波形脉冲发生器.doc

B题：波形脉冲发生器

摘 要

该系统以单片机PIC18F452-I/P为主控制器，在应用现场可编程门阵列（CPLD）的基础上设计矩形脉冲信号发生器。由单片机PIC18F452-I/P控制CPLD产生矩形脉冲信号，并与D/A转换的输出经加法器后产生周期和幅度可调的信号，而CPLD产生的矩形脉冲信号经过整形后得到了TTL负载电路。而键盘显示部分通过LPC2132与主控制器通信。
系统采用可编程逻辑器件EMP7256AETC100-10产生的矩形脉冲信号实现了时间量纲的最小值0.1µs的要求，并能产生15位的伪随机序列脉冲。而单片机PIC18F452-I/P处理速度快、I/O接口多、存储空间大、通信方式灵活，为进一步开发提供方便。荧光屏显示具有高亮度、菜单可见等优点。
总之，该系统较好完成了题目要求的基本功能和发挥部分的要求，调试表明工作性能稳定，且电路结构简单。

关键词：矩形脉冲信号 单片机 CPLD

ABSTRACT
In this system use programmable logic controller to produce rectangle pulse signal, and use a Single-Chip Microcomputer(PIC18F452-I/P) as main controller. The main controller produce rectangle pulse signal by CPLD, then control D/A
This system by Single-Chip Microcomputer integrated circuit PIC18F452-I/P primarily controller, in application scene programmable gate array (CPLD) designs the square wave generator. Controls CPLD by Single-Chip Microcomputer integrated circuit PIC18F452-I/P to produce the rectangular pulse signal, and the output which transforms with D/A, then use accumulator produces the signal which the cycle and the scope may move, after the reshaping, CPLD produces the rectangular pulse signal obtained the TTL load circuit. The keyboard demonstration partially through LPC2132 correspondence with master controller.
In brief, this system better has completed the topic request basic function and the display partial requests, the debugging indicated operating performance stable, also the electric circuit structure is simple.
Keywords：rectangle pulse signal；Single-Chip Microcomputer； CPLD

目录

1.摘要 -----------------------------------------------------------------2
2.任务与要求---------------------------------------------------3
3.方案的比较与确定-------------------------------------4
4.总体设计思路----------------------------------------------4
5.各个子系统的组成及功能-----------------------5
6.软件 ----------------------------------------------------------------12
7.测试数据--------------------------------------------------------13
8.检测设备------------------------13
9.误差分析--------------------------------------------------------14
10.总结---------------------------------------------------------------14
11.参考文献------------------------------------------------------15

1．任务与要求
1.1 任务
设计并制作一个矩形脉冲信号发生器

1.2 基本要求
（1）输出波形如图所示。脉冲上升边tr、脉冲下降边tf均应小于脉冲宽度tp的10%。

（2）脉冲宽度tp及重复周期T的数值可用键盘输入，并有相应的数字显示。时间量纲分0.1μs、1μs、1ms三档。有效数字为4位。显示值与实测值之间的误差 ≯±5%。
（3）输出正极性矩形脉冲，可以外同步工作。幅度可连续调节，最大幅度Vmmax≮6V。另有专用于TTL或CMOS负载的输出端口，输出阻抗约为75Ω。
（4）电源可用实验室设备，不必自行制作。

1.3 发挥部分
（1）输出幅度Vm可用键盘输入，并有相应数字显示。可从0.1V变化到5.5V，以0.1V步进。显示值与实测值之间的误差≯±5%。
（2）可将输出改为伪随机序列脉冲，长度为15bit（其它指标同基本部分）。
（3）自拟其它功能，要求实用。

