毕业设计（论文）-扫频信号发生器的设计.doc

本科毕业设计（论文）扫频信号发生器的设计全套设计加扣3012250582 燕山大学里仁学院2015 年 6 月 本科毕业设计（论文）扫频信号发生器的设计学 院：里仁学院 专 业：电子信息工程 答辩 日期：2015.6.21 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院：里仁学院 系级教学单位：电子与通信工程系 学号专 业班 级2011级电信5班题目题目名称扫频信号发生器设计题目性质1.理工类：工程设计 （ ）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.文管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1. 搜集、查阅有关信号发生器的资料，了解现有的扫频信号发生器技术；2. 自行设计一种扫频信号发生器，给出系统总体设计方案及软硬件设计方案；3. 搭硬件，硬件调试，编写软件，调试程序；4. 软硬件联调，性能分析。基本要求1. 查资料，了解扫频波形发生器的现状，原理并比较各自的特点；2. 给出自己的设计方案，完成系统总体方案设计，包括硬件原理框图和软件设计方案；3. 设计出并绘制具体的硬件电路图；4. 搭硬件电路并调试通过；编写软件并通过调试；5. 软硬件联调通过，给出系统的性能指标。参考资料1 智能仪器2 单片机原理3 有关扫频信号发生器的期刊文献周 次14周58周912周1316周1718周应完成的内容查资料，了解扫频发生器的现状，原理，总体方案设计硬件设计，搭电路调试硬件调试，软件编程，调试软硬件联调写论文，答辩摘要摘 要信号发生器作为测量系统中应用最为普遍的电子测量仪器之一，是工业控制、教学科研常用的基础仪器。传统的扫频信号发生器是利用电子元器件以各种不同的形式组成振荡器,其频率精度和稳定度都不高,而且工艺复杂,分辨率低。随着科学的发展和技术的不断提高，当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功率、高频率、精度、多功能、自动化和智能化方向发展。信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路，自动控制和科学实验等领域它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备扫频，是指信号在一个频段内，频率由高到低（或由低到高）连续变化的过程。 关键词扫频；信号发生器；单片机I 燕山大学本科生毕业设计（论文）AbstractAs one of the most common electronic measuring instruments, signal generator is the basic instrument for industrial control and teaching research. The traditional frequency - sweep signal generator is the electronic component with various forms of the oscillator, its frequency accuracy and stability are not high, and the process is complex, with low resolution. With the development of science and technology continue to improve, the current signal generator is the general trend is towards wide bandwidth rate coverage, low power, high frequency, precision, multi-functional, automated and intelligent direction. Signal generator is a common signal source, widely used in electronic circuits, automatic control and scientific experiments and other fields. It is a electronic measurement with the strict technical requirements of the signal equipment.The frequency of the signal is in a frequency range, and the frequency is from high to low (or