基于DSP28355的簡易信號源硬件設(shè)計(jì)

3-1-1課題背景與意義信號發(fā)生器又叫做函數(shù)發(fā)生器或振蕩器，如今生產(chǎn)領(lǐng)域和科技領(lǐng)域到處都有它的身影。目前市場上信號發(fā)生器種類繁多，早期由晶體管和運(yùn)放IC元件構(gòu)成、中期用單片集成芯片構(gòu)成、再到目前廣泛采用的直接數(shù)字合成DDS芯片合成。型號和種類覆蓋了當(dāng)前能夠用到的所有頻段范圍。伴隨著DSP的問世以及相應(yīng)技術(shù)的不斷成熟，以DSP芯片為核心的信號源研究吸引著更多的科研人員投入其中。作為一個(gè)非測量儀器，信號源就是根據(jù)使用人員的要求提供各種輸出信號。在實(shí)際使用中，通常選擇幾種經(jīng)典信號，比如正弦信號等作為標(biāo)準(zhǔn)信號，用于系統(tǒng)特性測試或參數(shù)測量。作為控制系統(tǒng)的重要組成部分，信號源是自動(dòng)化領(lǐng)域中不可缺少的測量設(shè)備，譬如人工智能、傳感器仿真、生物醫(yī)學(xué)、設(shè)計(jì)與測試等領(lǐng)域。信號源技術(shù)的發(fā)展經(jīng)理以下幾個(gè)階段，見表1所示：表1信號源技術(shù)發(fā)展歷程時(shí)間所用技術(shù)所用器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)20世紀(jì)40年代模擬電子管定量分析、脈沖測量結(jié)構(gòu)復(fù)雜、功率大、電路簡單20世紀(jì)60年代模擬分立元件和模擬集成電路能產(chǎn)生基本波形穩(wěn)定性差、尺寸大、價(jià)格貴、功耗大20世紀(jì)70年代后模擬+數(shù)字MCU+D/A功能擴(kuò)大、能產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形輸出信號頻率低當(dāng)前DDS集成芯片低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時(shí)間輸出的最高頻率有限、數(shù)字化雜散大信號發(fā)生器在設(shè)計(jì)上按其產(chǎn)生頻率的方法可分為諧振法和數(shù)字合成法。隨著使用者對于信號源的穩(wěn)定度、頻率準(zhǔn)確度、信號頻率高寬度的要求愈來愈高，其中用來精密測量的信號源，其準(zhǔn)確度要求達(dá)到10-7—10-6。傳統(tǒng)的信號發(fā)生器已經(jīng)不能滿足消費(fèi)者的測量要求，而數(shù)字信號發(fā)生器則具有可達(dá)到10-9的準(zhǔn)確度，具有輸出頻率范圍寬、輸出波形多樣、頻率間隔小的優(yōu)點(diǎn)。目前,國內(nèi)外一些生產(chǎn)廠家己經(jīng)生產(chǎn)出功能豐富、頻帶寬、合成波形多、位數(shù)高的數(shù)字信號發(fā)生器。下表2列出了，國內(nèi)外制造商生產(chǎn)的信號發(fā)生器，從表2中可以看出，國外的公司已經(jīng)將信號源的頻率做得相對較高了，雖然近年來國內(nèi)在信號源生產(chǎn)方面也取得了不小的進(jìn)步，但是和國外相比還是存在不小差距。表2國內(nèi)外最新信號源介紹名稱國家公司名稱優(yōu)點(diǎn)IRF2032美國IFR頻率范圍10KHZ—5.4GHZ；頻率、相位、幅度和脈沖調(diào)制等任意組合。STM-03德國R.S頻率范圍5KHZ--3GHZ。DSM-620V中國香港創(chuàng)意公司采樣頻率110MHZ。KH1460中國北京科奇公司頻率范圍5KHZ—50KHZ，最小分辨率可達(dá)0.1HZ。EE1411C中國南京新聯(lián)電子設(shè)備有限公司輸出頻率范圍0.01HZ—10MHZ。本課題的研究目的是設(shè)計(jì)出一個(gè)基于DSP的數(shù)字量信號發(fā)生器硬件系統(tǒng)，調(diào)試成功后使其能結(jié)合軟件產(chǎn)生的信號精度高、波形穩(wěn)定、失真小。系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互，切換通道、任意設(shè)置輸出波形、設(shè)置頻率和占空比的步進(jìn)。