2017毕业论文-基于AT89S52单片机的相位信号发生系统设计.doc

摘 要 摘摘 要要 本设计给出了以单片机 AT89S52 为核心配合 TI 公司的 DA 转换器 7524 和 优质低功耗运算放大器 2335 设计的相位信号发生系统，实现相位在 0359 变 化，频率在 150Hz 可调(经测试可达到 60Hz)。系统由单片机实现控制与显示 功能，通过模数转换芯片 TLC7524CN 把经放大器 OPA2335AID 放大后的两路 正弦波信号，送入示波器进行测量，测量两路信号的相位差分辨率精确到 1， 并加入键盘与 LED 显示功能，使得系统具有智能化，人性化的特色。主要内容 有系统功能和设计方案、硬件构成和软件设计过程、结合软件和硬件的调试分 析设计中出现的问题和解决方案。 关键词关键词：DA 转换器 相位信号的产生 单片机 放大器 Abstract Abstract This design illustrates the signal generation system of phase position, which takes single-chip AT89S52 as the core and employs TIs DA converter 7524 and high- quality, low-power operational amplifier 2335 to realize the change of phase position between 0 and 359 , and the adjustibility change of frequency between 1 Hz and 50Hz (up to 60Hz after test). The controlling and displaying functions of the system are realized by the single-chip. Through the ADC chip TLC7524CN, two sine wave signals which are amplified by the amplifier OPA2335AID are sent into the oscilloscope to take the measurements. The resolution factor of the phase separation which measures two signals is accurated to 1 . Keyboard and the display function of LED are used into this system to make it more intellifent and human. The main contents consist of system function and design, hardware constitution and software design processes, combining software and hardware design debug analysis the problems and solutions. Key words： DA Converters Generation of Phase Position Signal Singlechip Amplifier 目 录 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACTII 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 课题研究的现状1 1.2 课题相关概念.2 1.2.1 相位和相位差的概念.2 1.2.2 信号发生器的分类.3 1.2.3 信号发生器技术的发展.4 1.3 课题研究的内容与意义.5 第二章第二章 系统设计方案与实现系统设计方案与实现.7 2.1 频率和相位产生的方案.7 2.2 系统硬件组成.7 2.2.1 主要元器件介绍9 2.2.2 系统硬件资源分配.11 2.2.3 功能模块原理阐述.12 2.3 软件程序设计.14 2.3.1 显示子程序.14 2.3.2 键盘控制子程序.14 2.3.3 主控制程序.14 第三章第三章 系统测试与误差分析系统测试与误差分析.15 3.1 测试环境和测试方法.15 3.2 数据处理分析.15 3.3 小结.17 第四章第四章 总结与展望总结与展望.19 致致 谢谢.21 参考文献参考文献.23 附附 录录.25 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题课题研究的研究的现现状状 相位信号发生器测量技术的研究由来已久，最早的研究和应用是在数学的 矢量分析和物理学的圆周运动以及振动学方面，随之在电气及电力方面也相应 得到重视和发展。随着电子技术和计算机技术的发展，相位信号发生器测量技 术得到了迅速的发展，目前相位信号发生器测量技术已较完善，测量方法及理 论也较成熟，相位信号发生器测量仪器已系列化和商品化，广泛应用于测量 RC、LC 网络、放大器相频特性以及依靠信号相位传递信息等方面的电子设备。 现代相位信号发生器测量技术的发展可分为三个阶段1：第一阶段是在早期 采用的诸如李沙育法、阻抗法、和/差法、三电压法等，这些测量方法通常采用 比对法和平衡法，虽然方法简单，但测量精度较低；第二阶段是利用数字专用 电路、微处理器等来构成测试系统，使测量精度得以大大提高；第三阶段是充 分利用计算机及智能化测量技术，从而大大简化设计程序，增强功能，使得相 应的产品精度更高、功能更全。