from low to high).Keywords Single chip microcomputer; frequency sweep; signal generatorIII 目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 国内外研究动态21.3 论文结构5第2章 基本原理.7 2.1 信号发生器的种类.72.2 硬件系统整体设计9 2.3 本章小结.11第3章 系统硬件和软件部分13 3.1 STC12C5A60S2单片机核心板电路的介绍.13 3.2 DAC0832的介绍.16 3.3 LCD1602的内部结构和显示原理.18 3.4 系统的软件部分.24 3.5 本章小结.27结 论.29参考文献31致 谢33附录135附录239附录343附录448第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其是70年代微处理器的实现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能1。可以控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功率、高频率、精度、多功能、自动化和智能化方向发展。在市面上能看到的频率精度，宽带。波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。21世纪随着集成电路的高速发展，出现了许多频率可过GHz的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年Ag i lent的产品33220A能够产生17种波形，频率最高可达20M，2005年产品能够产生高达500MHz. 信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路，自动控制和科学实验等领域它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备因此，信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一。几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器2。信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器。早在二十年代，当电子设备刚开始出现时它就出现了。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量仪器，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。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单(与数字仪器相比)，因此发展速度较慢。直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展3。尤其是随着数字技术(如直接数字合成技术DDS)信号发生器之后，功能己远远超过传统的信号发生器。如DDS可以生成非常高的频率精度，比如DDS电路有一个48位计数器，它就可以提供高达48位的频率分辨率。如果DDS有波形存储器，那么DDS函数发生器可以重现任何波形。由此可见，DDS技术使得信号发生器朝着集成化、程控化、数字化、小型化、频率范围的宽带化、频率间隔的微细化、频率转化的高速化这样一个方向发展。这也必将使得信号发生器在信号合成、单片微型计算机简称单片机或微控制器。它将中央处理单元CPU、存储器(RAM，ROM)、定时计数器和多种IO、AD和DA转换器件集成在一块大规模集成电路芯片上，成为一个具有定规模、功能独特的计算机。因此，单片机只需要有适当的软件和外部设备，便可组成为一个控制系统。单片机种类己有几百种，从l位、4位、8位发展到16位、32位单片机，集成度越来越高，功能越来越强，应用也越来越广。随着嵌入式系统、片上系统等概念的提出及应用，单片机的发展又进入了一个新的阶段，单片机的体积更小、功能更齐全、可靠性更高。由于其明显的优势，单片机在智能仪器仪表、家用电器、智能玩具、通信系统、机械加工等各个领域都获得了广泛的应用4。扫频信号发生器是信号的频率随时间在一定范围内反复变化的正弦信号发生器， 扫频信号发生器是一种信号激励装置，是扫频仪的核心部件。扫频信号发生器产生测试用的扫频信号，它是扫频仪系统的核心部件5。1.2 国内外研究动态 传统的扫频信号发生器是利用电子元器件以各种不同的形式组成振荡器,其频率精度和稳定度都不高,而且工艺复杂,分辨率低。直接数字合成技术近年来得到了飞速发展,广泛使用在电信与电子仪器领域,是实现设备全数字化的一种关键技术6。