2簡易信號源硬件設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)本課題研究的是基于DSP的簡易信號源硬件設(shè)計(jì)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)D/A模塊、按鍵模塊、TFT液晶模塊、放大模塊、加法器模塊等電路，實(shí)現(xiàn)以下硬件指標(biāo):（1）電路支持A、B、A+B三通道信號輸出（2）輸出波形種類：正弦波、方波、三角波、白噪聲（3）支持輸出幅度范圍：0--3.3V（4）頻率范圍：10--30KHZ.2.2總體方案根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及對數(shù)字信號發(fā)生器理論的掌握，我們可知道信號發(fā)生器的工作原理。首先，將當(dāng)前按鍵值正確的反應(yīng)到液晶上，同時(shí)DSP采用一定的采樣頻率，根據(jù)查表法的工作原理建立對應(yīng)的數(shù)據(jù)表，再將此數(shù)據(jù)表按照采樣頻率送給D/A轉(zhuǎn)換；D/A轉(zhuǎn)換后輸出波形信號。圖1系統(tǒng)方案總圖硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由電源、鍵盤、DSP最小系統(tǒng)、TFT液晶、D/A、電壓跟隨、加法器、輸出接口構(gòu)成。首先，DSP28335生成鍵入鍵值對應(yīng)的波形數(shù)據(jù)表，將數(shù)據(jù)送給串行D/A轉(zhuǎn)換器TLV5638轉(zhuǎn)換，生成2路信號A、B；然后兩路信號經(jīng)過緩沖器LM358，再由加法器OPA335相加生成A+B信號，最后經(jīng)過調(diào)幅電路輸出三路信號。2.3模塊方案和電路設(shè)計(jì)信號發(fā)生器是基于DSP實(shí)現(xiàn)的,硬件部分由DSP控制TFT液晶實(shí)現(xiàn)簡單的人機(jī)交互，同時(shí)用DSP控制D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)各種波形的發(fā)生。下面分別闡述系統(tǒng)的芯片選型和硬件電路設(shè)計(jì)。2.3.1DSP最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)主處理器通常分為3類分別是：嵌入式微處理器MPU、嵌入式微控制器MCU和嵌入式數(shù)字信號處理器DSP。單片機(jī)將計(jì)算機(jī)的基本部件微型化并集成到一塊芯片上，片內(nèi)含有CPU、ROM、RAM、I/O口、定時(shí)器計(jì)數(shù)器等，它具有體積小、耗電低、功能強(qiáng)、性價(jià)比高、易于推廣應(yīng)用等顯著優(yōu)點(diǎn)，但是傳統(tǒng)的單片機(jī)在作為微控制器方面比較好，能用來處理運(yùn)算量小的問題，其速度決定了它不適合用來處理計(jì)算量大的任務(wù)。而DSP則具有精度高，成本低，功耗小，性能高，外設(shè)集成度高，數(shù)據(jù)以及程序存儲量大，A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等眾多優(yōu)點(diǎn)。因此在本系統(tǒng)中，決定選用TI公司的一款TMS320C28X系列浮點(diǎn)DSP控制器TMS320F28335型數(shù)字信號處理器作為波形發(fā)生和系統(tǒng)控制處理芯片。28335具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，6個(gè)DMA通道支持ADC、McBSP和EMIF，有多達(dá)18路的PWM輸出，其中有6路為TI特有的更高精度的PWM輸出(HRPWM)，12位16通道ADC。與前代DSP相比，平均性能提高50%，并與定點(diǎn)C28x控制器軟件兼容，從而簡化軟件開發(fā)，縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本。DSP最小系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制處理核心，為了提高成功率和節(jié)省時(shí)間，我采用了現(xiàn)成的最小系統(tǒng)板，通過預(yù)留接口，能夠簡單有效的整合系統(tǒng)，方便調(diào)試。對于寫程序的同學(xué)，能夠省去不少因?yàn)楣苣_配置帶來的麻煩。在這里給出最小系統(tǒng)電路如下圖2所示。圖2核心板電路原理圖2.3.2D/A方案選擇和電路設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換器，簡稱DAC，它是把數(shù)字量轉(zhuǎn)變成模擬量的器件。DAC主要由數(shù)字寄存器、模擬電子開關(guān)、位權(quán)網(wǎng)絡(luò)、求和運(yùn)算放大器和基準(zhǔn)電壓源（或恒流源）組成。