第三章 数字式相移信号发生器的硬件设计 16
''DnDnRWRW1 U1??VREF???VREF??VREF?RW?(?) （3-13）
R1R2256256R2R1'取R1?2R2，当Dn?0时，U1??VREF?RW''；Dn?128时，U1?0；Dn?256时，2R2U1?VREF?RW'。由上述分析可看出，Dn取不同数据时（0～256），可得对称的双极性波2R2形输出。再取RW?R1，则式（3-13）可表示为：
'DnU1?VREF?(?1) （3-14）
128由上式可知，输出信号的幅度受VREF的改变而改变。
3.5 滤波器设计
输入AD7524的波形数据是经量化的离散数据，而AD7524分辨率为1/256，因此输出的波形具有非连续性，是阶梯状的。假设AD7524的基准电压为+5V，则每个阶梯幅度为0.0195V。阶梯宽度为采样频率的倒数。这相当于给输出波形叠加了高频干扰，为确保产生波形的质量，减少波形失真度，使输出波形光滑，须用低通滤波器把高频分量滤掉。在此采用自动线性跟
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踪Butterworth有源滤波器。图3-11为一常见的二阶有源低通滤波器，
C2R1R2C1-15V+15VUiUoRF1RF2
图3-11 有源二阶低通滤波器原理图
其传递函数为：
2K0/R1R2C1C2K0?0H(s)??2 （3-15） 21?K111S?2??S??000S2?(??)S?R1C2R2C2R2C1R1R2C1C2式中K0为电路直流增益，?为电路阻尼率，?0?2?f0为电路固有频率，分别为：
K0?1?RF2/RF1 （3-16）
第三章 数字式相移信号发生器的硬件设计 17
???R1C1RC?1?R2C1??(K0?1)12? （3-17）
2?R1C2R2C2R2C1? ?0?1/R1R2C1C2 （3-18）以S?j?代入（3-15）式，求得其幅频特性：
H(j?)?2K0?0(???)?(2??0?)20222?K0(1??)?(2??)222 （3-19）
式中???/?0?f/f0为频率比，??1时的频率称为截止频率。
由式（3-19）可得，当??1/2时，其幅频特性最为平坦。当各种信号频率小于滤波器截止频率时，才能“无失真”地传输，也即幅度不会放大或衰减。当C1?C2?C，
RF1?RF2?RF，即K0?2时，由式3-16、17、18有：
??1R2/R1 （3-20） 2f0?1 （3-21）
2?CR1R2令（3-20）式??1/2，得R2?2R1?2R，则有：
f0?1 （3-22）
22?CR由上式可知，当C为定值时，电路截止频率f0与R成反比。因此只要电阻按
R2?2R1?2R的比例关系线性改变，即可实现滤波器截止频率的线性跟踪的目的。
第三章 数字式相移信号发生器的硬件设计 18
UiR1R2R3R4x0x1x2x4y0y1y2y3CD4052C2+15VR5R6UoC1-15VR7R8RF1RF2
图3-12 程控有源二阶低通滤波器原理图
考虑到此移相信号发生器输出波形频率范围宽的特点，只设计一个截止频率的低通滤波器难以实现理想的滤波效果，而应该设计多个截止频率的滤波系统。为了使用方便，将此滤波器设计成程控滤波器的形式。程序设计时将输出频率范围划分为4个频段，通过I/O控制双路开关CD4052来选择不同的电路，从而改变二阶低通Butterworth滤波器的截止频率。其原理如图3-12所示。
3.6 人机对话模块
从系统要求实现的功能看，需要20个按键，如果真接用单片机I/O口将会浪费I/O口资源，若采用8279芯片，则会使系统电路更趋复杂。因此，系统的人机对话模块使用了键
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盘/显示采用HD7279A，它是一种管理键盘和LED显示器的专用智能控制芯片。它能对8位共阴极LED显示器或64个LED发光管进行管理和驱动，同时能对多达8×8的键盘矩阵的按键情况进行监视，其内部含有译码器，有两种译码方式，可直接接受16进制码， 具有消隐、闪烁、左移、右移、段寻址等多种控制指令，并具有自动消除键抖动并识别按键代码的功能，从而可以提高CPU工作的效率。HD7279A片内具有驱动电路，它可以直接驱动1英吋及以下的LED数码管，与微处理器之间采用串行接口，其接口电路和外围电路简单可靠，占用口线少，加之它具有较高的性能价格比，因此，在微型控制器、智能仪表、控制面板和家用电器等领域中日益获得广泛的应用。
HD7279A指令系统由6条纯指令、7条带数据指令和1条读键盘指令组成。这里对编程中用到的一些指令作介绍。
1． 纯指令