同时，各种新的算法、测量手段和新的设计方 法及器件也随之出现。 在相位信号发生器测量技术方面，美国一直处于领先地位，主要的研究机 构及公司有 NBS、HP、ADYU 公司及 DRANETZ 实验室，俄罗斯在此领域也 具有较高的水平。商品化的通用相位计的水平为低频段达 Hz 数量级，甚高频 可达 100GHz，相位分辨率可达 0.001，相位测量范围为 0360， 180180，少数可达 720。在相位准确度方面，低频为0.002，高频为 0.2，微波为0.5。 随着电子技术的迅速发展，国外从 60 年代后期开始设计和制造基于过零交 叉检测原理的低频相位计，并开始用于工频相位的测量。在国内，60 和 70 年代 是相位测量研究的黄金时代，有众多的研究所、工厂及其它行业部门均进行了 相位测量技术的研究并取得了一定的成果，如国家计量科学院、国防科工委、 电子部十、十四、十七研究所、天津无线电一厂、南京电讯仪器厂等单位，初 步奠定了我国相位测量的基础，研制了一批专用、通用的相位计产品。1964 年 我国第一台相位测量仪器 US2 型交流相位差计问世，其极限误差为 30。1979 年 12 月国家计量总局正式批准进行相位量值传递。从 80 年代开始，将微处理 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 2 器广泛地用于各个技术领域，多种型号的电子相位计投入市场，取代了以往的 相位计。 在 70 年代中期以后，由于资金、技术、管理、市场等因素的原因，国内相 位测量技术的发展进入了低潮，研究相位测量的单位和技术人员越来越少。目 前，国内生产商品化相位计的主要厂家仅有天津中环电子仪器公司，相位计量 机构是中国计量科学研究院和国防科工委。总的来说，我国的相位测量技术与 国外有较大的差距，主要体现在产品种类较少，配套产品少；产品测试功能单 一；仪器精度、数字化和自动化程度不高；相位计量标准不完备。 目前国外提出了改进测相位测量精确度的方法，包括有： (1)用专用数字处理芯片，利用正余弦表格及傅立叶变换方法来计算相位差， 可大大提高测量精度。 (2)采用新器件及设计方法提高相位测量精度及展宽工作频率范围。 (3)采用新的算法来进行相位测试。 (4)采用高精度相位测量设备，通过相位输出信号，利用桥路与输入信号相 位进行比较，从而测出相位差。 现代电子测量仪器与智能测量技术、计算机技术紧紧结合在一起，每一次 计算机技术和电子技术的革命都带来电子测量仪器的革命。因此，只有不断的 采用新技术和新方法，才能使相位计的性能和精度得以不断的提高。 1.2 课题课题相关概念相关概念 1.2.1 相位和相位差的概念相位和相位差的概念 (1) 相位是信号的三种特性之一(另两种分别为频率、幅度)，它说明谐波振 荡在某一瞬时的状态。在数学上定义为正弦或余弦函数的幅角，其数学模型为： u(t)=E sin(t+) (2-1) 式中 是初相角，t+ 就是相位角，通常称为相位。 (t)=t+ (2-2) 由(2-2)式可以看出相位是时间 t 的线性函数。 令 1(t)、2(t)表示角频率为 1、2 的两个简谐振荡的相位，则有： (t)=1(t)-2(t)=(1-2)t+(1-2)=t+(1-2) (2-3) 由(2-3)式可知相位差也是时间 t 的线性函数。 第一章 绪 论 3 若 1=2 即两个同频信号，则有： (t)= 1(t)- 2(t)=1-2 (2-4) 显而易见，两个同频信号的相位差为常数，由其初相位角之差确定，即我 们通常所说的静态相位差。 假设，我们选定一个信号为参考信号，认定它的初相角为零，譬如：1=0 即： u1(t)=Esin(t) (2-5) u2(t)= Esin(t+) (2-6) 由(2-5)式确定的信号叫做基准信号，(2-6)式确定的信号则称为被测信号。 这时，相位差 =1-2=- (2-7) 这里的负号表示 1 滞后 2 或 2 超前 1。 这种“静态”相位差，在国防、科研和工业生产中是很有用的。例如：工频电 压加在具有感性的负载上，则电压与电流的相位不同，具有差值，一个交变信 号通过电路或滤波器都要产生相移，等等。 (2) 物理学中的相位差 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差，或者叫做相差。这两个频率 相同的交流电，可以是两个交流电流，可以是两个交流电压，可以是两个交流 电动势，也可以是这三种量中的任何两个。 例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。如 果电路是纯电阻，那么交流电压和电流电流的相位差等于零。也就是说交流电 压等于零的时候，交流电流也等于零，交流电压变到最大值的时候，交流电流 也变到最大值。这种情况叫做同相位，或者叫做同相。如果电路含有电感和电 容，交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零的，也就是说一般是不同相 的，或者电压超前于电流，或者电流超前于电压。 加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压，这两者 的相位差正好等于 180。这种情况叫做反相位，或者叫做反相。 