主要特性指標(biāo)包括：分辨率、線性度、轉(zhuǎn)換精度、轉(zhuǎn)換速度。在本系統(tǒng)中，主要關(guān)心兩個(gè)問題，首先就是D/A的分辨率，其次就是采用串行還是并行的D/A。其中分辨率主要取決于芯片的位數(shù)，如N位D/A轉(zhuǎn)換器，其分辨率為1/(2^N-1)，位數(shù)越高，分辨率就越高，轉(zhuǎn)換就更精確。這里有兩種方案，用表格的形式做了一個(gè)簡單的比較，如下表3所示:表3串并方式比較方案方式芯片通道轉(zhuǎn)換速率位數(shù)輸出封裝1并行THS56511100MSPS10電流SSOP-282串行TLV5638210MSPS12電壓SOIC-8方案1:采用并行方式。DSP一次性將N位數(shù)字量傳輸給芯片THS5651，轉(zhuǎn)換更快。特別適合用于數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)挠芯€和無線通信系統(tǒng)。模擬電源4.5V－5.5V，數(shù)字電源范圍為3V至5.5V。其外部引腳如圖3所示：圖3THS5651管腳圖本系統(tǒng)由于輸出最高信號頻率才30KHZ，所以THS5651在采樣速率上完全滿足，以THS5651為核心的D/A轉(zhuǎn)換電路，如下圖4所示。圖4THS5651轉(zhuǎn)換電路但由于THS5651是一個(gè)單通道的D/A，根據(jù)課題要求：要輸出三路信號，即便是采用加法器也要需要兩片THS5651，這樣第一個(gè)就增加了DSP的管腳消耗，導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜，同時(shí)也增加了成本，極不劃算。方案2:采用串行方式。首先就是接線簡單，只需三根線，（一根數(shù)據(jù)線、一根時(shí)鐘線、一根片選線），大大簡化了電路結(jié)構(gòu)。只是DSP是依次將N位數(shù)據(jù)送給D/A芯片，速度比并行方式相對要低。最終考慮到本系統(tǒng)使用的是DSP，結(jié)合速率快慢、電路復(fù)雜度和成本，決定選用串行的雙通道D/A芯片TLV5638。它具有兩個(gè)輸出通道，數(shù)據(jù)傳輸接口為3線的串行接口，該接口能夠與常用的微控制器或者微處理器直接相連。每次傳輸數(shù)據(jù)由16位的數(shù)據(jù)組成一幀，其中4位控制命令字，12位輸出數(shù)據(jù)。1．基本特性參數(shù)TLV5638的基本特性參數(shù)如下：（1）12位分辨率；（2）雙輸出通道；（3）可編程內(nèi)部參考源；（4）可變成速度（建立時(shí)間）：快速模式1μs；慢速模式3.5μs；（5）兼容SPI串行接口；（6）差分非線性度<0.5LSB；2．引腳配置TLV5638的引腳配置如圖5所示。圖5TLV5638的引腳配置引腳功能說明如下表4：表4TLV5638引腳說明引腳編號引腳名稱引腳功能1DIN串行數(shù)據(jù)輸入2SCLK串行時(shí)鐘輸入3/CS片選信號，低有效4OUTAA通道模擬電壓輸出5AGND模擬地6REF模擬電壓參考輸入/輸出7OUTBB通道模擬電壓輸出8VDD供電電源（2.7V～5.5V）TLV5638的采樣率10MSPS能夠滿足設(shè)計(jì)要求，而且只需要三根線和DSP管腳相連，大大節(jié)約了管腳消耗，節(jié)約了成本，極大降低了電路的復(fù)雜度。為此在查閱了芯片手冊后，參考其典型電路，設(shè)計(jì)了如下圖6所示的轉(zhuǎn)換電路：圖6TLV5638數(shù)模轉(zhuǎn)換電路3．功能說明TLV5638輸入數(shù)據(jù)字長為16位，由兩部分組成，如表5所示，其中，D15～D12為命令位，D11～D0為12位數(shù)據(jù)。表5TLV5638的16位數(shù)據(jù)字D15D14D13D12D11D10D9D8D7D6D5D4D3D2D1D0R1SPDPWRR012位數(shù)據(jù)其中，SPD為速度模式選擇，當(dāng)SPD為高時(shí)，選擇快速模式，當(dāng)SPD為低時(shí)，選擇慢速模式；PWR為電源模式設(shè)置，當(dāng)PWR為高時(shí)，為掉電模式，當(dāng)PWR為低時(shí)，為正常模式。由于TLV5638內(nèi)部有兩倍增益的電壓輸出緩沖器，故其對外輸出電壓為：VOUT=2Vref其中，N是D/A內(nèi)部寄存器的輸入數(shù)據(jù)，N=0x000~0xFFF，將N值和Vref帶入（1）式，即可得到輸出的范圍。2.3.3電壓跟隨器芯片選型和電路設(shè)計(jì)電壓跟隨，顧名思義，首先，輸出電壓與輸入電壓是相同的；其次還指輸出與輸入相位相同。