位；將輸出的兩路方波信號放大后，再采取有源巴特沃斯低通濾波器將其轉(zhuǎn)換成同頻率的正弦信號，然后通過移相電路模塊將兩路信號細分為四路輸出，再經(jīng)過功率放大后驅(qū)動超聲電機運轉(zhuǎn)?？傮w方案原理框圖如圖2-2所示。圖2-2 總體方案原理框圖3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計由第二章的系統(tǒng)方框圖，可知系統(tǒng)主要分為八個部分，分別是ATMEGA16單片機主控模塊、ATMEGA16方波信號發(fā)生模塊、高階巴特沃斯低通濾波

22、器模塊、用于調(diào)整幅度的信號放大模塊、移相模塊、功率放大模塊、4*4鍵盤輸入模塊和LCD1602顯示模塊。工作原理如下：通過設(shè)置ATMEGA16單片機定時器模塊的匹配寄存器(OCR1A/OCR1B)產(chǎn)生兩路同頻率的方波信號輸出，通過編程的方式改變輸出方波信號的頻率，幅值和相位。輸出的方波信號經(jīng)過五階巴特沃斯低通濾波器濾波后，取出一次諧波就能得到正弦信號，將此正弦信號再經(jīng)過電壓放大模塊，就可以得到我們所要獲取的信號輸出。但是，濾波后的正弦信號和輸出的方波信號之間會產(chǎn)生相位漂移，故需增設(shè)相位補償模塊，調(diào)整輸出信號之間的相位差以滿足我們所要求的設(shè)計目標。最終將我們所需要的信號信息顯示在LCD顯示器上。

23、3.1單片機模塊3.1.1 ATMEGA16芯片的簡要介紹ATMEGA16是基于增強的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATMEGA16的數(shù)據(jù)吞吐率高達1 MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATMEGA16 AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與算術(shù)邏輯單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATMEGA16有如下特點：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Fla

24、sh(具有同時讀寫的能力，即RWW)，512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個通用I/O口線，32個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/計數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。工作于空閑模式時CPU停止工作，而USART、兩線接口、A/D 轉(zhuǎn)換器、SRAM、T/C、SPI 端口以及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作；掉電模式時晶體振蕩器停止振蕩，所有功能除了

25、中斷和硬件復(fù)位之外都停止工作；在省電模式下，異步定時器繼續(xù)運行，允許用戶保持一個時間基準，而其余功能模塊處于休眠狀態(tài)；ADC噪聲抑制模式時終止CPU以及除了異步定時器和ADC以外所有I/O模塊的工作，以降低ADC轉(zhuǎn)換時的開關(guān)噪聲；Standby模式下只有晶體或諧振振蕩器運行，其余功能模塊處于休眠狀態(tài)，使得器件只消耗極少的電流，同時具有快速啟動能力；擴展Standby模式下則允許振蕩器和異步定時器繼續(xù)工作。圖3-1 ATMEGA16芯片3.1.2 ATMEGA16芯片的引腳功能ATMEGA16有4個8位的雙向I/O端口PA、PB、PC、PD，他們對外對應(yīng)32個I/O引腳，每一位都可以獨立地用于邏

26、輯信號的輸入和輸出。在5V工作電壓下，輸出高電平時，每個引腳可輸出達20mA的驅(qū)動電流；而在低電平輸出時，每個引腳可吸收最大為40mA的電流，可以直接驅(qū)動發(fā)光二極管（一般的發(fā)光二極管的驅(qū)動電流為10mA）和小型繼電器等小功率器件。AVR大部分的I/O端口都具備雙重功能（有的還有第三功能）。其中第一功能是作為數(shù)字通用I/O接口使用，而復(fù)用的功能可分別與片內(nèi)的各種不同功能的外圍接口電路組合成一些可以完成特殊功能的I/O口，如定時器、計數(shù)器、串行接口、模擬比較器、捕捉器、USART、SPI等。具體的引腳功能如表3-1所示。表3-1 ATMEGA16相關(guān)引腳的功能介紹引腳名稱引腳功能說明VCC電源正G

27、ND電源地端口A(PA7.PA0)端口A作為A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入端。端口A為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口A處于高阻狀態(tài)。端口B(PB7.PB0)端口B為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口B處于高阻狀態(tài)。如果ISP接口使能，引腳PB5至PB7輸入輸出