1.4评分标准
基本部分：60分
设计报告：20分
发挥部分：50分

2. 方案的比较与确定
方案一：可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。它们的功能较少，精度不高，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。
方案二：可利用51单片机控制实现，但由于他的机器周期约束，最多只能产生一个1μs或1ms级的电压可调的方波信号。而不能使他产生一个0.1μs级的方波脉冲。
方案三：采用PIC作为控制系统，利用CPLD输出一个可调频的脉冲， D/A输出可调的电压，通过调节电路调整来实现课题要求；且PIC18F452-I/P单片机功能强大，精度又高，调节方式也够灵活，CPLD具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽、编程灵活等特点。
比较确定分析三者的优缺点和性能，本系统决定采用方案三
3. 设计总体思路
要设计一个方波脉冲信号发生器，可利用51单片机实现，但由于机器周期约束，不能使他产生一个0.1μs级的脉冲，因此我们要采用一个跟先进的单片机来输出一个0.1μs级的方波脉冲。因为要实现电压波形的可调，我们可通过叠加一个可控的直流电压来实现。
4．系统组成

3

5．各个子系统的组成与功能
5.1 输出方案的选择
方案一：用51单片机产生一个可调脉冲的方波，可以做到脉冲电压的可调，由于51单片机用的是12MHZ的晶振，输出的一个周期要1us才能完成，不能达到题目的要求。
方案二：使用PIC18F452-I/P作为控制器，利用CPLD来产生方波脉冲信号，通过74LS132芯片抬高电平用于TTL的输出。同时CPLD还能产生一个外同步信号，（即输出频率不变的，但输出电压可调方波脉冲信号）TLC5620CN DA转换和CPLD产生的外同步信号进行叠加输出0-5.5V的
方案比较：
方案二:不仅能满足本系统所需的要求，且在各性能上都优于方案一，所以选择方案二来实现。
CPLD是Complex Programmable Logic Device（复杂可编程逻辑器件）的缩写，代表的是一种可编程逻辑器件，它可以在制造完成后由用户根据自己的需要定义其逻辑功能。CPLD 的特点是有一个规则的构件结构，该结构由宽输入逻辑单元组成，这种逻辑单元也叫宏单元，并且 CPLD 使用的是一个集中式逻辑互连方案。它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点，可实现较大规模的电路设计，因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分，它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
5.2 CPLD转换模块电路（如图5.2.1）

计数器
周期比较器

输入
选择器

脉冲比较器
TTL

累加

通信接口
周期寄存器

脉冲寄存器

图5.2.1

5.3 控制电路的选择
方案一：采用现在比较通用的51系列单片机。51系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟。此种方法的优点是，系统设计简单。利用单片机的计算能力可以灵活的实现题目中关于波形的输出。缺点AT89C51是一个12MHZ晶振。它工作一个机器周期为1us，只能满足题目中1us,1ms的要求。
方案二：EDA技术是在电子CAD技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品的自动设计。
PIC单片机是一种用来开发的去控制外围设备的集成电路一种具有分散作用（多任务）功能的 CPU 。 PIC 单片机有计算功能和记忆内存像 CPU 并由软件控制允行。 然而， 处理能力 — 存储器容量却很有限，这取决于 PIC 的类型。但是它们的最高操作频率大约都在 20MHz 左右，用 PIC 单片机使电路做的很小巧变得可能。工作起来效率很高、功能也自由定义还可以灵活的适应不同的控制要求，而不必去更换不同的 IC 。这样电路才有可能做的很小巧。
PIC18F452-I/P具有抗干扰能力强、程序保密性好、系统的精度和稳定性高的特点。能够很好的满足设计的需求。
比较方案：第一种方案设计简单，但因不能满足设计精度的要求，所以采用第二方案（如图5.3.1）

图5.3.1

5.4 D/A转换
方案一：DAC0832一个 8位D/A转换器。在实验中最为之常用，但他是一个电流型输出的D/A，而我们要得到的是电压型的，虽然输出的电流可以经转换后得到相应的电压，但电路结构变的比较复杂
方案二：采用TLC5620CN DA转换。TLC5620CN DA转换是带有缓冲基准输入端高阻抗的四路8位电压输出型数-模转换器。且器件使用简单，用5V电源工作，器件包含上电复位功能以确保重复启动。
TLC5620CN是一块8位的D/A，由于输出是0.5-5.5V的电压，
要求分辨率为S1：
TLC5620CN是一块8位的D/A
所能达到的分辨率为S0： =0.0039
所以八位的D/A即能满足工作的要求。
比较方案，我们采用TLC5620CN DA芯片作为转换器。
5.5 加法器
加法器:由反向器，跟随器，放大器组成。