它的顯著特點(diǎn)就是，輸入阻抗高（可以達(dá)到幾兆歐姆），輸出阻抗低（通常只有幾歐姆）。在電路中，一般做緩沖級(buffer)及隔離級。電壓跟隨器用作中間級，以"隔離"前級和后級之間的影響，此時(shí)稱之為緩沖級?；驹砭褪抢盟妮斎胱杩垢吆洼敵鲎杩沟椭攸c(diǎn)。這里有三種方案，用表格的形式做了一個(gè)簡單的比較，如下表6所示:表6跟隨器芯片比較芯片通道失調(diào)電壓開環(huán)增益增益帶寬輸入輸出幅度方案一NE553410.5mV70dB10MHZ±13V（電源±15方案二OP07125uV50dB0.5MHZ±3V±22V方案三LM35823mV100dB1MHZ0VCC1.5V方案一:用NE5534芯片做跟隨器。在本系統(tǒng)中，因?yàn)橛袃陕沸盘?，所以需要兩個(gè)芯片。這無疑也會導(dǎo)致電路復(fù)雜度變高。而且NE5534單電源供電時(shí)效果不好，零點(diǎn)漂移比較大。因此直接放棄該方案。方案二：OP07是一種低噪聲，可雙電源供電、也可單電源供電的運(yùn)算放大器。具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。同時(shí)開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。但同樣是單電源供電時(shí)，效果不佳。所以最終也放棄該方案。方案三：LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器。其主要特性包括：內(nèi)部頻率補(bǔ)償、直流電壓增益高(約100dB)、單位增益頻帶寬(約1MHz)、電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)；雙電源(±1.5一±15V)；輸出電壓擺幅大(0至VCC-1.5V)。使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。最終，從芯片性能、電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜度、成本控制三方面綜合考慮，決定采用方案三，用LM358來做系統(tǒng)的電壓跟隨器。其具體電路如下圖7所示：圖7電壓跟隨器2.3.4加法器方案選擇和電路設(shè)計(jì)方案一：OP07是一種低噪聲，可雙電源供電、也可單電源供電的運(yùn)算放大器。具有非常低的輸入失調(diào)電壓（對于OP07A最大為25μV），所以O(shè)P07在很多應(yīng)用場合不需要額外的調(diào)零措施。同時(shí)開環(huán)增益高（對于OP07A為300V/mV）的特點(diǎn)，這種低失調(diào)、高開環(huán)增益的特性使得OP07特別適用于高增益的測量設(shè)備和放大傳感器的微弱信號等方面。其引腳圖如下圖8所示：圖8OP07引腳圖OP07芯片引腳功能說明見下表7：表7OP07引腳介紹引腳序號引腳名稱功能說明1VosTRIM偏置平衡(調(diào)零端)2-IN反相輸入端3+IN同相輸入端4V-負(fù)電源/GND5NC空腳6OUT輸出7V+VCC8VosTRIM偏置平衡(調(diào)零端)從上表7可以看出，雖然OP07也可以用采用單電源供電，但查閱數(shù)據(jù)手冊后，發(fā)現(xiàn)它不是軌對軌輸出的集成運(yùn)放，這就導(dǎo)致在輸出幅度達(dá)不到要求。所以最終還是放棄了此方案。方案二:以O(shè)PA335設(shè)計(jì)同相加法器。OPA335是最大漂移為0.05uV/℃的單電源CMOS軌對軌輸出的運(yùn)算放大器。相比OP07具有輸入偏置電流更低和開環(huán)增益更高的特點(diǎn)。最重要的是它是軌對軌精密運(yùn)放，同時(shí)封裝和OP07完全相同，其引腳圖如下圖9所示：圖9OPA335引腳圖綜合以上兩款芯片的特點(diǎn)和性能，在滿足系統(tǒng)低功耗、單電源供電的條件下，為了使設(shè)計(jì)更可靠，決定選用方案二，用OPA335來設(shè)計(jì)加法器電路。其具體電路如下圖10所示。圖10同相加法器電路根據(jù)虛短、虛斷可以得出：下面給出以O(shè)PA335設(shè)計(jì)加法器的放大倍數(shù):同相端電壓：IN=輸出電壓：OUT(A+B)=[(R3+R4)/R3所以通過改變R3和R4的阻值可以調(diào)整放大倍數(shù)。2.3.5按鍵模塊鍵盤是一種重要的人機(jī)交互設(shè)備，作為用戶操作、控制的輸入設(shè)備。在硬件系統(tǒng)中鍵盤電路的設(shè)計(jì)主要有兩種方式:直接占用I/O口和矩陣式鍵盤。