1.2.2 信号信号发发生器的分生器的分类类 信号发生器按其输出频率的高低，可分为超低频信号发生器、低频信号发 生器、高频信号发生器、超高频信号发生器和视频信号发生器；按产生波形的 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 4 不同，可分为正弦波信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器等；按调 制方式的不同，可分为调频、调幅、调相和脉冲调制信号发生器。此外，还有 可以产生多种波形的信号发生器。 (l)低频信号发生器：低频信号发生器能产生频率范围在 20200kHz 以内( 也有频率更宽的 1Hz1MHz 的低频信号发生器)、输出一定电压和功率的正弦 波信号。低频信号发生器是用来产生标准低频正弦波信号的仪器，因此，它应 该满足以下的要求。 输出波形应尽可能的接近正弦波，非线性失真不应超过 12； 在信号发生器产生的整个频率范围内，输出信号的幅度应不随频率而变 化； 信号频率能在一定范围内连续调节或分段连续调节，而且输出频率要有 较高的稳定性和准确度； 输出信号电压应能连续调节，并且能准确地读出输出电压数值。 (2)高频信号发生器：高频信号发生器可以输出正弦波电压或功率以及调幅 波电压或功率。信号的频率范围一般在几百千赫以上。目前，高频信号发生器 一般分为普通高频信号发生器和超高频信号发生器两大类。普通高频信号发生 器频率范围为 100kHz50MHz，超高频信号发生器频率范围为 10350MHz。 高频信号发生器应具有以下性能。 高频信号发生器仪器本身应采取严密的屏蔽措施，以保证仪器内部信号 不对外泄漏，同时保证外部信号对内部不产生干扰； 信号的输出频率要有较高的稳定性，并有精确的频率微调装置； 信号输出的幅度变化受信号频率变化的影响较小。 1.2.3 信号信号发发生器技生器技术术的的发发展展 信号发生器是一种历史悠久的电子测量仪器，早在二十世纪二十年代就开 始出现随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现了主要用于测试各种接收机 的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测试 仪器，同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。 五十年代初，美国维夫特克公司(Wavetet)以低频信号源的形式推出了以 RC 电路 第一章 绪 论 5 为基础的函数发生器，它具有多功能、多波形的特点。1964 年出现了一台全晶 体管的信号发生器。在七十年代以后，随着微处理器的出现，可以利用微处理 器、A/D，D/A 使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形 发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各 种简单的波形。例如，令微处理器的累加器 A 自身循环增量，每增量一次即向 DAC 送出一个数，使 DAC 有一个输出。因为当 A 的内容达到最大值时，再增 量一次，A 的内容就变为最小值(零)，然后可以继续增加。如此周而复始，就可 以从 DAC 输出端获得一个正相的阶梯波。用同样的方法还可以获得方波、锯齿 波、三角波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要 是由于 CPU 的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行 周期时间或提高 CPU 的时钟，但这些方法是有限的，根本的办法还是要改进硬 件电路。当时的信号处理器是专用于信号处理的微处理器，时钟频率只有 12MHZ。A/D 和 D/A 一般在 8 位左右，内部存储也很小。因此，能够产生正弦 的效频宽不会超过 1MHZ，若要获得平滑的低失真度的波形，重复频率不会超 过 10KHZ。当时用数字方法的函数发生器尚处于发生阶段，正式的商品还不多。 到了 1998 年，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器。当时 LIP 公司推出 了型号为 HP877OS 的信号模拟装置系统，它是由 HP877OA 任意波形数字化器 和 HPI 波形发生软件组成。HP8770A 可产生最高频率达 50MHZ 的任意波形。 但实际上 HP8770S 也只能产生 8 种波形，而且价格昂贵。不久以后， ANALOGIC 公司推出的型号为 DATA-2020 的多波形合成器，LEEROY 公司生 产的型号为 9100 的任意波形发相邻模块的高速通讯的局部总线。PXI 高度可展 性，可扩展到来 256 个扩展槽。把台式 PC 的性能价格比和 PCI 总线面向仪器领 域的扩展优势结合起来，这种方式也形成未来主流的测控仪器平台之一。 1.3 课题课题研究的内容与意研究的内容与意义义 随着电子仪器仪表设备数字化趋势日益增强，传统模拟仪器仪表已越来越 不能满足用户的需要，不论是其精度，还是其灵活性、体积、重量、便携程度 等各方面都已不能满足要求。信号发生器及电平表等仪器仪表也不例外，急需 采用新的技术开发出能适应信息时代、数字化潮流的新型仪器。传统信号发生 器中的信号均为模拟信号，由电感、电阻、电容等基本元器件构成，基本上可 分为四大类，第一类是频率可变的振荡源，它通过改变电路上充放电的电流来 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 改变正弦波的振荡频率；这类信号发生器利用斜波扫描电压(电流)控制产生扫频 振荡器；第二类是压控振荡器，这类信号发生器利用斜波扫描电压(电流)控制产 生扫频振荡器；第三类利用间接合成技术，即利用锁相环 PLL 技术。