（1） 复位指令。指令代码为A4H，其功能为清除所有显示，包括字符消隐属性和闪烁属性。
（2） 测试指令。指令代码为BFH，其功能为将所有的LED点亮并闪烁，可用于自检。
2． 带数据的指（由双字节组成） （1） 按方式0译码下载指令 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0
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1 0 0 0 0 a2 a1 a0 DP X X X d3 d2 d1 d0 X X：无影响 第1字节为指令，其中a2,a1,a0代表显示位地址： a2,a1,a0 显 示 位 7 8 6 7 5 6 4 5 3 4 2 3 1 2 0 1 显示位8为最高位。 第2字节为显示内容，其中DP为小数点控制位，DP=1，小数点显示；DP=0，小数点熄灭。 d3 d2 d1 d0为数据，按方式0译码时数据和显示的关系如下： d3d2d1d0 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06HH 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 显示内容 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 - E H L P 空 （2） 按方式1译码下载指令
D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 D0 1 1 0 0 1 a2 a1 a0 DP X X X d3 d2 d1 d0 该指令和按方式0译码下载指令的含义基本相同。按方式1译码时数据和显示的关系如下： d3d2d1d0 00H 01H 02H 03H 04H 05H 06HH 07H 08H 09H 0AH 0BH 0CH 0DH 0EH 0FH 显示内容 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F （3） 不译码下载指令 1 0 0 2 0 a2 a1 a0 DP A B C D E F G a2 a1 a0仍为位地址，第2字节仍为显示内容，其中DP和A～G分别代表小数点和LED显示器的7段，相应位为1时，该段点亮；为0时，该段熄灭。
（4） 闪烁控制指令 1 0 0 0 1 0 0 0 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1 该指令规定了每个数码管的闪烁属性。d1～d8分别对应第1到第8个数码管，该位为1不闪烁；该位为0闪烁。缺省状态为所有数码管均不闪烁。
（5） 消隐控制指令 1 0 0 1 1 0 0 0 d8 d7 d6 d5 d4 d3 d2 d1
第三章 数字式相移信号发生器的硬件设计 20
该指令规定了每个数码管的消隐属性。d1～d8分别对应第1到第8个数码管，该位为1显示；该位为0消隐。应该注意的是至少要有1位保持显示状态，如果全部消隐则该命令无效。
本系统设计的键盘功能可实现多种功能：可选择正弦波、方波、锯齿波三种波形的输出；可调节不同波形的输出频率，并实现了1Hz的频率步进；可调节不同波形的幅度输出（正弦波、锯齿波），并实现了0.1V的幅度步进；可调节不同波形的相移输出，使两路信号间的相移实现了1度的步进；通过LED可显示不同波形的频率、幅度、相位。其电路图参见附图。
3.7 电压源硬件设计
本系统中，许多集成电路，如单片机、D/A、运算放大器等都需要直流电源进行供电，才能工作。单片机、EEPROM等都以5V电源供电，而运算放大器需要±15V供电，因此在电源板的设计过程中，要同时获得+5V、±15V的直流电压。 MC7805T输出电压为+5V，MC7815K输出电压为+15V， MC7915K输出电压为-15V，三者的性能都能满足设计要求。
在具体电路中，由市电AC220V经两个变压器降压后，接入单相整流电桥，并进行滤波后将其中一路电压经三端稳压器MC7805T稳压后输出+5V电压，作为AT89S51、IDT7132、D/A、74LS138等数字集成电路的电源电压。另一路电压经过三端稳压器MC7815K、MC7915K稳压后，由MC7915K输出-15V电压，MC7815K输出+15V电压。±15V电压作为模拟放大器的电源电压。考虑到D/A转换器在进行数模转换时，需要较稳定、精度较高的参考电压，本电源板在设计过程中，将经MC7815K输出的+15V电压经行分压处理，通过稳压二极管LM431稳压和精密电阻的调节来得到D/A所需的高精度稳压参考电源。