28、功能失效。端口C(PC7.PC0)端口C為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口C處于高阻狀態(tài)。如果JTAG接口使能，引腳PC5(TDI)、PC3(TMS)、PC2(TCK)、PC3(TDO)做調(diào)試使用，輸入輸出功能失效。端口D(PD7.PD0)端口D為8位雙向I/O口，具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性，可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時，若內(nèi)部上拉電阻使能，則端口被外部電路拉低時將輸出電流。在復(fù)位過程

29、中，即使系統(tǒng)時鐘還未起振，端口D處于高阻狀態(tài)。端口D也可以用做其他不同的特殊功能RESET復(fù)位輸入引腳。持續(xù)時間超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。XTAL1反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘信號電路的輸入端。XTAL2反向振蕩放大器與片內(nèi)時鐘信號電路的輸出端。AVCCAVCC是A/D轉(zhuǎn)換器的電源。不使用ADC時，該引腳應(yīng)直接與VCC連接。使用ADC時應(yīng)通過一個低通濾波器與VCC連接。AREFA/D 的基準電壓輸入引腳3.1.3 ATMEGA16單片機定時器模塊ATMEGA16單片機一共有3個定時/計數(shù)器模塊（T/C0、 T/C1、 T/C2）。T/C0和T/C2是8位定時/計數(shù)器， T/C1是一個

30、16位的定時器/ 計數(shù)器模塊。可以實現(xiàn)精確的程序定時( 事件管理)，波形產(chǎn)生和信號測量。其主要特點如下： 兩個獨立的輸出比較單元 雙緩沖的輸出比較寄存器（OCR1A、OCR1B） 一個輸入捕捉單元（ICR1） 輸入捕捉噪聲抑制器 比較匹配發(fā)生時清除寄存器( 自動重載) 無干擾脈沖，相位正確的PWM 可變的PWM周期 頻率發(fā)生器 外部事件計數(shù)器（TCNT1） 四個獨立的中斷源(TOV1、OCF1A、OCF1B、ICF1)16位定時/計數(shù)器T/C1 的簡化框圖如圖3-2所示。 圖3-2 16位定時/計數(shù)器（T/C1）的簡化框圖3.1.4 T/C1的控制寄存器A（TCCR1A）表3-2 定時/計數(shù)器

31、1的控制寄存器（TCCR1A）Bit76543210TCCR1ACOM1A1COM1A0COM1B1COM1B0FOC1AFOC1BWGM11WGM10讀/寫R/WR/WR/WR/WR/WR/WR/WR/W Bit 7:6 COM1A1:0: 通道A的比較輸出模式 Bit 5:4 COM1B1:0: 通道B的比較輸出模式即進行比較操作。COM1A1:0與COM1B1:0分別控制OC1A與OC1B狀態(tài)。如果COM1A1:0 (COM1B1:0 )的一位或兩位被寫入“1”,OC1A(OC1B)輸出功能將取代 I/O 端口功能。此時 OC1A(OC1B)相應(yīng)的引腳必須置位為輸出。OC1A(OC1B)

32、與物理引腳相連時，COM1x1:0的功能由WGM13:10的設(shè)置決定。表3-3給出當WGM13:10設(shè)置為普通模式與CTC模式( 非PWM模式) 時COM1x1:0的功能定義。表3-3 比較輸出模式，非PWM模式COM1A1/COM1B1COM1A0/COM1B0說明00正常的端口操作，非OC1A/OC1B功能01比較匹配時OC1A/OC1B電平取反10比較匹配時OC1A/OC1B清零11比較匹配時OC1A/OC1B置位表3-4給出當WGM13:10設(shè)置為相位修正PWM模式或者相頻修正PWM模式時COM1x1:0的功能定義。表3-4 比較輸出模式，相位修正或者相頻修正PWM模式COM1A1/C

33、OM1B1COM1A0/COM1B0說明00正常的端口操作，非OC1A/OC1B功能01WGM13:10 = 9或14:比較匹配時OC1A取反，OC1B不占用物理引腳。WGM13:10為其它值時為普通端口操作，非OC1A/OC1B功能。10升序記數(shù)時比較匹配將清零OC1A/OC1B，降序記數(shù)時比較匹配將置位OC1A/OC1B。11升序記數(shù)時比較匹配將置位OC1A/OC1B降序記數(shù)時比較匹配將清零OC1A/OC1B。 Bit 3 FOC1A: 通道A 強制輸出比較 Bit 2 FOC1B: 通道B 強制輸出比較FOC1A/FOC1B 只有當WGM13:10指定為非PWM模式時被激活。為與未來器件