该技术利 用锁相环完成对参考频率源的加、减、乘、除运算，从而得到预期的频率。锁 相环技术具有良好的窄带跟踪特性，可以根据需要选择频率信号。相对于直接 模拟频率合成而言，锁相环具有频谱纯度高，能有效抑制杂散分量且结构简单、 易于集成等特点。但是，锁相环存在高分辨率和快速转换速度之间的矛盾，因 此通常只用于大步进频率合成技术中；第四类技术为直接模拟合成技术，它是 早期使用的一种较为广的技术。直接模拟合成利用倍频(乘法)、分频(除法)、混 频(加减法)和滤波技术，从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生所需 的频率。该方法的优点是频率转换时间短(小于 100ns)，载频相位噪声好等。但 缺点是实现设备体积大、功耗大且易产生过多的杂散分量，频谱纯度不高，合 成的正弦波的幅度、相位等参数难以控制。 从上述讨论可以看出，这四种信号发生器都具有电路复杂、成本高、频率 步进幅度难以控制、分辨率偏低、生成及调试困难、频率越高越容易受到寄生 参数影响、频率稳定度差、精度低等方面的不足。相位信号发生器技术的出现 非常顺利地解决了上述不足在仪器仪表领域，特别是信号发生器领域产生了举 足轻重的影响。 信号发生器是最重要的测量仪器之一，随着测量对象的多样话和数字技术 的进步，信号发生器获得了广泛的应用和快速的发展。正弦信号发生器作为电 子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控，通信系统，电子 对抗，电子测量，科研等各个领域。它能满足测试系统的多种要求，成为系统 综合测试中不可缺少的组成部分。要实现两路信号具有确定的相位差，通常有 两种实现方法：种是采用移相器实现2，如阻容移相网络、电感移相器、感应 分压器移相器等。这种方法有许多不足之处，如移相精度受元件特性的影响大、 移相精度差、移相操作不方便、移相角受负载和时间等因素的影响而漂移等； 另一种是采用数字移相技术，数字移相技术的核心是先将模拟信号或移相角数 字化，移相后再还原成模拟信号。基于现有技术，设计一种能实现两路输出频 率相同、相位差可调的正弦信号的信号发生器有实用价值，还可用做变频调速 器使用，设计中考虑到若对其再加入移相信号，并使其相位差互差 120 ，可以 第一章 绪 论 7 做三相信号发生器使用，丰富其实用价值，具有现实意义。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 8 第二章第二章 系统设计方案与实现系统设计方案与实现 2.1 频频率和相位率和相位产产生的方案生的方案 方案一：采用两片正弦信号发生器专用电路如 ICL8038 等，通过对电位器 手柄进行调节，实现正弦波信号的产生，此种方案为纯模拟电路，信号参数调 节不直观，误差大，且相位调节困难。 方案二：采用 DDS 数字合成信号产生专用集成电路如 AD 公司芯片 AD9851 等，此种方案配合微处理器可得到极高的正弦波频率和相位分辨率。 方案三：采用两片 DA 转换器配合微处理器实现。微处理器定时将正弦波 数据传给 DA 转换器芯片转换为模拟信号，由于微处理器执行指令需要一定的 时间，此种方案仅可能产生较低频率的频率和相位信号。如 10KHz 以下。 对以上方案进行比较，其中方案一 精度较低，控制方法不直观，但实现方 法简单；方案二 成本较高，编程设计复杂，但频率高、精度高，其效果最好； 方案三 实现方法也简单，控制灵活精度也较高，但是频率较低，适合于低频的 场合，如变频调速器、工频三相型号发生器等场合。本设计决定这种考虑采用 方案三实现。 2.2 系系统统硬件硬件组组成成 系统把由单片机 AT89S5211 的 P2 口送出的数字信号经过模数转换芯片 TLC7524 转换成模拟信号，采用了两片模数转换芯片，复用 P2 口，以产生两路 同频率不同相位的信号，再把这两路信号经过放大器 OPA2335 放大后送入示波 器进行显示，计算相位差。硬件电路图如图 2-1 所示，硬件电路印制电路板图如 图 2-2 所示。 定时时间1/设定值(赫兹) 1000000(微秒)/360 (微秒) 相位信号相差时间/信号的周期360 度 (度) 第二章 系统设计方案与实现 9 Y1 11.0592M C2 30P C3 30P C1 10U R1 22K VCC RESET X1 X2 VCC RESET EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10/T 1 P11/T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE/P 30 TXD 11 RXD 10 U1 89C52 X1 X2 C6 470U/25V C7 0.1U D2 4007 D1 4007 D4 4007 D3 4007 C8 3300U/35V C9 0.1U Vin 1 GND 2 Vout 3 U107805 Vin 1 GND 2 Vout 3 U12 7905 +2.5V C10 47U/25V C11 0.1U C12 47U/25V C13 0.1U 1 2 3 84 U3A 2335 7 6 5U3B 2335 DB0 11 DB1 10 DB2 9 DB3 8 DB4 7 DB5 6 DB6 5 