見下表8：表8兩種鍵盤連接方式比較方式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)1、直接占用I/O口1、掃描程序簡單2、電路簡單1、如果按鍵需求較多時(shí)會占用較多的I/O口2、矩陣鍵盤1、節(jié)省I/O口1、編程相對復(fù)雜方案一：直接占用I/O口。這種方法每個(gè)按鍵占用一個(gè)I/O口，掃描程序簡單，實(shí)現(xiàn)起來非常方便。電路示意圖如下圖11所示。圖11直接占用I/O口鍵盤電路方案二：矩陣式鍵盤。行列式矩陣鍵盤電路的基本原理是將鍵盤與MCU的連線分為行線和列線兩類,行列線構(gòu)成一個(gè)矩陣,每個(gè)按鍵就連接在行、列線的交點(diǎn)上。由N條行線和M條列線可組成含M*N個(gè)元素的矩陣,即可連接M*N個(gè)按鍵。典型的行列掃描按鍵電路的原理圖如下圖12所示。如果采用直接占用I/O口的接口電路,連接M*N個(gè)按鍵需要占用M*N個(gè)口,而采用矩陣式鍵盤則只需占用M+N個(gè)I/O口。圖12行列式矩陣鍵盤電路示意圖在本設(shè)計(jì)中，由于需要的按鍵相對較多，所以采用方案二，用矩陣式鍵盤。并且矩正鍵盤在電子競賽中做過，有現(xiàn)成的模塊可用。2.3.6電源轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)在現(xiàn)代嵌入式系統(tǒng)中，電源部分的設(shè)計(jì)是整個(gè)硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中非常重要的一個(gè)部分。對電源的要求一般有以下幾點(diǎn)輸出穩(wěn)定、噪聲低、效率高。以上三點(diǎn)是性能上的要求,對于電源,最為基本的要求是能夠輸出足夠大的電流，也就是輸出功率滿足系統(tǒng)消耗的要求。對于本硬件系統(tǒng),就電壓而言，分兩組5V和3.3V。整個(gè)系統(tǒng)芯片采用單電源5V供電，要同時(shí)滿足給DSP核心板、D/A、電壓跟隨器、加法器、TFT液晶、鍵盤提供穩(wěn)定可靠的電源。為了安全和降低電路復(fù)雜度，沒有再去設(shè)計(jì)從交流轉(zhuǎn)直流的轉(zhuǎn)換電路，因?yàn)槟遣皇潜敬卧O(shè)計(jì)的重點(diǎn)，所以就直接引用實(shí)驗(yàn)室直流電源DC--5V給整個(gè)系統(tǒng)供電。但即便如此，電源引入系統(tǒng)前也要做好濾波處理，用106和103大小的電容濾波。其中106電容是為有兩個(gè)作用：1、儲能。為系統(tǒng)的穩(wěn)定工作儲存電能；2、濾波。濾除電源中的低頻噪聲。103電容是為了濾除電源中的高頻噪聲。D/A基準(zhǔn)電壓設(shè)置為外接基準(zhǔn)，設(shè)計(jì)了以REF3225芯片為核心的D/A基準(zhǔn)電源轉(zhuǎn)換電路，如圖13所示。液晶電源用電壓轉(zhuǎn)換芯片AMS1117--3.3V轉(zhuǎn)換，其電路如圖14所示。圖13D/A外部參考電壓轉(zhuǎn)換電路圖14TFT液晶電源轉(zhuǎn)換3原理圖與PCB設(shè)計(jì)3.1設(shè)計(jì)軟件簡介AltiumDesigner是原Protel軟件開發(fā)商Altium公司推出的一體化的電子產(chǎn)品開發(fā)系統(tǒng)，主要運(yùn)行在Windows操作系統(tǒng)。這套軟件通過把原理圖設(shè)計(jì)、電路仿真、PCB繪制編輯、拓?fù)溥壿嬜詣?dòng)布線、信號完整性分析和設(shè)計(jì)輸出等技術(shù)的完美融合，為設(shè)計(jì)者提供了全新的設(shè)計(jì)解決方案，使設(shè)計(jì)者可以輕松進(jìn)行設(shè)計(jì)，熟練使用這一軟件必將使電路設(shè)計(jì)的質(zhì)量和效率大大提高。目前最高版本為：AltiumDesigner16.0.7Build36915。本次設(shè)計(jì)電腦安裝的是去年推出AD15版本，啟動(dòng)界面如下圖15所示，就貌似一個(gè)閃電俠一樣，這也暗喻電路信號就像閃電俠一樣快速，迅捷。圖15軟件啟動(dòng)界面3.2設(shè)計(jì)流程3.2.1建立工程AD15軟件打開后，開始建立工程，如下圖16所示。首先點(diǎn)擊“文件”—“新建”—“Project”，然后輸入工程名和保存位置。然后向工程中添加原理圖文件和PCB文件，右擊“工程名”—“給工程添加新（N）”—“Schematic”和“Pcb”，然后“ctrl+S”保存，修改名稱后。此外還可以在工程中建立原理圖庫和PCB庫，因?yàn)橛行┰骷脑韴D符號、PCB封裝，在系統(tǒng)自帶的文件中沒有，在無法代替的情況下，就需要自己動(dòng)手畫原理圖和制作封裝。