利用 DDS 技术可以得到高精度的频率,其频率范围宽,相位分辨率高,频率转换时间短,而且体积小、功耗低、可编程,是目前设计扫频信号发生器最理想的一种方案. 国内外扫频仪的研究现状及分析目前国内外有许多生产扫频仪的厂家，他们的产品多种多样。美国安捷伦公司研制的 E8801A 矢量系统分析仪是一种高精度的仪器，它主要应用于对精密元器件的测量。这款仪器对速度和精度有非常高的要求。E8801A设置了多种功能，用户可以根据需要自由选择。它还具有很强的自测性能和自助工具，可以满足研发以及生产制造的要求。这款仪器有 16 个单独的测试端，仪器内嵌有硬盘驱动器，还有一个鼠标接口。它的频率范围为 300KHz3GHz,扫频速度为 35 us /点7 。德国研制的多功能系统检测仪 200，主要应用在一些线缆的测试上，如双绞线及同轴线，它的自动测试性能非常好，在短短 25 秒内就能够实现测量，用户能够根据自己的需要选择不同的测试标准和电缆类型，测量频率可达 200MHZ。它的内存很大，能够存储 500 个测量值。这款仪器还有一个时域反射仪（TDR） ，能够测试线路的多种故障，检测各种连接错误并且能够分辨电缆 。德力 DEVISER 研发制造的 DS7710A/B 系统分析仪运用当前比较前沿的 DDS 数字化频率合成技术，精度非常高，具有 10Hz 的高分辨率，这款仪器的性能、技术指标都非常高，目前主要用于 CATV 及电子元器件的研发制造领域，得到了广大用户的认可。 它的频率范围：300KHz1300MHz，频率分辨率：100Hz 。北京恒泰科贸有限公司研发的 HT-1252 系列频率特性测试仪多数用于雷达、 广播和电视、共用天线、有线电视放大器、发射接收仪器的扫频动态测试。这款仪器有一个大屏幕，界面非常清楚，方便用户观察并分析测量结果。其 HT-1252-I 频率特征测试仪，频率测试范围：5MHz1GHz，2 GHz2.8 GHz 8。通过对市面上现有扫频仪产品的调研， 我们发现现在的扫频仪已经走向数字化和智能化，应用范围也越来越广阔，技术指标也越来越高。但是国内外的频率特性测试仪价格一般都比较高9。因此，我们要设计一种性价比高的扫频仪，能够满足某些特定系统的测试要求，我设计的扫频信号发生器的核心是单片机。单片机问世以来所走的路程与微处理器是不同的。微处理器向着高速运算、数据分析与处理能力、大规模容量存储等方向发展，以提高通用计算机的性能。其接口界面也是为了满足外设和网络接口而设计的。单片机则是从工业测控对象、环境、接口特点出发，向着增强控制功能、提高工业环境下的可靠性、灵活方便的构成应用计算机系统的界面接口的方向发展。因此，单片机有着自已的特点，主要是：l、体积小，集成度高单片机的集成度很高，这是单片机家族最显著的特点之一，这是任何微型计算机都无法比拟的。2、性能高，价格低性能价格比是衡量电子系统的主要技术和经济指标，单片机集CPU、存储器和IO功能于一身，可像一块集成电路一样嵌入到系统中起着智能控制作用，但其价格像普通IC一样低廉，电子产品和系统的设计人员通常都把单片机定为首选部件作为控制核心。单片机优异的性能和低廉的价格，极大地推动了单片机市场的迅速发展。它为传统电子产品的智能化改造和新产品的研发提供了有力支持和保障。3、高可靠，低功耗单片机应用于测控领域，往往要接受恶劣环境的挑战。单片机在体系结构和指令系统方面都进行了针对性设计。它集成了存储器和IO接口，极大地减少了外围引线和外接器件，大大降低了外界干扰对系统的侵入。在运行方式上增加了掉电保护和程序运行监视系统(WATCHDOG)功能，大大提高了用单片机构成系统工作的可靠性10。自20世纪80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺代替，功耗也大幅度下降。4、多档并存，各得其所单片机另一显著特点是，高低档并存，各得其所。这是由单片机应用领域的广泛性和多样性所决定的。单片机作为测控领域中的一个主要机种，可靠的控制功能是其主要特点所在。而控制领域面对的对象多种多样，4位、8位、16位、32位机各有其不同的应用对象。因此，在相对较长的时间内，多档并存的局面是必然的11。5、控制功能强为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中具有极丰富的条件分支转移指令、IO口的逻辑操作以及位处理功能。一般说来，单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微处理器。6、由于体积小，易于构成嵌入式系统。1974年，美国仙童公司研制的世界第一台单片微型机F8。该机有两块集成电路芯片组成，结构奇特，具有与众不同的指令系统12。从此，单片机开始迅速发展，应用领域也在不断扩大现已成为微型计算机的重要分支，单片机的发展过程通常可以分为以下几个发展过程。l、第一代单片机(19741976)：这是单片机发展的起步阶段。