DB7 4 VCC 14 GND 3 WR 13 CS 12 REF 15 RFB 16 OUT1 1 OUT2 2 U2 7524 R2 1K C4 30P R3 10K R4 20K R5 5K1 R6 20K D/A RW12K +2.5V +2.5V -2.5V 1 2 3 84 U5A 2335 7 6 5U5B 2335 DB0 11 DB1 10 DB2 9 DB3 8 DB4 7 DB5 6 DB6 5 DB7 4 VCC 14 GND 3 WR 13 CS 12 REF 15 RFB 16 OUT1 1 OUT2 2 U4 7524 R7 1KC5 30P R8 10K R9 20K R10 5K1 R11 20K D/A RW2 2K +2.5V +2.5V -2.5V DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 WR CS1 DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 WR CS0 DB0 DB1 DB2 DB3 DB4 DB5 DB6 DB7 WR CS1 CS0 STR 1 D 2 CLK 3 OE 15 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 Q8 11 QS 9 QS 10 U6CD4094 STR 1 D 2 CLK 3 OE 15 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 Q8 11 QS 9 QS 10 U7CD4094 STR TXD VC C STR TXD VC C RXD STR 1 D 2 CLK 3 OE 15 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 Q8 11 QS 9 QS 10 U8CD4094 STR 1 D 2 CLK 3 OE 15 Q1 4 Q2 5 Q3 6 Q4 7 Q5 14 Q6 13 Q7 12 Q8 11 QS 9 QS 10 U9CD4094 STR TXD VC C STR TXD VC CA1A2A3A4 B1B2B3B4 C1C2C3C4 D1D2D3D4 E1 F1 G1 H1 E2 F2 G2 H2 E3 F3 G3 H3 E4 F4 G4 H4 A1 B1 C1 D1 E1 F1 G1 H1 A2 A3 A4 B2 B3 B4 C2 C3 C4 D2 D3 D4 E2 F2 G2 H2 E3 F3 G3 H3 E4 F4 G4 H4 PP1 AA1GG1 BB 1FF1 CC 1 EE1 DD1 e 1 d 2 - 3 c 4 p 5 b 6 a 7 - 8 g 9 f 10 SEG1 GND PP2 AA2GG2 BB 2FF2 CC 2 EE2 DD2 e 1 d 2 - 3 c 4 p 5 b 6 a 7 - 8 g 9 f 10 SEG2 GND PP3 AA3GG3 BB 3FF3 CC 3 EE3 DD3 e 1 d 2 - 3 c 4 p 5 b 6 a 7 - 8 g 9 f 10 SEG3 GND PP4 AA4GG4 BB 4FF4 CC 4 EE4 DD4 e 1 d 2 - 3 c 4 p 5 b 6 a 7 - 8 g 9 f 10 SEG4 GND PP1 AA1 GG1 BB 1 FF1 CC 1 EE1 DD1 PP2 AA2 GG2 BB 2 FF2 CC 2 EE2 DD2 PP3 AA3 GG3 BB 3 FF3 CC 3 EE3 DD3 PP4 AA4 GG4 BB 4 FF4 CC 4 EE4 DD4 R70-R85R54-R69 均510 RXD TXD STR U11 TL431 U13 TL431 R16 1K R17 1K VCC -2.5V SK3 SETUP/RUN SK0 YOUYI SK1 INC SK2 DEC VC C P1.0 P1.1 P1.2 RESET SK4 FUWEI P1.3 LED2 4007 LED3 4007 LED4 4007 LED1 4007 R12 1K R13 1K R14 1K R15 1K VC C P00P01P02P03 P00 P01 P02 P03 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 1 2 3 4 5 SJ4 1 2 3 4 5 SJ3 1 2 3 4 5 SJ1 图 2-1 硬件原理图 图 2-2 硬件电路印制板图 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 10 2.2.1 主要元器件介主要元器件介绍绍 (1) AT89S52 高性能高性能 8 位单片机位单片机 AT89S52 是一个低电压，高性能 CMOS 8 位单片机1，片内含 8k bytes 的可 反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器(RAM)，器 件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准 MCS-51 指令 系统，片内置通用 8 位中央处理器和 Flash 存储单元，功能强大的 AT89S52 单 片机可为您提供许多较复杂系统控制应用场合。 