最終如圖17所示。圖16創(chuàng)建工程圖17添加文件在建立好工程后，就可以開始設(shè)計(jì)原理圖了。因?yàn)樵诘?章里，對系統(tǒng)的各個(gè)模塊的設(shè)計(jì)了電路。接下來就是在元件庫里選取所用器件的原理圖，按設(shè)計(jì)原理連接起來。并給每個(gè)元件給對封裝，設(shè)置好名稱后，就可以編譯導(dǎo)入PCB了。3.2.2設(shè)計(jì)PCB畫好原理圖后，點(diǎn)擊“設(shè)計(jì)”--UpdataPCBDocument;這一步算是相當(dāng)重要的了，并且在這之前，首先要在原理圖中把各個(gè)元件的封裝配對。不然在導(dǎo)入進(jìn)PCB時(shí)會出很多錯(cuò)，比如下圖18所示。圖18缺少封裝報(bào)錯(cuò)在原理圖上修改錯(cuò)誤，然后重新生成PCB；直至修改完錯(cuò)誤；各個(gè)部分除了必要的信息交流外彼此之間相互獨(dú)立。在將原理圖成功導(dǎo)入PCB后，然后就可以開始畫PCB了，首先對元件進(jìn)行大致的排列，然后就可單擊鍵盤L鍵,去掉一些不必要的顯示，以及修改相應(yīng)的顏色，如DrillGuide層顯示，DrillDrawing層顯示。去掉的方法就是將show對應(yīng)的對號去掉。接下來就是PCB的規(guī)則設(shè)置，在約束PCB布局布線中起著很重要的作用，不同的行業(yè)規(guī)則也是有很大差異的，雖然都是電子，但對于電源設(shè)計(jì)，高頻信號設(shè)計(jì)等規(guī)則也是不同的。PCB中的規(guī)則設(shè)置在布局布線的前，需要對一些設(shè)計(jì)做具體的規(guī)則約束，想元件間間距，導(dǎo)線寬度，鋪銅連接方法等。具體規(guī)則如下圖19所示。圖19PCB布線規(guī)則設(shè)置設(shè)置好規(guī)則后就可以布局布線了，在布線時(shí)，不同的信號線的寬度不一樣的，同時(shí)與板子銅箔的厚度有關(guān)，通常為盎司來，0.5盎司的厚度的銅箔，40mil走的電流為約1A。對于過孔，通常內(nèi)外徑之差不要小于8mil，過小不利于加工處理，通常為12*20，12*24，16*32，28*50等，必要時(shí)可以做的更大。以上為一些基本的設(shè)置，當(dāng)然對于一些特殊的，需要進(jìn)行特殊的設(shè)置，比如對于某些管腳需要直接連接，或者某些網(wǎng)絡(luò)需要保持特殊的間距，這時(shí)候需要添加特殊規(guī)則，其實(shí)這些規(guī)則僅僅是個(gè)指令，例如將GND，添加在為直接連接。需要注意的是：對于手工繪制雙面印制電路板來說，使用最多的是TopLayers（頂層銅箔布線）、BottomLayers（底層銅箔布線）和TopSilkscreen（頂層絲引層）。每一個(gè)圖層都可以選擇一個(gè)自己習(xí)慣的顏色，一般頂層用紅色、底層用藍(lán)色、文字及符號用綠色或白色、焊盤和過孔用黃色。對于整個(gè)電路板，EMC和EMI在很大程度上受元件的布局影響，大的公司有專門的PLAYOUTENGINEER,作為普通的電子工程師，在方面的也應(yīng)該充分重視，對于布局布線，規(guī)則太多了，不同的板子，高速信號射頻板，與大功率電源板，以及模擬板，數(shù)字板，混合信號板，都是有很大差異的。（1）對于電源部分的處理為降低電源噪聲的影響，對電源有時(shí)會加差模抑制和共模抑制的扼流圈，當(dāng)然TVS抑制，RC濾波都有的，在布局是大多時(shí)候靠近接線端子，布線盡量寬，同時(shí)減少地的繞行。平時(shí)保證余量的情況下，40mil走1A的電流，當(dāng)然了，線的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)按0.5盎司/英寸來估算的，具體的須參照實(shí)際設(shè)計(jì)的材質(zhì)。（2）電源回路問題對于信號的傳導(dǎo)，大體上分兩個(gè)路徑，一個(gè)是沿實(shí)際連線，另一個(gè)是輻射，而構(gòu)成回路時(shí)，信號沿著阻抗最低的路徑返回，而不是阻值最低，而阻抗最經(jīng)，路徑最短，這樣，信號有時(shí)出現(xiàn)繞行，而繞行時(shí)即會干擾別的信號，如果繞行路徑不當(dāng)，也會被別的信號干擾，總是EMC是PCB布局布線經(jīng)常討論的話題。（3）對于線寬，線間距對于線寬，首先是了解加工工藝的最小寬度，避免自己設(shè)計(jì)的PCB無法加工，通常用到的為10mil，基本上都大于4mil，而電源部分，情況允許就用單獨(dú)的電源層進(jìn)行設(shè)計(jì)，獨(dú)立的電源地層為信號提供很好的返回路徑。