单片机控制低频脉冲信号发生器的设计

2020-12-24田莉霞

软件 2020年7期

摘要：本文详细介绍了单片机控制低频脉冲信号发生器的设计，系统微控制器以16位凌阳单片机（SPACE061A）为核心，且要求脉冲频率在1 Hz～999 Hz之间可调、幅值在3.6～27 V之间可调。本系统开发经过了反復的硬、软件联调与测试，实践效果较好。

关键词：单片机;多功能输入/输出;低频脉冲;信号发生器

中图分类号： TP368.1 文献标识码： A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.004

本文著录格式：田莉霞. 单片机控制低频脉冲信号发生器的设计[J]. 软件，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

信号发生器应用广泛，是最早使用的电信号设备之一，目前主要在教学、科学试验、测控、电子电路等领域广泛应用，它能为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号。信号发生器同电子设备同时诞生于二十年代，并在通信和雷达技术的推动下，不断更新。四十年代，标准信号发生器及脉冲信号发生器诞生，实现了定性分析到定量分析的改变，拓宽了信号发生器使用范围，同时可用于脉冲电路调制^[1]。六十年代，全晶体管信号发生器的出现，大大简化了信号发生器的结构，强化其功能，促使信号发生器迅猛发展，函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类在这一时期陆续出现。

信号发生器可以输出正（余）弦波、脉冲波等多种任意波形;输出信号频率广泛，从甚低频到甚高频均可;操作方式多样，无论是手动还是程控均可调节。

本系统设计伊始，笔者主要对以下三方面提出要求：

（1）脉冲频率要求在1-999 HZ之间，能够让用户手动输入要求的脉冲频率，即实现脉冲频率在规定范围内可调。

（2）用户可以手动控制脉宽，即占空比的大小可以调节。

（3）借助放大电路，实现系统输出脉冲电压幅值可以调节，范围控制在3.6 V-27 V之间。

（4）结合以上三点要求，笔者采用SPACE061A小系统板作为微控制器，设计制作用于控制输入输出的硬件控制电路，完成系统整体硬件设计。通过编写程序控制低频脉冲信号发生器脉冲信号在一定范围内可调，本文对系统的硬件及软件分别做一介绍。

1 系统设计方案

低频脉冲信号发生器采用凌阳单片机SPACE061A进行核心控制，自行设计的外部电路进行输入、显示、信号整形的控制，二者通过排线相连。利用单片机的输入/输出口控制系统外部电路的键盘输入及数码显示，再通过代码编写控制单片机产生初始矩形波信号。矩形波信号通过外部电路的74LS74D触发器、单稳态触发器和放大电路，设计实现低频脉冲信号发生器，其频率在1-999 HZ之间、手动占空比可调、幅值3.6 V-27 V之间。

2 系统相关硬件说明

系统硬件系统主要由单片机（SPACE061A）、显示模块、键盘输入模块、74LS74D触发器和单稳态触发器模块组成。下面对系统的相关硬件作详细说明。

2.1 凌阳单片机SPACE061A

SPACE061A（“61 板”）是一款十六位结构的微控制器^[2]，其结构概览如图1所示。

由图1可以看出，单片机SPCE061A主要包括16位微控制器、双16位定时器/计数器、锁相环振荡器、数/模转换、模/数转换、低电压监测/低电压复位、串行异步通讯接口、32管脚通用输入输出接口等组成^[3]。下面分别对输入/输出接口及在线调试器PROBE 和EZ_PROBE 接口做一简要介绍。

（1）输入/输出（I/O）接口

凌阳单片机（SPACE061A）的32 个输入/输出口全部引出，分别是IOA0～IOA15，IOB0～IOB15^[4]，对应引脚为：A 口，41～48、53、54～60;B 口，5～1、81～76、68～64。I/O 口编程可控，输入可以设置为悬浮输入或非悬浮输入，输出可以设置为同相输出或者反相输出。

正如前面所提，B口出了具有常规的输入输出功能外，还有一些特殊的功能，如下表1所示^[5]。

系统在设计时就采用了IOB8口的特殊功能，输出矩形波信号。

（2）在线调试器PROBE 和EZ_PROBE接口

PROBE接口有5 pin，上为VSS，下为VCC即3.3 V电源。通过PROBE接口与PC机的连接，实现调试、仿真及程序的下载。

2.2 低频脉冲信号发生器的硬件控制电路板

硬件电路整体框图如下图2所示，系统以16位凌阳单片机SPCE061A 为微处理器，利用排线连接外部硬件控制电路，实现键盘输入以及数码显示^[6]。SPCE061A输出矩形脉冲波，通过74LS74D触发器、单稳态触发器，及放大电路，实现输出波形频率在1-999 HZ之间、手动占空比可调、幅值3.6 V-27 V之间的低频脉冲信号发生器。