AT89S52 有 40 个引脚，32 个外部双向输入/输出(I/O)端口，同时内含 2 个 外中断口，3 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，2 个读写口线， AT89S52 可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用的微处理器 和 Flash 存储器结合在一起，特别是可反复擦写的 Flash 存储器可有效地降低开 发成本。 AT89S52 有 PDIP、PQFP/TQFP 及 PLCC 等三种封装形式，以适应不同产品 的需求。 主要功能特性： 兼容 MCS51 指令系统，8k 可反复擦写(1000 次)Flash ROM； 32 个双向 I/O 口，256x8bit 内部 RAM； 3 个 16 位可编程定时/计数器中断，时钟频率 0-24MHz； 2 个串行中断，可编程 UART 串行通道； 共 6 个中断源，2 个外部中断源； 2 个读写中断口线，3 级加密位； 低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； (2) 模数转换芯片模数转换芯片 TLC7524CN TLC7524CN 是 CMOS，8 位数字-模拟转换器(DAC)，能方便地与大多数通 用微处理器接口。具有输入锁存以及与随机存取存储器写周期相类似的装载周 期，分段高阶位可使最高有效位变化期间内的闪变为最小，该变化会产生最高 闪变脉冲。器件可提供 1/2 LSB 的精度而无需薄膜电阻或激光微调，其功耗典型 值小于 5mW，是许多微处理器控制的增益设置和信号控制应用的理想选择。相 关技术参数如下： 工作电压(V)：515 第二章 系统设计方案与实现 11 位数：8 建立时间(uS)：0.100 输出类型：电流 通道数：1 DNL 最大值(1LSB)：0.500 INL 最大值(1LSB)：0.500 接口方式：并行 基准：外部 功耗(mW)：5 封装/温度()：16PDIP/070 (3) 运算放大器运算放大器 OPA2335AID OPA2335 是德州仪器公司生产的具有宽增益、低失调电压和漂移、低噪声 的运算放大器。该运算放大器使用自动归零技术，同时提供极低的失调电压， 随着时间推移使温度漂移接近零漂移，适合用于低电压，单电源工作。技术参 数如下： 通道数：2 关断功能：No 工作电压 Max. (V)：5.500 工作电压 Min. (V)：2.700 每通道 IQ(典型值)(mA)：0.350 带宽 GBW(典型值)(MHz)：2 转换速率(典型值)(V/us)：1.600 输入失调电压(25)(Max.)(mV)：0.010 失调漂移(典型值)(uV/)：0.020 输入偏置电流(Max.)(pA)：200 共模抑制比(Min.)(dB)：110 单电源供电：Yes 满幅：Out (4) TL431 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 12 德州仪器公司(TI)生产的 TL431 是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流 基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从 Vref(2.5V)到 36V 范围 内的任何值。该器件的典型动态阻抗为 0.2，在很多应用中可以用它代替齐纳 二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。由于 TL431 非常易于实现恒压或恒流，而且有很好的温度稳定性，因此很适合于仪表 电路、传感器电路等设计应用。 TL431 的 3 个引脚分别为：阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)和参考端(REF)， 符号图如图 2-3 所示。 图 2-3 TL431 符号图 TL431 的具体功能可以用如图 2-4 的功能模块示意。 图 2-4 TL431 功能模块图 由图可以看到，VI 是一个内部的 2.5V 基准源，接在运放的反相输入端。由 运放的特性可知，只有当 REF 端(同相端)的电压非常接近 VI(2.5V)时，三极管 中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着 REF 端电压的微小变化，通过 三极管的电流将从 1 到 100mA 变化。当然，该图绝不是 TL431 的实际内部结构， 所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用 TL431 的电路 时，这个模块图对开启思路，理解电路都是很有帮助的。 2.2.2 系系统统硬件硬件资资源分配源分配 首先是电源部分，该部分首先经变压器将 220V降压为 9V，再经过整流电 路、滤波电路、7805 和 7905 稳压电路产生+5V 和5V 电压，其中+5V 供单片 机和 DA 转换器供电，+5V 还和5V 配合供两个 TL431 产生+2.5V 和2.5V 电 第二章 系统设计方案与实现 13 压供运算放大器 OPA2335 工作。 其次是单片机控制部分，各个口线分配如下： P0 口： P0.0频率指示灯； P0.1相位指示灯； P0.2设置指示灯； P0.3运行指示灯； P1 口： P1.0相频输入引脚； P1.1移位键控制引脚； P1.2加 1 键控制引脚； P1.3运行设置键； P2 口： 提供向模数转换芯片 1 和模数转换芯片 2 传输待转换的数字信号。 