34、兼容，工作在PWM 模式下對TCCR1A寫入時，這兩位必須清零。當 FOC1A/FOC1B 位置1，立即強制波形產(chǎn)生單元進行比較匹配。COM1x1:0 的設(shè)置改變 OC1A/OC1B 的輸出。注意FOC1A/FOC1B 位作為選通信號，COM1x1:0 位的值決定強制比較的效果。在CTC模式下使用OCR1A 作為TOP值，F(xiàn)OC1A/FOC1B 選通即不會產(chǎn)生中斷，也不好清除定時器。FOC1A/FOC1B 位總是讀為0。 Bit 1:0 WGM11:10: 波形發(fā)生模式這兩位與位于TCCR1B寄存器的WGM13:12相結(jié)合，用于控制計數(shù)器的計數(shù)序列計數(shù)器計數(shù)的上限值和確定波形發(fā)生器的工作模式

35、( 見表3-5 )。T/C1 支持的工作模式有：普通模式， CTC 模式，以及三種脈寬調(diào)制(PWM)模式。表3-5 波形產(chǎn)生模式的位描述3.1.5 T/C1的控制寄存器B（TCCR1B）表3-6 定時/計數(shù)器1的控制寄存器B（TCCR1B）Bit76543210TCCR1BICNC1ICES1WGM13WGM12CS12CS11CS10讀/寫R/WR/WRR/WR/WR/WR/WR/W Bit 7 ICNC1: 輸入捕捉噪聲抑制器置位ICNC1 將使能輸入捕捉噪聲抑制功能。此時外部引腳ICP1 的輸入被濾波。其作用是從ICP1 引腳連續(xù)進行4 次采樣。如果4個采樣值都相等，那么信號送入邊沿檢測

36、器。因此使能該功能使得輸入捕捉被延遲了4個時鐘周期。 Bit 6 ICES1: 輸入捕捉觸發(fā)沿選擇該位選擇使用ICP1 上的哪個邊沿觸發(fā)捕獲事件。ICES 為“0”時選擇的是下降沿觸發(fā)輸入捕捉；ICES1 為“1”時選擇的是邏輯電平的上升沿觸發(fā)輸入捕捉。按照ICES1 的設(shè)置捕獲到一個事件后，計數(shù)器的數(shù)值被復(fù)制到 ICR1 寄存器。捕獲事件還會置位ICF1。如果此時中斷使能，輸入捕捉事件即被觸發(fā)。當ICR1 用作TOP值(見TCCR1A與TCCR1B寄存器中WGM13:10位的描述 )時，ICP1與輸入捕捉功能脫開，從而輸入捕捉功能被禁用。 Bit 5 - ： 保留位該位保留。為保證與將來器件

37、的兼容性，寫TCCR1B時，該位必須寫入“0”。 Bit 4:3 - WGM13:12: 波形發(fā)生模式見表3-5波形產(chǎn)生模式的位描述。 Bit 2:0 - CS12:10: 時鐘選擇位這3個位用于選擇T/C1的時鐘源，如表3-7所示。表3-7 T/C1的時鐘源的選擇CS12CS11CS10說明000無時鐘，T/C1不工作001對時鐘進行1分頻010對時鐘進行8分頻011對時鐘進行64分頻100對時鐘進行256分頻101對時鐘進行1024分頻110時鐘由T1 引腳輸入，下降沿觸發(fā)111時鐘由T1 引腳輸入，上升沿觸發(fā)3.1.6 T/C1的CTC模式（輸出方波）在CTC模式(WGM13:10 =

38、4或12) 里OCR1A 或ICR1 寄存器用于調(diào)節(jié)計數(shù)器的分辨率。當計數(shù)器的數(shù)值TCNT1等于OCR1A(WGM13:10 = 4)或等于ICR1 (WGM13:10 = 12) 時計數(shù)器清零。OCR1A 或ICR1 定義了計數(shù)器的TOP值，亦即計數(shù)器的分辨率。這個模式使得用戶可以很容易地控制比較匹配輸出的頻率，也簡化了外部事件計數(shù)的操作。CTC模式的時序圖如圖3-3所示。計數(shù)器數(shù)值 TCNT1一直累加到TCNT1與OCR1A 或ICR1匹配，然后TCNT1清零。利用OCF1A或ICF1 標志可以在計數(shù)器數(shù)值達到TOP時產(chǎn)生中斷。 在中斷服務(wù)程序里可以更新TOP的數(shù)值。由于 CTC模式?jīng)]有雙