對于線建議，一般的3w,5w原則，w指的是導(dǎo)線寬度。3w可以降低相鄰信號70%的串?dāng)_吧，實(shí)際也沒做過測試，當(dāng)然，對于高速信號，線間距還是有要求的，（4）對于差分對信號對于查分信號，有時(shí)需要控制阻抗，這樣，查分走線寬度和正負(fù)信號之間的間距也可以用軟件計(jì)算的得出，同時(shí)，差分對于差分對之間的間距也盡量大于3倍以上的差分對間距，差分對之間相互抵消，降低的是差模干擾，對外的主要是共模干擾。（5）對模數(shù)字信號模擬信號算是敏感信號，而數(shù)字信號抗干擾能力相對強(qiáng)些，在同一塊PCB上布局時(shí)，將數(shù)模分開，降低數(shù)字信號對模擬信號的干擾，有時(shí)會用到隔離電路，降低數(shù)模信號之間的串?dāng)_。3.2.3設(shè)計(jì)結(jié)果通過不斷地修改元器件布局、走線方向，在考慮了3.2.2中的注意事項(xiàng)后，最終繪制出本系統(tǒng)的PCB版圖和3D圖，具體如下圖20和圖21所示。圖20PCB版圖圖213D視圖4系統(tǒng)調(diào)試及結(jié)果4.1調(diào)試方法硬件調(diào)試要用到的儀器設(shè)備有：穩(wěn)壓直流電源、信號源、數(shù)字式萬用表、示波器。由于在這個(gè)系統(tǒng)的制作中，DSP用的是學(xué)校提供的現(xiàn)成的最小系統(tǒng)板、液晶也是用的現(xiàn)成的TFT液晶、鍵盤也是用以前的矩陣鍵盤。自己所做的硬件工作就是D/A及其外圍電路的制作。所以硬件調(diào)試主要集中在：（1）D/A模塊的能否正常工作，這是系統(tǒng)的關(guān)鍵。（2）加法器能否實(shí)現(xiàn)兩路信號的相加。（3）調(diào)幅電路能否成功實(shí)現(xiàn)功能，滿足0—3.3V的輸出要求。上電前調(diào)試。主要是利用萬用表查看電路的導(dǎo)通情況，具體做法如下：（1）對照原理圖，查看整個(gè)電子線路連接是否有誤。（2）檢查電源線和其他線路是否導(dǎo)通。（3）檢查信號線路是否與地線相連。（4）檢查電路板電源線路是否導(dǎo)通。（5）檢查電路是否能夠共地等。上電后調(diào)試。上電后需要對電路再進(jìn)行一些檢查（1）芯片需要一部分一部分的安裝（如果是直插型）以免因電路原因?qū)е滤行酒紵龎?。?）對芯片供電情況進(jìn)行檢查，看每個(gè)部分是否達(dá)到供電要求。在這個(gè)部分需要注意的是不要用萬用表探針直接去接觸芯片的引腳，因?yàn)樯想姾蠊╇娨_是有較高的電壓值，如果接觸頭在觸到電源引腳的同時(shí)又接觸到其他引腳的話，就可能將整個(gè)芯片燒毀，造成不必要的麻煩和損失。4.2調(diào)試結(jié)果上電前，原理圖、PCB連線正確無誤；用萬用表檢查電路板，不存虛焊、漏焊、錯(cuò)焊等情況，絲印清晰。上電后，用萬用表檢測電路各部分供點(diǎn)正常，具體見表9。用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)信號源給出兩路模擬信號、幅值1VPP送給加法器接口，在加法器輸出端，用示波器能檢測相加后的波形正常，證明加法器能夠正常工作。用實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)信號源，給1VPP正弦波信號給跟隨器，然后在示波器上能夠觀察到抬高2.5V的正弦信號，證明跟隨器工作正常。繼續(xù)增大輸入信號幅值，輸出信號失真，這是因?yàn)槌^了電源電壓。在調(diào)幅電路的輸出端口能檢測到輸出信號，并且通過調(diào)整電位器，能調(diào)整信號幅度，使輸出滿足要求，說明調(diào)幅電路能夠正常工作。表9電路電源檢測情況檢測部位標(biāo)準(zhǔn)值（V）實(shí)測值（V）誤差（%）系統(tǒng)電源輸入端5.005.122.4TLV5638VCC端5.005.122.4LM358VCC端5.005.122.4OPA335VCC端5.005.122.4AMS1117-3.3輸出端3.303.45152.5V基準(zhǔn)輸出端2.502.552綜合調(diào)試連接DSP，發(fā)送數(shù)據(jù)給D/A，用示波器測試D/A輸出端口，能檢測到波形，證明D/A能夠正常共工作。(1)輸出正弦波表10正弦波誤差分析示波器頻率（HZ）液晶顯示頻率(HZ)頻率誤差（%）示波器幅值(VPP)液晶顯示幅值(VPP)幅值誤差（%）101001.441.04410010001.101.0101000100001.241.024100001000001.041.04250002500001.161.016通過表10內(nèi)容可以看出在幅值方面存在比較大的誤差，通過觀察示波器波形，如圖22所示，發(fā)現(xiàn)在信號上疊加有周期性的諧波分量。