單片機控制低頻脈沖信號發生器的設計

摘? 要： 本文詳細介紹了單片機控制低頻脈沖信號發生器的設計，系統微控制器以16位凌陽單片機（SPACE061A）為核心，且要求脈沖頻率在1 Hz～999 Hz之間可調、幅值在3.6～27 V之間可調。本系統開發經過了反復的硬、軟件聯調與測試，實踐效果較好。

關鍵詞： 單片機;多功能輸入/輸出;低頻脈沖;信號發生器

中圖分類號： TP368.1 ???文獻標識碼： A??? DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2020.07.004

本文著錄格式：田莉霞. 單片機控制低頻脈沖信號發生器的設計[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

信號發生器應用廣泛，是最早使用的電信號設備之一，目前主要在教學、科學試驗、測控、電子電路等領域廣泛應用，它能為電子測量和計量工作提供符合嚴格技術要求的電信號。信號發生器同電子設備同時誕生于二十年代，并在通信和雷達技術的推動下，不斷更新。四十年代，標準信號發生器及脈沖信號發生器誕生，實現了定性分析到定量分析的改變，拓寬了信號發生器使用范圍，同時可用于脈沖電路調制^[1]。六十年代，全晶體管信號發生器的出現，大大簡化了信號發生器的結構，強化其功能，促使信號發生器迅猛發展，函數發生器、掃頻信號發生器、合成信號發生器、程控信號發生器等新種類在這一時期陸續出現。

信號發生器可以輸出正（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節。

本系統設計伊始，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，即實現脈沖頻率在規定范圍內可調。

（2）用戶可以手動控制脈寬，即占空比的大小可以調節。

（3）借助放大電路，實現系統輸出脈沖電壓幅值可以調節，范圍控制在3.6 V-27 V之間。

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

1? 系統設計方案

低頻脈沖信號發生器采用凌陽單片機SPACE061A進行核心控制，自行設計的外部電路進行輸入、顯示、信號整形的控制，二者通過排線相連。利用單片機的輸入/輸出口控制系統外部電路的鍵盤輸入及數碼顯示，再通過代碼編寫控制單片機產生初始矩形波信號。矩形波信號通過外部電路的74LS74D觸發器、單穩態觸發器和放大電路，設計實現低頻脈沖信號發生器，其頻率在1-999 HZ之間、手動占空比可調、幅值3.6 V-27 V之間。

2? 系統相關硬件說明

系統硬件系統主要由單片機（SPACE061A）、顯示模塊、鍵盤輸入模塊、74LS74D觸發器和單穩態觸發器模塊組成。下面對系統的相關硬件作詳細說明。

2.1 ?凌陽單片機SPACE061A

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

由圖1可以看出，單片機SPCE061A主要包括16位微控制器、雙16位定時器/計數器、鎖相環振蕩器、數/模轉換、模/數轉換、低電壓監測/低電壓復位、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（SPACE061A）的32 個輸入/輸出口全部引出，分別是IOA0～IOA15，IOB0～IOB15^[4]，對應引腳為：A 口，41～48、53、54～60;B 口，5～1、81～76、68～64。I/O 口編程可控，輸入可以設置為懸浮輸入或非懸浮輸入，輸出可以設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]。

系統在設計時就采用了IOB8口的特殊功能，輸出矩形波信號。

（2）在線調試器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機的連接，實現調試、仿真及程序的下載。

2.2 ?低頻脈沖信號發生器的硬件控制電路板

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

前面我們已經詳細介紹了SPCE061A的結構、功能等，下面詳細解讀硬件控制電路的結構與組成。

（1）顯示模塊

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

（2）鍵盤輸入模塊

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

（3）觸發器模塊

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

74LS74D觸發器將單片機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，再通過單穩態觸發器輸出輸出頻率不變占空比可調的脈沖信號，如圖4所示。

下面簡單介紹一下由555定時器構成的單穩態觸發器的工作原理：

接通電源一瞬間，電源通過電阻R向電容C充電，當vc上升到2/3 Vcc時，觸發器復位，v0為低電平，放電BJT T導電，電容C放電，電路進入穩定狀態。

若觸發輸入端施加觸發信號（vi<1/3 Vcc），觸發器發生翻轉，電路進入暫穩態，v0輸出高電平，且BJT T截止。此后電容C充電至vc=2/3 Vcc時，電路又發生翻轉，v0為低電平，T導通，電容C放電，電路恢復至穩定狀態^[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

此電路產生的脈寬可從幾個微秒到數分鐘，精度可達0.1%，通過調節電阻R的值來改變tw，從而又重新做到脈沖寬度可調。

（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，通過調節電位器R2以做到幅值可調^[10]。

由圖可知，當R2為10K時，放大倍數可達15倍，電壓最高可放大到27V左右，通過調節R2 即可做到幅值可調這一特點。

通過各級電路輸出波形如下圖6所示。

3 ?系統軟件設計

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

系統軟件設計的整體流程如圖7所示。

凌陽單片機提供了兩個16位的定時/計數器：TimerA 和TimerB 。

TimerA的時鐘源是由兩個時鐘源ClkA和ClkB經過一個邏輯與門相與而成。如圖8所示為SPCE061A定時/計數器TimerA的基本結構^[11]。

當發生溢出時，定時器發出TAOUT/TBOUT，即溢出信號。CPU中斷系統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位可調的脈寬調制占空比信號，即是4 位計數器計數的時鐘源信號。

本系統利用了TimerA定時/計數器的第二個功能，通過設置P_TimerA_Ctrl的B6—B9位來達到占空比可調的目的。

脈沖的頻率主要通過設置P_TimerA_Data來控制。頻率是通過計數初值來控制調節的，因此計數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是系統時鐘，f是計數溢出頻率，P_ TimerA_Data就是計數初值。此系統中計數初值為 P_TimerA_Data=0xFFFF-f0/（（f1+f2*10+f3*100）*16），其中f1、f2、f3分別為計數溢出頻率的百位、十位、個位^[12]。因為系統中會將輸出波形的頻率自動16分頻，因此在計算計數初值時，已經將溢出頻率進行了16倍頻。

4? 系統聯調結果

本系統以16位凌陽單片機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觸發器、由555定時器構成的單穩態觸發器和放大電路模塊;軟件方面采用模塊化設計方法，主要包括數碼管顯示程序、鍵盤掃描程序，程序設計過程充分利用了凌陽單片機地強大地多功能輸入/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，聯調結果良好。

本系統的主要功能如下：

（1）整體布局合理，結構簡單，由電源開關控制整個系統的運行。

（2）接通電源后，在無任何按鍵按下時，即脈沖頻率為零，系統不輸出任何波形，數碼管顯示為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，其相應頻率位就加一，當超過9時就重新變為0。

（4）每按下Key1鍵一次，輸出脈沖占空比就

改變一次，當按鍵超過十四次時，重新回到初始方波狀態，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觸發器、由555定時器構成的單穩態觸發器和放大電路，最終輸出頻率在0-999 Hz之間可調、幅值在1.8 V-27 V之間可調、占空比可調的脈沖。

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