在这个时期生产的单片机特点是，制造工艺落后和集成度低，而且采用了双片形式典型的代表产品有Fairchild公司的F8和Mostek387公司的3870等。2、第二代单片机(19761 978)：这是单片机的第二发展阶段这个时代生产的单片机虽然已能在单块芯片内集成CPU、并行口、定时器、RAM和ROM等功能部件，但性能低品种少，应用范围也不是很广，典型的产品有Inrel公司的MCS48系列机。3、第三代单片机(19791982)：这是八位单片机成熟的阶段。这一代单片机和前两代相比，不仅存储容量和寻址范围大，而且中断源、并行IO口和定时器计数器个数都有了不同程度的增加，集成了全双工串行通信接口电路。在指令系统方面，普遍增设了乘除法和比较指令。这一时期生产的单片机品种齐全，可以满足各种不同领域的需要。代表产品有Intel公的MCS5l系列机，Motorola公司的MC6801系列机，TI公司的TMS7000系列机，此外，Rockwell，NS，GI和日本松下等公司也先后生产了自己的单片机系列。4、第四代单片机(1983年以后)：这是十六位单片机和八位高性能单片机并行发展的时代。十六位机的特点是工艺先进，集成度高和内部功能强，加法运算速度可达到lus以上，而且允许用户采用面向工业控制的专用语言，如PLMPLUS C和Forth语言等。代表产品有Intel公司的MCS96系列，TI公司的TMS9900，NEC公司的783系列和NS公司的HPCI6040以及凌阳公司的SPCE061A单片机等13。目前，单片机发展具体体现在CPU功能增强、内部资源增多、引脚的多功能化和低电压低功耗等方面。161单片机的问世和飞速发展掀起了计算机工程应用的一场新革命，使计算机技术冲破了实验室和机房的界限，广泛地应用于工业控制系统、数据采集系统、自动测试系统、智能仪表和接口以及各类功能模块等广阔的领域。单片机应用系统已经成为实现许多控制系统的常规性工具。我们说，单片机开辟了计算机应用的一个新时代并不过分的14。单片机的发展历史虽然只有30余年，但由于计算机科学和微电子集成技术的飞速发展，单片机自身也在不断地向更高层次和更大规模发展。世界各大半导体厂商纷至沓来争先挤入这一市场，激烈的市场竞争也促进了单片机迅速更新换代，带来了它们更为广泛的应用。由于单片机应用系统的高可靠性，软、硬件的充分利用，优异的性能价格比，使它的应用范围由开始传统的过程控制，逐步进入数值处理、数字信号处理以及图像处理等高技术领域15。1.3 论文结构第1章为绪论，阐述课题研究背景和意义，讨论课题研究的主要内容以及课题研究方法。第2章为设计基本原理，阐述系统总体设计方案，总的逻辑框图等。第3章为系统详细的设计方案，包括原理图，仿真，电路图片等。5 第2章 扫频信号发生器的设计 第2章 扫频信号发生器的设计2.1 信号发生器的种类 信号发生器作为电子测量系统中应用最为普遍的电子测量仪器之一，是工业控制、教学科研常用的基础仪器。随着DDS技术和单片机技术的不断发展，具有智能化的信号发生器不断问世，其中仪器都采用了直接数字频率合成技术。直接数字频率合成技术(Digital Direct Synthesis)的发展速度和应用范围之广令人惊奇，从七十年代到今天，人们从未间断对DDS技术及其应用的研究。随着计算机技术和电子技术的不断发展，具有频率分辨率高、频率转换快、相位噪声低和全数字化等优点的DDS信号发生器在教学科研、通信、仪器仪表、测量控制等电子系统发挥更大的作用。信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路，自动控制和科学实验等领域它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备因此，信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一。几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。信号发生器是一种历史最为悠久的测量仪器。早在二十年代，当电子设备刚开始出现时它就出现了。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量仪器，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。由于早期的信号发生机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单(与数字仪器相比)，因此发展速度较慢。直到1964年才出现了第一台全晶体管的信号发生器。自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。尤其是随着数字技术(如直接数字合成技术DDS)iJI入信号发生器之后，功能己远远超过传统的信号发生器。