39、緩沖功能，在計數(shù)器采用無預(yù)分頻或很低的預(yù)分頻器工作的時候?qū)OP更改為接近BOTTOM的數(shù)值時要小心。如果寫入的OCR1A 或ICR1 的數(shù)值小于當前TCNT1的數(shù)值，計數(shù)器將丟失一次比較匹配。在下一次比較匹配發(fā)生之前，計數(shù)器不得不先計數(shù)到最大值0xFFFF，然后再從0x0000 開始計數(shù)到OCR1A或ICR1 。在許多情況下，這一特性并非我們所希望的。替代的方法是使用快速PWM 模式，該模式使用OCR1A定義TOP 值(WGM13:10 = 15) ，因為此時OCR1A為雙緩沖。為了在CTC模式下得到波形輸出，可以設(shè)置OC1A 在每次比較匹配發(fā)生時改變邏輯電平。這可以通過設(shè)置COM1A1:

40、COM1A0 = 1 來完成。在期望獲得OC1A 輸出之前，首先要將其端口設(shè)置為輸出(DDR_OC1A = 1)。波形發(fā)生器能夠產(chǎn)生的最大頻率為 (OCR1A = 0x0000)。波形發(fā)生器的頻率可以由下面公式確定（N代表分頻因子）： （3-1）其中為輸出頻率，為系統(tǒng)時鐘，為匹配寄存器的設(shè)置值。圖3-3 CTC模式的時序圖3.1.7 T/C1的數(shù)據(jù)寄存器（TCNT1）TCNT1H 與TCNT1L 組成了T/C1的數(shù)據(jù)寄存器TCNT1。通過它們可以直接對定時器/計數(shù)器單元的16位計數(shù)器進行讀寫訪問。為保證CPU對高字節(jié)與低字節(jié)的同時讀寫，必須使用一個8位臨時高字節(jié)寄存器TEMP 。TEMP是所有

41、的16位寄存器共用的。在計數(shù)器運行期間修改TCNT1的內(nèi)容有可能丟失一次TCNT1與OCR1x的比較匹配操作。寫TCNT1寄存器將在下一個定時器周期阻塞比較匹配。表3-8 定時/計數(shù)器1的數(shù)據(jù)寄存器（TCNT1）BIT76543210TCNT1HTCNT115:8TCNT1LTCNT17:03.1.8 T/C1的輸出比較寄存器（OCR1A/OCR1B）該寄存器中的16位數(shù)據(jù)與TCNT1寄存器中的計數(shù)值進行連續(xù)的比較，一旦數(shù)據(jù)匹配，將產(chǎn)生一個輸出比較中斷，或改變OC1x 的輸出邏輯電平。輸出比較寄存器長度為16位。為保證CPU對高字節(jié)與低字節(jié)的同時讀寫，必須使用一個8位臨時高字節(jié)寄存器TEMP

42、。TEMP 是所有的16位寄存器共用的。表3-9 定時/計數(shù)器1的輸出比較寄存器A（OCR1A）BIT76543210OCR1AHOCR1A 15:8OCR1ALOCR1A 7:0表3-10 定時/計數(shù)器1的輸出比較寄存器B（OCR1B）BIT76543210OCR1BHOCR1B 15:8OCR1BLOCR1B 7:03.2濾波器模塊濾波器是對信號的頻率具有選擇性的電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi)的信號通過。濾波器按處理信號可以分為：數(shù)字濾波器、模擬濾波器；按處理頻段可以分為：低/高通濾波器、帶通/阻濾波器；按采用元件可以分為：有源濾波器、無源濾波器。RC有源濾波器是模擬濾波器中最實用、應(yīng)用

43、最廣泛的濾波器。濾波器標準化電路的種類很少，僅適用運放及R、C元件，因此非常便于集成，這給推廣應(yīng)用帶來廣泛影響。因為不適用電感、特別是大型電感，也因為運放性能的飛速提高的同時價格卻一降再降，所以在成本方面有源濾波器已經(jīng)變得比無源濾波器還有優(yōu)勢。本章就是基于以上原因設(shè)計一個截止頻率為60KHZ的有源低通濾波器并利用PROTEUS電路仿真軟件進行仿真。3.2.1 五階巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計巴特沃斯低通濾波器具有最大平坦幅頻響應(yīng)的特性,且具有良好的線性相位特性等優(yōu)點, 它是一種全極點配置的濾波器,具有本質(zhì)的穩(wěn)定性。 設(shè)H(s)為巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù),它的極點配置規(guī)律是: n個極點均勻地分布