這就導(dǎo)致在測量幅值時(shí)誤差變大，分析是電路沒有設(shè)計(jì)低通濾波電路造成的。此時(shí)，在液晶上對應(yīng)顯示，輸出的信號類型、頻率、幅值等詳細(xì)信息，如圖23所示：圖22頻率為10KHZ幅值1VPP的正弦波圖23液晶實(shí)時(shí)界面(2)輸出方波表11方波誤差分析示波器頻率（HZ）液晶顯示頻率(HZ)頻率誤差（%）示波器幅值(VPP)液晶顯示幅值(VPP)幅值誤差（%）示波器占空比（%）液晶顯示占空比（%）101001.361.036505010010001.321.03249.6501000100001.281.0289898100001000001.201.0205050200002000001.201.0205050通過分析表11中數(shù)據(jù)得出：頻率不存在誤差；幅值存在誤差，而且頻率越高，誤差逐漸減??；占空比幾乎不存在誤差。具體波形如圖24所示。圖24占空比為98%的方波(3)輸出三角波因?yàn)槿遣ú糠?，程序還存在一定問題，無法采集數(shù)據(jù)，下面給出特定條件下的三角波波形圖，如圖25所示。圖25頻率1KHZ幅值2V的三角波(4)輸出白噪聲噪聲實(shí)質(zhì)上就是一組隨機(jī)數(shù)，用示波器測量其頻率和幅值已沒有意義。D/A能夠?qū)SP傳輸過來的隨機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，轉(zhuǎn)換成噪聲信號。但由于調(diào)試時(shí)，忘記對此部分拍照記錄，故此無法上圖。5總結(jié)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)完成了基于DSP的簡易信號源硬件設(shè)計(jì)，文中介紹了以DSP（TMS320F28335）芯片和D/A轉(zhuǎn)換器（TLV5638）為硬件平臺，結(jié)合軟件的算法處理和控制，產(chǎn)生幾種常見的波形，如正弦波、三角波、方波等信號。由于DSP的高性價(jià)比和整個(gè)數(shù)字式系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，取代由模擬分立元件組成的傳統(tǒng)的信號發(fā)生器已是大勢所趨，因此本設(shè)計(jì)的應(yīng)用對實(shí)際工程實(shí)踐及教學(xué)實(shí)驗(yàn)水平具有一定的實(shí)際意義?；就瓿闪苏n題要求，能夠輸出指標(biāo)中要求的信號，能夠?qū)敵鲂盘栠M(jìn)行有效調(diào)幅。但是設(shè)計(jì)中存在不足之處還是讓自己比較糾結(jié)，希望各位老師同學(xué)指正，不足有下：（1）輸出信號中夾雜著周期性的高頻干擾。因?yàn)樵谠O(shè)計(jì)電路時(shí)，考慮到系統(tǒng)要輸出方波，而方波經(jīng)過濾波電路后會失真，所以在電路中沒有設(shè)計(jì)濾波電路，這一缺陷就導(dǎo)致現(xiàn)在的輸出信號中總是夾雜著周期性的高頻諧波分量。（2）電路設(shè)計(jì)上沒有做測試點(diǎn)，這是一大失誤。好在過孔設(shè)置相對較大，不然測試模塊功能時(shí)，根本沒法接線。在以后的設(shè)計(jì)中，不能出現(xiàn)此種情況。（3）系統(tǒng)局限性大。由于程序處理沒完全調(diào)通，導(dǎo)致無法動(dòng)態(tài)設(shè)置頻率，無法任意切換波形。（4）為了簡單、節(jié)約時(shí)間、便于調(diào)試，系統(tǒng)沒有集成在一張PCB上，實(shí)物看起來不是那么美觀。如果以后有再想把本系統(tǒng)做得更好、更漂亮一點(diǎn)的同學(xué)，建議仔細(xì)想想怎么去除高頻噪聲，同時(shí)兼顧方波經(jīng)過低通濾波器會失真這一要素；從設(shè)計(jì)開始，整體框架一定要搭好，硬件連接接口、調(diào)試接口、測試點(diǎn)一定要預(yù)留出來，不然在電路調(diào)試時(shí)就會問題百出。雖然系統(tǒng)沒有完全做好，沒能做出產(chǎn)品的效果，但是在本次設(shè)計(jì)中運(yùn)用了大學(xué)四年來的專業(yè)知識，硬件設(shè)計(jì)，從方案論證、芯片選型、電路設(shè)計(jì)、PCB的繪制、物料跟蹤、元件焊接、電路調(diào)試、系統(tǒng)集成，整個(gè)過程讓我收獲頗豐。

致謝

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