如DDS可以生成非常高的频率精度，比如DDS电路有一个48位计数器，它就可以提供高达48位的频率分辨率。如果DDS有波形存储器，那么DDS函数发生器可以重现任何波形。由此可见，DDS技术使得信号发生器朝着集成化、程控化、数字化、小型化、频率范围的宽带化、频率间隔的微细化、频率转化的高速化这样一个方向发展。这也必将使得信号发生器在信号合成、仪器仪表、现代通信、软件无线电等领域得到更加广泛的应用。信号发生器的种类多，主要有正弦信号发生器、低频信号发生器、高频信号发生器、微波信号发生器、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器、函数发生器、随机信号发生器、噪声信号发生器、伪随机信号发生器。并且每种信号发生器都有其自己的特点和作用。信号发生器的种类：1、正弦信号发生器正弦信号发生器：正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器;按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器(即信号源)、标准信号发生器(输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下)和功率信号发生器(输出功率达数十毫瓦以上);按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。2、低频信号发生器：包括音频(20020000赫)和视频(1赫10兆赫)范围的正弦波发生器。主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。3、高频信号发生器：频率为 100千赫30兆赫的高频、30300兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。主要用途是测量各种接收机的技术指标。输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。(图1)的输出信号电平能准确读数，所加的调幅度或频偏也能用电表读出。此外，仪器还有防止信号泄漏的良好屏蔽。4、微波信号发生器：从分米波直到毫米波波段的信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。 信号发生器的应用非常广泛，种类也相当繁多。信号发生器按照用途可以分为通用和专用两大类。专用信号发生器主要是为了某种特殊的测量目的而研制的。如电视信号发生器、编码脉冲信号发生器等。这种发生器的特性是受测量对象的要求所制约的：信号发生器按输出波形又可分为正弦波形发生器、脉冲信号发生器，函数发生器和任意波形发生器等：按其产生频率的方法又可分为谐振法和合成法两种。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。也可以通过频率合成技术来获得所需的频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，通常被称为合成信号发生器；按照输出的信号频率范围的不同可以分成六种不同的种类：超低频信号发生器(O001Hz-lkHz)、低频信号发生器(1Hz-10MHz)、视频信号发生器(20Hz-10MHz)、高频信号发生器(100kHz-30MHz)、甚高频信号发生器(4-300MHz)：按调制方式的不同，信号发生器可分为调频、调幅和脉冲调制等类型。2.2 硬件系统的总体设计 扫频信号发生器用来产生频率为20Hz200kHz的正弦信号(低频)。除具有电压输出外，有的还有功率输出。所以用途十分广泛，可用于测试或检修各种电子仪器设备中的低频放大器的频率特性、增益、通频带，也可用作高频信号发生器的外调制信号源。另外，在校准电子电压表时，它可提供交流信号电压。扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件(如变容管或磁芯线圈)来实现扫频振荡;在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。扫频信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频(高频)发射，这里的射频波就是载波，把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。有用机械方式控制可变电容来调整振荡频率产生扫频信号的，也有用压控振荡器来调节振荡频率产生扫频信号的。我设计的扫频信号发生器系统的原理框图如下: 图2.2-1系统原理框图原理框图分析：该波形发生器主要由单片机（STC12C5A60S2），数模转换电路（DAC0832）,电流/电压转换电路（TL082），按键和液晶1602显示电路等组成。