前面我们已经详细介绍了SPCE061A的结构、功能等，下面详细解读硬件控制电路的结构与组成。

（1）显示模块

为了实时显示脉冲的频率，系统利用三个八段共阴数码管，字型输出由IOB0—IOB7 端口负责^[7]，IOA8—IOA10主要用于数码的点亮，如图3所示。

（2）键盘输入模块

焊接制作1*5小键盘一个，供用户进行频率、占空比的输入调节。键1用于控制占空比;键2、3、4用于脉冲频率的控制^[8]。通过设置SPCE061A的定时器/计数器TimerA的B6—B9位，控制占空比在十四种情况下可调。

（3）触发器模块

通过硬件控制电路实现了脉冲信号的占空比、频率可调，矩形波信号再通过触发器、放大电路整形，最终得到符合要求的低频脉冲信号。

74LS74D触发器将单片机输出的矩形波信号频率降低一半，占空比固定为50%的方波信号，再通过单稳态触发器输出输出频率不变占空比可调的脉冲信号，如图4所示。

下面简单介绍一下由555定时器构成的单稳态触发器的工作原理：

接通电源一瞬间，电源通过电阻R向电容C充电，当vc上升到2/3 Vcc时，触发器复位，v0为低电平，放电BJT T导电，电容C放电，电路进入稳定状态。

若触发输入端施加触发信号（vi<1/3 Vcc），触发器发生翻转，电路进入暂稳态，v0输出高电平，且BJT T截止。此后电容C充电至vc=2/3 Vcc时，电路又发生翻转，v0为低电平，T导通，电容C放电，电路恢复至稳定状态^[9]。

如果忽略T的饱和压降，则vc从零电平上升到2/3 Vcc的时间，即为输出电压v0的脉宽tw。

tw=RCln3≈1.1RC

此电路产生的脉宽可从几个微秒到数分钟，精度可达0.1%，通过调节电阻R的值来改变tw，从而又重新做到脉冲宽度可调。

（4）放大电路模块

前面各级电路所输出波形峰值始终在1.8 V左右，通过放大电路，其电路图如图5所示，其峰值最大可提高到27 V左右，通过调节电位器R2以做到幅值可调^[10]。

由图可知，当R2为10K时，放大倍数可达15倍，电压最高可放大到27V左右，通过调节R2 即可做到幅值可调这一特点。

通过各级电路输出波形如下图6所示。

3 系统软件设计

系统以16位凌阳单片机（SPCE061A）为控制中心，使用排线将输入/输出口与自行设计制作的外部控制硬件电路相连，实现键盘输入和数码显示，最终输出占空比可调、频率可调、幅值可调的矩形脉冲波。

系统软件设计的整体流程如图7所示。

凌阳单片机提供了两个16位的定时/计数器：TimerA 和TimerB 。

TimerA的时钟源是由两个时钟源ClkA和ClkB经过一个逻辑与门相与而成。如图8所示为SPCE061A定时/计数器TimerA的基本结构^[11]。

当发生溢出时，定时器发出TAOUT/TBOUT，即溢出信号。CPU中断系统会将溢出信号作为定时器中断信号来处理。同时，溢出信号还可以用于输出4位可调的脉宽调制占空比信号，即是4 位计数器计数的时钟源信号。

本系统利用了TimerA定时/计数器的第二个功能，通过设置P_TimerA_Ctrl的B6—B9位来达到占空比可调的目的。

脉冲的频率主要通过设置P_TimerA_Data來控制。频率是通过计数初值来控制调节的，因此计数初值的计算十分重要。其计算方法如下：

P_TimerA_Data=0xFFFF-f0/f

其中f0是系统时钟，f是计数溢出频率，P_ TimerA_Data就是计数初值。此系统中计数初值为 P_TimerA_Data=0xFFFF-f0/（（f1+f2*10+f3*100）*16），其中f1、f2、f3分别为计数溢出频率的百位、十位、个位^[12]。因为系统中会将输出波形的频率自动16分频，因此在计算计数初值时，已经将溢出频率进行了16倍频。

4 系统联调结果

本系统以16位凌阳单片机SPACE061A为核心，将输入/输出端口与外部硬件控制电路相连。硬件电路主要包括显示电路、小键盘、74LS74D触发器、由555定时器构成的单稳态触发器和放大电路模块;软件方面采用模块化设计方法，主要包括数码管显示程序、键盘扫描程序，程序设计过程充分利用了凌阳单片机地强大地多功能输入/输出口、及各引脚的特殊功能等，很好地完成了与硬件电路的配合，联调结果良好。

本系统的主要功能如下：

（1）整体布局合理，结构简单，由电源开关控制整个系统的运行。

（2）接通电源后，在无任何按键按下时，即脉冲频率为零，系统不输出任何波形，数码管显示为000。

（3）Key2键、Key3键、Key4键分别控制频率的百位、十位、个位，每按一下，其相應频率位就加一，当超过9时就重新变为0。

（4）每按下Key1键一次，输出脉冲占空比就

改变一次，当按键超过十四次时，重新回到初始方波状态，即占空比为50%。

（5）通过IOB8口输出峰峰值为3.6 V左右的矩形波，再通过74LS74D触发器、由555定时器构成的单稳态触发器和放大电路，最终输出频率在0-999 Hz之间可调、幅值在1.8 V-27 V之间可调、占空比可调的脉冲。

参考文献