一、项目要求：

 

      按照题目要求确定硬件框架如下：电源由USB接口提供；主控芯片通过SPI驱动ad5626生成正弦波信号，经过低通滤波器滤除40KHz混叠信号，最后添加直流偏置后输出。参数调节部分可使用电位器或者使用PC发送命令来实现。另外为获得较好的信号质量，需画图制板。

 

      1.AD5626是一块单电源5V供电的12位串行输入DAC芯片，输出电压范围是0-4095mV即分辨率为1毫伏，SPI通讯速率为20M。内部包含DAC,移位寄存器，基准电压源和一个轨到轨放大器如下图：

   

 

      2.AD5626的电压输出范围为0-4.096V，满足3Vpp需求。信号直流偏置可以用可调电位器配合运放来做，或者使用带DAC的单片机来调节。

 

      3.题目要求信号频率要做到20KHz，对照AD5626通讯时序计算可得，更新一次数据至少需要780ns，即更新速率1.28MHz。可得波表长度为64位；

 

      sallen_key低通滤波器选用adalp2000套件中的OP484运放，滤波器外围电路由ADI滤波器设计工具确定。

      主控选用EFM8LB单片机，主频72MHz，SPI通讯速率可以跑到18MHz，有一路12位DAC。满足以上需求。

 

      硬件图纸使用立创EDA绘制，原理图如下：

      电源部分原理图：

      整个系统的5V输入由USB接口接入，经过滤波后给AD5626供电。使用U6 TPS78233 线性稳压芯片将5V转换为3.3V电源给单片机供电。为了获得更宽的信号输出范围，使用了U8芯片LM2776电荷泵芯片，将输入的5V电源转换为-5V。正负5V电源用来给AD5626以及滤波电路供电。

      滤波偏置电路原理图：

 

      正弦波信号由R46输入，sallen_key低通滤波器滤波后（滤波电路参数由ADI滤波器设计工具给出），再经过C27电容隔直，输入给电压偏置电路。此处电压偏置电压可以由R23电位器给出，调节范围是0-5V；也可以由单片机dac给出，EFM8LB1单片机的DAC输出范围是0-3V，为满足题目中1.5V-3.5V偏置调节范围，此处设置R36//(R42+R30)例比为3/10，计算的偏置调节范围是1.5V-3.6V。

      使用ltspice搭建电路仿真幅频特性曲线如下：

      原理图中预留了另外两家的DAC芯片，TI的DAC7311和思瑞浦TPC112S。用来对比测试（因时间关系以下未测试）TPC112S需要配置一路外部电压参考，此处选用TL431A芯片。DAC7311选用的电源和参考电压共用一个引脚此处选用LM4040BIM3-3.0芯片。三个DAC输出信号由模拟开关bl1551切换。

      另外预留一路信号输入电路，用于自检。

      信号调节电路：

      

      信号的频率，幅值以及偏置电压的调节可以通过按键设置，或者使用PC直接发送命令给单片机。此处选用上位机串口助手来调节，发送命令格式：[交直流]，[频率]，[幅值]，[偏置mV] /r/n;例如：AC,1000,100,100

      关于串扰：

      本系统中既存在数字电路，又有模拟电路，调试过程中发现单片机的SPI最高可以跑到36MHz，AD5626也可以正常工作，所以最终确定使用36MHz通讯速率。但是过高的数字开关频率会带来电源的波动，SPI的CLK信号会经电源串扰到模拟电路部分。最终导致输出信号被污染。

      因此采用以下措施进行规避：

      1.模拟电路接地宜采用单点接地。即通过0欧电阻接到数字地面；

      2.模拟器件电源前面需添加磁珠滤波电容；

      3.PCB使用四层板，布局时将数字地与模拟地分割开来；

      4.使用SMA接口输出信号；

四、代码调试：

      EFM8单片机调试工具我用的是simplicity studio，是芯科的官方开发平台。其中芯片外设的配置非常方便，选择需要的外设配置完，直接生成初始化代码。

      

 

      波表      

      51单片机为单核MCU，算力有限。为获得更高的实时性，需事先使用excel算好正弦波波表，再将波表写到单片机内部。此处我生成了一个长度为256，位宽为12位的波表，并将它的高4位和低8位分别存入两个数组。