44、在s左半平面上，并在以原點為圓心、以為半徑的半圓周上共軛,相鄰兩個極點之間的相位差為/n弧度。當n為奇數(shù)時, 巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為: （3-2）式子中。當n為偶數(shù)時, 巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)為: （3-3）式子中。由式（3-2）可知：奇數(shù)階的巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)可以分解為1個一階巴特沃斯低通濾波器和(n- 1) /2個二階振蕩環(huán)節(jié)的乘積,在電路實現(xiàn)上為1個一階巴特沃斯低通濾波網(wǎng)絡(luò)和(n- 1) /2個二階巴特沃斯濾波網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)。同理，偶數(shù)階的巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)可分解為n/2個二階振蕩環(huán)節(jié)的乘積,在電路實現(xiàn)上為n/2個二階巴特沃斯濾波網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)。由階數(shù)n值和的公

45、式便可以建立巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計系數(shù)庫，如表3-9所示。表3-9 巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計系數(shù)庫階數(shù)系數(shù)k21=0.707031=0.500041=0.3827，2=0.923951=0.3090，2=0.809061=0.2588，2=0.7071，3=0.966071=0.2225，2=0.6235，3=0.901081=0.1951，2=0.5556，3=0.8315，4=0.980891=0.1737，2=0.5000，3=0.7660，4=0.9397101=0.1565，2=0.4540，3=0.7071，4=0.8910，5=0.98773.2.2 五階巴特沃斯低通濾波器的參

46、數(shù)計算由以上分析可以得出五階巴特沃斯低通濾波器可以分解為1個一階巴特沃斯低通濾波的電路和2個二階巴特沃斯濾波網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)。一階巴特沃斯低通濾波的電路如圖3-4所示。圖3-4 一階巴特沃斯低通濾波的電路由圖3-4可知一階巴特沃斯低通濾波的傳遞函數(shù)為： （3-4）由式（3-4）可得截止角頻率： （3-5）由式（3-5）可得第一個電容值： （3-6）二階巴特沃斯低通濾波的電路如圖3-5所示。圖3-5 二階巴特沃斯低通濾波的電路由圖3-6可知二階巴特沃斯低通濾波的傳遞函數(shù)為： （3-7）由式（3-7）可得: （3-8） （3-9）由式（3-8）、式（3-9）可得：，。由巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計系數(shù)，截止

47、角頻率，和電阻R可以得到五階巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計參數(shù)如下：取R=R0=R1=R2=R3=R4=5K，計算得=530pF，=1.72nF，=165pF，=660pF，=430pF。3.2.3五階巴特沃斯低通濾波器PROTEUS仿真五階巴特沃斯低通濾波器的設(shè)計電路以及PROTEUS仿真如圖3-6所示。圖3-6 五階巴特沃斯低通濾波器的PROTEUS仿真3.3放大電路模塊為了是輸出的信號得到更大的輸出幅度和驅(qū)動能力，就需要對濾波環(huán)節(jié)下的輸出信號作進一步的放大，可使其通過一個AD811進行電壓放大。AD811為電流反饋型寬帶運算放大器，采用±15V供電，其高速帶寬達到140MHZ（G=+

48、1，3dB），當增益G=+2，噪聲為3dB的情況下，帶寬達120MHz，其微分增益和相位分別為0.01和0.01°（RL= 150），使AD811成為所有視頻系統(tǒng)的絕佳選擇。其輸出電壓有±12V的輸出擺幅，且輸出電流最大可達100mA，完全可以滿足峰峰值要求，十分適合本系統(tǒng)的放大要求。功率輸出級由 BUF634擔任，這是一種高速緩沖器IC，具有2000V/ s 的轉(zhuǎn)換速率，輸出電流達250mA ，其電壓增益為G=1，但負載能力很強，在電路中起功率擴展的作用。放大電路如圖3-7所示。圖3-7 放大驅(qū)動電路模塊利用MULTISIM電路仿真軟件進行仿真的放大效果如圖3-8所示。圖