P3 口： P3.4模数转换芯片 1 片选引脚； P3.5模数转换芯片 2 片选引脚； P3.6模数转换芯片写引脚； 第三是 DA 转换器接口电路部分，两个 DA 转换器公用数据线和写信号线， 只是片选信号各自独立。 由于 7524DA 转换器是电流型输出，因此需用运算放大器将其转换为电压 输出，采用 OPA2335 两片，转成双路对称输出。 2.2.3 功能模功能模块块原理原理阐阐述述 考虑到对信号的调节方便，所以设计有简易 4 键键盘。 并且考虑到数据显示的直观性，设计了 LED 数码管显示电路。如图 2-5 所 示。 由于设置的按键数量为仅有限的 4 个，因此要对按键的使用详加安排，具 体的，为如下所述。 1#键 S1“相位/频率切换键”：实现对频率和对相位设置时的切换，或频率和 相位显示的切换； 2#键 S2“移位键”：实现对 LED 上预修改数据的那一位进行移位，被修改的 那一位 LED 以闪烁提示； 3#键 S3“加 1 键”：实现对已经移位到的那一位 LED 数码管显示器上的数据 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 14 加 1，当加到 9 时若再按该键则变为 0，被加的那一位 LED 区别于其他 LED 为 “闪烁”，该键配合移位键可实现对 4 个 LED 数码管显示器输入任意的数据； 4#键 S4“设置/运行切换键”：实现对数据的输入和程序的运行进行切换，按 一下为数据输入，再按一下为程序运行，如此循环； 第二章 系统设计方案与实现 15 图 2-5 键盘和显示电路图 此外系统中还设置有四个 LED 指示灯，以表明当前所处的状态。如： 运行状态指示灯； 设置状态指示灯； 频率参数输入(或频率参数显示)指示灯； 相位参数输入(或相位参数显示)指示灯。 (1) 显示部分设计方案 由于系统显示信息量少，数码管显示驱动简单，故采用 4 位共阴极 LED 数 码管进行静态显示，单片机外接 4 个每秒传输 1 兆 bit 数据的 HEF4094 移位寄 存器(每个对应 1 个 LED 数码管)来控制数码管，通过串行口工作在方式 0 把数 据先送第一个数码管，依次向后传，直到一次(四个数据一组)传输结束，显示产 生的频率和相位值。该信号发生器可以显示频率值和相位值，同时启用定时/计 数器 2 配合工作，把 0359 度的正弦波信号对应值通过查表计算求得。 (2) 键盘部分设计方案 系统设置有五个按键，分别为频率和相位切换键、运行和设置键、复位键、 移位键和加 1 键，并配有相应的指示灯。测定频率时，相应的频率指示灯点亮， 测定相位时，相应的相位指示灯点亮；只用运行和设置键处在设置状态时(设置 S1 S2 S3 S4 M C U 移位 寄存器 移位 寄存器 移位 寄存器 移位 寄存器 1# 2# 3# 4# 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 16 状态灯点亮状态)，移位键和加 1 键有效，用移位键来选定要显示数值数码管， 用加 1 键来控制对应数码管上数字量，再次按下运行和设置键，即该键处在运 行状态时(运行指示灯点亮状态)，移位键和加 1 键无效，通过示波器观察产生频 率或相位值；程序设计中 0 为设置状态，1 为运行状态。 2.3 软软件程序件程序设计设计 2.3.1 显显示子程序示子程序 由于系统显示信息量少，数码管显示驱动简单，故采用 4 位共阴极 LED 数 码管进行静态显示，单片机外接 4 个每秒传输 1 兆 bit 数据的 HEF4094 移位寄存 器(每个对应 1 个 LED 数码管)来控制数码管，通过串行口工作在方式 0 把数据 先送第一个数码管，依次向后传，直到一次(四个数据一组)传输结束，显示产生 的频率和相位值。该信号发生器可以显示频率值和相位值，同时启用定时/计数 器 2 配合工作，把 0359 度的正弦波信号对应值通过查表计算求得，程序见附 录。 2.3.2 键盘键盘控制子程序控制子程序 系统设置有五个按键，分别为频率和相位切换键、运行和设置键、复位键、 移位键和加 1 键，并配有相应的指示灯。测定频率时，相应的频率指示灯点亮， 测定相位时，相应的相位指示灯点亮；只用运行和设置键处在设置状态时(设置 状态灯点亮状态)，移位键和加 1 键有效，用移位键来选定要显示数值数码管， 用加 1 键来控制对应数码管上数字量，再次按下运行和设置键，即该键处在运 行状态时(运行指示灯点亮状态)，移位键和加 1 键无效，通过示波器观察产生频 率或相位值；程序设计中 0 为设置状态，1 为运行状态，程序见附录。 2.3.3 主控制程序主控制程序 软件部分采用模块化程序设计的方法，由主控制程序控制显示部分子程序 和键盘服务子程序。我们选用单片机 AT89S52 微控制器，它带有高寻址能力的 8K 字闪存 FLASH 以及 256 字节静态 RAM，具有 32 位可编程的多功能 I/O 端 口，3 个 16 位定时/计数器，系统把由单片机 AT89S52 的 P2 口送出的数字信号 经过模数转换芯片 TLC7524 转换成模拟信号，采用了两片模数转换芯片，复用 P2 口，以产生两路同频率不同相位的信号，再把这两路信号经过放大器 OPA2335 放大后送入示波器进行显示，计算相位差，程序见附录。 