      时序

      SPI通讯是单向的即:只需要单片机向AD5626发送数据，没有返回数据，所以可以屏蔽SPI的状态判断。定时向SPI0DAT写入数据即可。

  while (AC)
    {
      ad5626_ldac = 1;
      ad5626_cs = 0;                             //AD5626片选引脚拉低
      SPI0DAT = sin_temp_h;
      SPI0DAT = sin_temp_l;
      sin_temp_h = main_calculate_h[count];    //数据高四位
      sin_temp_l = main_calculate_l[count];    //8位数据低位
//    _nop_();
//    _nop_();
      count = count + 2;                         //调频率
      ad5626_cs = 1;                             //上一个数据的CS置零，利用函数返回时间来节省时间
      ad5626_ldac = 0;                           //下降沿输出

#pragma asm                                      //插入一段汇编用来精确延时
      MOV R5, asm_delay_h
      TSR1:MOV R6, asm_delay_l
      DJNZ R6,$
      DJNZ R5, TSR1

      //延时递减
#pragma endasm

// $[Generated Run-time code]
// [Generated Run-time code]$
    }

      幅值处理

      初始正弦波表是一段固化再flash中的数组，无法二次赋值，所以需要定义两个相同大小的数组来当作显存。当接收到串口发送过来的目标幅值后，就需要对波表数据进行重新计算，计算过程如下：

  while (calculate)                                 //幅值限制
    {
      for (i = 0; i < 255; i++)                    //循环256次来处理高四位波表显存数据
        {
          amp_temp = sin_code_h[i];
          amp_temp = (amp_temp << 8) + sin_code_l[i];
          amp_temp = (amp_temp * 1000 / 4096 * calculate) / 1000;
          main_calculate_h[i] = amp_temp >> 8;
        }
      for (i = 0; i < 255; i++)                    //循环256次来处理低8位波表显存数据
        {
          amp_temp = sin_code_h[i];
          amp_temp = (amp_temp << 8) + sin_code_l[i];
          amp_temp = (amp_temp * 1000 / 4096 * calculate) / 1000;
          main_calculate_l[i] = amp_temp;
        }

      AC = 1;                                     //回到主循环
      DC = 0;                                     //失能DC模式
      calculate = 0;                              //杀掉自己释放资源
    }

      单片机制作信号发生器是非常痛苦的事情，因为它只能同通过调节延时长短来获得目标频率，调频逻辑是形如y=1/x是反比例函数。且10-20KHz的跨度较大，单一波表无法满足这么宽的动态范围，所以就需要根据不同的频率段选择不同的波表长度，代码处理部分如下：

 frequence=(UART_Buffer[3]-0x30)*10000+(UART_Buffer[4]-0x30)*1000+
          (UART_Buffer[5]-0x30)*100+(UART_Buffer[6]-0x30)*10+
          (UART_Buffer[7]-0x30);

      if((4<=frequence)&&(frequence<400))
        {
          AC_low = 1;
          AC = 0;count=0;
          sin_seg=1;
          asm_delay_h=1;
          asm_delay=(main_clock/(256*frequence/sin_seg)-main_clock/685975)/19;      //根据频率 反算延时长度
        }
      else if((400<=frequence)&&(frequence<5022))
            {
          AC_low = 0;
          AC = 1;count=0;
              sin_seg=2;
              asm_delay_h=1;
              asm_delay_l=(main_clock/(256*frequence/sin_seg)-main_clock/1125000)/7;  //根据频率 反算延时长度
            }
      else if((5022<=frequence)&&(frequence<10045))
            {
          AC_low = 0;
          AC = 1;count=0;
              sin_seg=4;
              asm_delay_h=1;
              asm_delay_l=(main_clock/(256*frequence/sin_seg)-main_clock/1125000)/7;
            }

      else if((10045<=frequence)&&(frequence<20089))
            {
          AC_low = 0;
          AC = 1;count=0;
              sin_seg=8;
              asm_delay_h=1;
              asm_delay_l=(main_clock/(256*frequence/sin_seg)-main_clock/1125000)/7;
            }

      else if((20089<=frequence)&&(frequence<100000))
            {
          AC_low = 0;
          AC = 1;count=0;
              sin_seg=16;
              asm_delay_h=1;
              asm_delay_l=(main_clock/(256*frequence/sin_seg)-main_clock/1125000)/7;
            }

      10-20KHz信号输出

      1.5V-3.5V电压偏置调节

      sallen_key滤除40KHz信号

      通过对调试AD5626，让我对串行DAC芯片有了直观的认识，受益匪浅；