CPLD输出的是一个频率可调的方波信号，经反相器后输出。 PIC控制D/A输出一个可调的直流电压，前两个波形进行叠加后输出给放大器，输出6V以下的方波脉冲波形.（如图5.5.1）但由于此运放很难在短时间内购买到，所以输出阻抗75Ω的指标不能够实现。

图5.5.1

（如图5.6.1）
5.6 键盘电路
键盘电路结构简单，但实现波形频率的选择，设置，电压的调节。
还能输出一伪随机序列脉冲。

图5.6.1
5.7 显示电路
方案一：用LED显示。LED显示具有控制简单，使用寿命长，响应速度快，亮度高。但要显示的内容受到限制，字母不能很好的输出 。
方案二：点阵液晶显示模块，它是由LCD驱动器、LCD控制器、少量电阻以及LCD屏组成，具有质量轻、体积小、功耗低、显示内容丰富、指令功能强、接口简单方便、有8*8bit的PAM、可靠性高等优点。：
两种方案比较得，选择方案二最好。如图（5.7.1）

图5.7.1

5.8 通讯接口
Max232产品是由德州仪器公司（TI）推出的一款兼容RS232标准的芯片。该器件包含2驱动器、2接收器和一个电压发生器电路提供TIA/EIA-232-F电平。该器件符合TIA/EIA-232-F标准，每一个接收器将TIA/EIA-232-F电平转换成5-V TTL/CMOS电平。每一个发送器j将TL/CMOS电平转换成TIA/EIA-232-F电平。（如图5.8.1）

图5.8.1
5.9 TTL输出端口
CPLD输出的波形为3.3V的方波信号，经过斯密特触发电路后，输出5V的方波信号。专用于TTL负载的输出端口。（如图5.9.1）

·
·
图5.9.1 斯密特触发电路
·
·

5.10 伪随机脉冲序列发生器原理

图6.1.1.

此为发挥部分由（图6.1.1）可见，下方的与门是为避免移存器处于全0状态而设置的反馈支路，而上方的异或门则提供线性反馈，故总反馈为

设电路的起始状态=1000，则可算得=1,便可列出图状态转换表中的第1行。以后，每输入1个时钟脉冲，便使原状态右移一位，并产生新的反馈输入d1。由（表一）可见，电路经15次时钟位移，状态便重复，故输出序列v0(t)为000111101011001，相应的波形见图（6.1.2）。图示序列的长度,这是该电路的最长（m）序列了。
实际上，电路中的均为M序列，其图案及长度都一样，
仅是其始相位不同，故都可当做输出波形。

cp

0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
0
0
2
1
1
1
1
0
3
0
1
1
1
1
4
1
0
1
1
1
5
0
1
0
1
1
6
1
0
1
0
1
7
1
1
0
1
0
8
0
1
1
0
1
9
0
0
1
1
0
10
1
0
0
1
1
11
0
1
0
0
1
12
0
0
1
0
0
13
0
0
0
1
0
14
1
0
0
0
1
15
1
1
0
0
0

表一

V0 0 0 0 1 1 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 vl

图6.1.2

由于M序列是（图6.1.2）电路的唯一工作序列，且已排除了全0序列存在的可能性，故电路具有自启动能力。
研究M序列后可知，M序列中元0和1的个数仅差1。n=4,码元1有8个，码元0有7个。若采用双极性码传输，令码元1的幅植为+1，码元0的幅值为-1，那么M序列的平均幅植为 ，n愈大，该植愈接近0，白噪声的平均统计值0很类似。正因为M序列在统计特性上十分接近于随即噪声。所以M序列也称为伪随即序列，使它在抗干扰通信及数据保密等领域获得了广泛的重视。