49、3-8放大模塊的電路仿真3.4 4*4鍵盤輸入模塊本模塊的功能主要是方便使用者對輸出波形的各種設(shè)置，共有16個按鍵分別為: 數(shù)字鍵：09； （10個 ）小數(shù)點鍵； （ 1個 ）功能鍵； （ 3個 ）確認鍵； （ 1個 ）取消鍵； （ 1個 ）1) 數(shù)字鍵09：用于使用者對各種設(shè)置的直接數(shù)字輸入；2) 小數(shù)點設(shè)置(A)：A使能時，用于輸出小數(shù)點符號“.”；3) 頻率設(shè)置鍵(B): B使能時，設(shè)置輸出信號的頻率值；4) 相位控制鍵(C): C使能時，設(shè)置輸出信號的相位值；5) 設(shè)置取消鍵(D): D使能時，取消相應(yīng)的設(shè)置；6) 設(shè)置使能鍵(E)：E使能時，執(zhí)行相關(guān)設(shè)置的功能；7) 狀態(tài)設(shè)置鍵(F)

50、：F使能時，進行不同的狀態(tài)設(shè)置；4*4鍵盤與單片機的連接圖如圖3-9所示，鍵盤布置的效果圖如圖3-10所示。圖3-9 鍵盤與單片機的連接電路 圖3-10 矩陣鍵盤分布3.5 LCD1602顯示模塊本模塊主要用于實時顯示從輸出反饋回來的波形信號的頻率、幅值、相位等信息，以便于用戶對系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，得到所需要的信號信息。LCD1602顯示模塊的電路圖如圖3-11所示。其中，電阻R用于調(diào)節(jié)液晶的顯示對比度，PB0-PB7為數(shù)據(jù)輸入端口，PC4（RS）為數(shù)據(jù)選擇端口，PC5（R/W）為讀寫選通控制端口，PC6（RD）為液晶使能端口，端口15和16分別為液晶背光電源的正極和負極。圖3-11 LCD1602

51、顯示模塊3.6 電源模塊電源電路比較簡單，由固定電源模塊經(jīng)過三端集成穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需要的電壓值，首先，由兩只三端集成穩(wěn)壓器 LM7815 和 LM7915變成穩(wěn)定的±15V 直流電壓，±15V再由兩只三端集成穩(wěn)壓器 LM7812 和 LM7912變成穩(wěn)定的±12V 直流電壓。±12V 的電壓再經(jīng)兩只三端集成穩(wěn)壓器LM7805和LM7905進一步穩(wěn)壓后，變成±5V的直流電壓供給單片機系統(tǒng)使用。電源電路如圖3-12所示。圖3-12 電源電路3.7 移相模塊因為本設(shè)計中需要對放大后的信號進行移相處理，故在其后設(shè)計移相范圍在-180°至

52、180°的移相電路。因為電容（C）、電感（L）這些感性負載都具有移相作用，它們與電阻配合能夠分別形成RC移相電路、RL移相電路和RLC移相電路。在較高頻率下，電感的體積會顯得很大，基于系統(tǒng)設(shè)計的要求，選擇RC移相電路。圖3-13用相量圖表示了簡單串聯(lián)電路中電阻和電容兩端的電壓、和輸入電壓U的關(guān)系，值得注意的是：相量法的使用范圍是正弦信號的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，并且在R、C的值都已固定的情況下，由于的值是頻率的函數(shù)，因此同一電路對于不同頻率正弦信號的相量圖表示并不相同。在這里，同樣的移相電路對不同頻率信號的移相角度是不會相同的RC移相電路的設(shè)計要針對特定的頻率來進行。圖3-13 簡單的RC移相對圖

53、3-13中第一個圖進行分析： （3-10）其中，這是一個慣性環(huán)節(jié)，其對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性表達式： （3-11） （3-12）改變T的值就可以改變幅值和頻率，使得C固定，但是R可變，就可以改變T的值。根據(jù)這兩個表達式，使用MATLAB畫出的慣性環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性如圖3-14所示：圖3-14 慣性環(huán)節(jié)的對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性由圖3-14可以看出，一個RC移相器的移相范圍是090°，為了得到更大的移相范圍可以使用兩個RC移相疊加，隨著移相的范圍變大，幅值衰減也越多，因此將RC與運算放大器組成有源移相電路。圖3-15 90°超前移相 圖3-16 90°滯后移相圖3-15和圖3-16可以看成基本的RC移相電路，其移相電路的理論推導是： （3-13）由，及可以得到