第二章 系统设计方案与实现 17 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 18 第三章第三章 系统测试与误差分析系统测试与误差分析 3.1 测试环测试环境和境和测试测试方法方法 (1)测试环境 时间：2009 年 5 月 20 日 温度：25C 0 (2) 测试仪器 双踪数字示波器 (3) 测试方法 装置产生的信号和实际用双路示波器读取的数据比对。 3.2 数据数据处处理分析理分析 先测试频率参数，从 1Hz、2Hz、5Hz、10Hz、20Hz、40Hz、50Hz 各个频 点测试比对，其误差在 5%范围内，系统复位状态如图 3-1 所示，选定频率测量 如图 3-2 所示。 图 3-1 系统复位状态图 第三章 系统测试与误差分析 19 图 3-2 频率为 50Hz 正弦波形 对上述各个频点进行相位测试，任选某频点下的任意(0359)相位，如 5、10、30、45、90、120、135、180、270、315 等测试，其误差均在 1% 范围内，测量如图 3-3、图 3-4、图 3-5 所示。 图 3-3 相位差为 240波形图 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 20 图 3-4 相位差为 120波形图 图 3-5 相位差为 0和 360波形图 从测量结果分析，在低频段相对准确，随频率的升高，精确度呈下降趋势， 原因是由于波形的产生受到程序运行时间限制，问题的解决应该着手于寻求相 位计算方法，也要对程序进行优化。 3.3 小小结结 本系统实现了题目基本部分的要求，经过测试，相位信号发生器的测量频 率范围为：1Hz60Hz，在该范围内波形能够稳定输出，相位人机交互接口采用 第三章 系统测试与误差分析 21 键盘模式。此信号发生器可以做变频调速器使用，若对其再加入一相信号，并 使其相位差互差 120 ，可以做三相信号发生器使用；由于单片机留有空闲的 I/O 口，因此可以进一步对系统的功能进行扩展，比如加入相位测量的自适应调节、 加入波形的打印功能或者加入语音播报的功能等，使得系统更趋于智能化、人 性化的特点。 此信号发生器可以做变频调速器使用，若对其再加入移相信号，并使其相 位差互差 120 ，可以做三相信号发生器使用；由于单片机留有空闲的 I/O 口， 因此可以进一步对系统的功能进行扩展，比如加入相位测量的自适应调节、加 入波形的打印功能或者加入语音播报的功能等，使得系统更趋于智能化、人性 化的特点。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 22 第四章第四章 总结与展望总结与展望 本系统实现了课题设计基本要求，经过测试，相位信号发生器的测量频率 范围为：1Hz60Hz，在该范围内波形能够稳定输出，相位人机交互接口采用键 盘模式。此信号发生器可以做变频调速器使用，若对其再加入移相信号，并使 其相位差互差 120 ，可以做三相信号发生器使用；由于单片机留有空闲的 I/O 口，因此可以进一步对系统的功能进行扩展，比如加入相位测量的自适应调节、 加入波形的打印功能或者加入语音播报的功能等，使得系统更趋于智能化、人 性化的特点。 通过本系统的开发，体会到了做硬件开发的乐趣和艰巨性。在开发本系统 的过程中，我不断遇到各种困难，例如可行的电路原理图的设计，PCB 板的布 线方式，以及软件编程方面。不过，在实验室同学们热心的帮助下所有问题最 后还是被我们一一化解了。这次系统开发对我最大的体会就是：关于电路和电 工的基本概念和原理是很重要的，对于这些理论我们一定要有透彻的理解，才 能在实际操作中避免发生各种错误，从而大大提高开发效率。 在此次项目开发中，我学到了很多知识。学会了 AT89S52、OPA2335、TLC7524 芯片的基本原理和应用，对 ATMEGA 系列单片 机有了进一步的了解。其次我学到了 Protel99 设计电路板的整个流程，包括画原 理图、分析和检查其功能及特性、布图布线等。熟悉软件的原理图库、PCB 库， 它们的画法，电工领域的一些规定和约定。接着学习了各器件的辨识、类型、 封装、值的标示以及如何焊到电路板上。 通过信号发生器产生的正弦波信号来模拟输入信号对各功能模块进行了测 试，并对测试结果进行了比较和分析。测试的结果表明：发生器的性能指标达 到了设计要求和性能指标。 由于本次系统设计开展的时间不长，而且期间要弥补的知识太多，还有很 多不完善的地方。以下是一些后续工作： (1)在程序算法方面需要进行优化和升级，对于同样的算法，不同的硬件实 现，不同的编程方式，都会得到效果截然不同的信号发生器，系统采用 C 语言 编辑，要继续深入学习，才能更透彻的理解原理，并设计出效果更好，波形更 清晰的信号发生器。 第四章 总结与展望 23 (2)再深入学习语句的执行，执行的效率，再用 C 设计好的程序，让程序执 行效率更高。 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 24 致致 谢谢 在论文完成之际，首先向关心帮助和指导我的指导老师孙云龙老师表示衷 心的感谢并致以崇高的敬意！在论文工作中，遇到了许多复杂而又难解决的问 题，一直得到孙老师的亲切关怀和悉心指导，使我遇到的问题迎刃而解。孙老 师以其严谨的治学态度、求实的工作作风和他敏捷的思维给我留下了深刻的印 象，我将终生难忘他对我的尊尊教诲。再一次向他表示衷心的感谢，感谢他为 学生营造的浓郁学术氛围，以及学习、生活上的无私帮助! 此外，还要特别感谢徐昌华工程师和聂开俊主任，在实验期间给予我很多 指导，实验过程中遇到的问题都耐心讲解，在与老师探讨的过程中我受益匪浅。 感谢我的师兄汤朱来、刘健，以及师姐孙彩铃对我