6．软件流程

开始

显示初值
输出波形
判有无键按下
判断设置键
判断加减键
判有无键按下
判断加减键
判断设置键
显示值位置加1
显示值位置减1
翻屏显示

LOOP(1) N

LOOP(3) LOOP(2) Y

Y Y Y

N N

LOOP(1)

LOOP(1)

LOOP（2）

7．检测设备
仪器名称
数量
仪器名称
数量
示波器
1个
直流闻压电源
一台
电脑
1台

8.数据测试
8.1脉宽与周期变化参数的测量
8．1．1 当步进为1. 0μs（如表一）

按键
时间
1
2
3
4
5
t
0.02μs
0.02μs
0.02μs
0.03μs
0.03μs
t
0.02μs
0.02μs
0.03μs
0.03μs
0.03μs
表一

8．1．3 当步进为1.0ms（如表二）

按键

时间
1
2
3
4
5
t
36μs
36μs
36μs
36μs
37μs
t
36μs
36μs
36μs
36μs
37μs
表二

8.2电压的测量（如表五）

按键数
电压
1
2
3
4
5
1.0V
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
3.0V
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
5.0V
5.1
5.2
5.3
5.4
5.5
表五
9．误差分析
1、频率误差引起的主要原因如下：
（1）三个时间量纲，在0.1μs情况下，很有可能是运放最后一级产生了漂移等原因。
（2）CPLD产生的矩形脉冲信号与D/A产生矩形脉冲信号进行叠加时产生了误差信号。
（3）由于电路板上元器件相互之间的干扰产生了其他信号。
（4）由于示波器本身的误差
（5）由于读数的误差。
2、输出阻抗误差
（1）输出阻抗的测量方法是近似的，与理论上有一定差距。
（2）运放的输出电流的精度是有限制的，限制了输出阻抗的的下调。
（3）测量时外部电路存在的干扰信号。
10． 总结
本系统以PIC18F452-I/P为核心部件，通过CPLD实现了方波的输出功能，且波形的频率和幅度达到了设计要求。在系统的设计过程中，我们力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便的特点，并最大限度挖掘器件内的资源，来满足系统设计的要求。因比赛时间有限，该系统还有许多值得改进的地方。例如可采用高精度器件达到远超系统要求的效果。
采用DDS技术的基本原理。DDS技术是基于 Nyquist 采样定理，将模拟信号进行采集，经量化后存入存储器中（查找表），通过EPROM进行寻址查表输出波形的数据，再经D/A 转换滤波即可恢复原波形。根据 Nyquist 采样定理知，要使信号能够恢复，必须满足采样频率大于被采样信号最高频率的2倍。DDS技术用来产生频率分辨率高、灵敏度高、稳定性好的矩形波，而且价格适中。DDS系统有10到14位的频率分辨率，可以在几微妙内实现频率的转换。所以采用了DDS技术会使本系统功能更完善
本设计方案满足实验的要求，输出电流为500mA—1。5A之间误差非常小，恒流效果很好，但上限和下限相对误差较大，

11. 参考文献
1.数字电路 龚之春编著 电子科技大学出版社 1999.8
2.综合电子设计与实践 黄正瑾等编 东南大学出版社 2002.3
3.单片机原理与运用 赵德安等编 机械工业出版社 2005.1
4.集成电子线路设计手册 宋家友等编著 福建科学技术出版社 2002.5
5.实用电路手册 杨宝清 宋文贵等编著 机械工业出版社 2003.6
6.伪随机序列及PLD实现在程序和系统加密中的应用 张登福等编著 2000.6
7.VHDL使用教程 潘松等编著 电子科技大学出版社 2000.2
8.EDA技术及其应用 汉泽西等编著 北京航空航天大学出版社2000.5

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