其工作原理为当按下通过按下按键来进行切换波形，幅值可调，然后就会产生相对应的波形。 硬件设计有以下几大模块：1.按键电路，实现波形幅值。2.单片机核心电路，负责整个系统的工作流程。3.液晶显示电路，显示波形的频率，幅值。4.电源供电电路，给电路供电。5.数模转换电路，将数字信号转换成模拟信号。6.运放滤波电路，将模拟信号转换成电压信号，并通过滤波使输出的波形更加平缓。本系统是通过按键来进行整个系统的控制，LCD是用来显示当前的波形及频率的变化，电源为整个系统供电，是整个系统的保障，由一根USB线连接电脑和单片机。数模转换使整个系统的重点部分，它将单片机控制送来的数据转换成电压，整个过程的重点主要由DAC0832来完成。数据通过DAC0832芯片转换成电流信号，然后需要外部功率放大器来实现电流和电压之间的转换，最后输出波形。STC12C5A60S2单片机本身就是一个完整的微型计算机，具有组成微型计算机的各部分部件：中央处理器CPU、随机存取存储器RAM、只读存储器ROM、I/O接口电路、定时器/计数器以及串行通讯接口等。模拟信号可以通过模/数转换器转换成数字信号，再经过一定的数字信号处理算法，计算出波形的相关参数，并对波形进行重建送入到LCD液晶显示器中显示。体设计原理：基于STC12C5A60S2单片机构造示波器，利用运放电路及RC振荡回路进行滤波放大得到所需的信号，再通过AD采样将模拟信号转换成数字信号，接着控制器对数字信号进行处理，通过控制液晶显示器LCD1602显示信号的波形。硬件电路的设计决定一个系统的的功能，是设计的基础所在，而一般设计的目标：可靠，简洁，高效，优化，好的硬件电路可以给程序的编写带来极大的优势，同时使可以很好的提高该信号设计的精度和灵敏度，使整个系统工作协调有序。2.3本章小结本章主要介绍了信号发生器的种类以及信号发生器的发展，叙述了扫频的产生方法，描述了我设计的扫频信号发生器的原理及大致的流程图，最后讲了扫频信号发生器如何工作。29 第3章硬件部分和软件部分 第3章 系统的硬件和软件部分硬件电路的设计决定一个系统的的功能，是设计的基础所在，而一般设计的目标：可靠，简洁，高效，优化，好的硬件电路可以给程序的编写带来极大的优势，同时使可以很好的提高该信号设计的精度和灵敏度，使整个系统工作协调有序。系统的硬件原理图如下所示： 图3-1 STC12C5A60S2单片机核心板3.1 STC12C5A60S2单片机核心板电路的介绍模数转换器件是数字示波器的关键器件，它的性能直接关系到示波器的多个关键指标，STC12C5A60S2单片机虽然是8路10位AD转换，但本次课设只取了其中的8位。一般来说，AD选择主要考虑以下参数：分辩率指数字量变化一个最小量时模拟信号的变化量，一般用位数表示，比如最小变化时模拟信号变化了满刻度的 1/256，则称为8位转换速率是指完成一次从模拟信号转换到数字信号的 AD 转换所需的时间的倒数。常用单位是看ksps 和Msps，表示每秒采样千/百万次。量化误差，由于 AD 的有限分辩率而引起的误差，即有限分辩率 AD 的阶梯状转移特性曲线与无限分辩率 AD(理想 AD)的转移特性曲线(直线)之间的最大偏差。通常是 1 个或半个最小数字量的模拟变化量，表示为 1LSB、1/2LSB。偏移误差输入信号为零时输出信号的值，可外接电位器，将其调至最小。满刻度误差满度输出时对应的输入信号与理想输入信号值之差。线性度实际转换器的转移函数与理想直线的最大偏移，不包括以上三种误差。其他指标包括：绝对精度，相对精度，微分非线性，单调性和无错码，总谐波失真)和积分非线性。考虑到示波器需要的转换速率要求比较高，并且本设计采用的是 128*64像素的液晶屏，所以 8 位精度的 AD可以满足要求。单片机也叫做微控制器或者嵌入式微控制器。它不是完成某一个逻辑功能的芯片，而是把一个微型计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它体积小、质量轻、价格便宜，为学习、应用和开发提供了便利条件。近年来，微处理器已广泛应用于多种领域，尤其是在智能仪器仪表中的应用更是如此，这不仅引起了产品本身的变革，也深深地影响设计的理念的变革。智能仪器仪表作为一种智能系统，其核心在于微处理器。基于微处理器的智能系统设计，已成为目前电子设计领域的一个热点。智能系统是一个复杂的系统，一般包含微处理器、按键与显示人机界面、A/D转换、D/A转换等基本功能部件，同时也包含与应用领域相关的其他特殊部件。智能系统一般需要在恶劣的环境下长期连续地工作，因此在满足功能的基础上，其可靠性也是设计时需要考虑的一个方面，目前已经普遍应用于通信、雷达、遥控和自动控制等各个领域中。单片机的主要特性，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍； 工作电压为5.5V - 3.3V；工作频率范围为0 - 35MHz；用户应用程序空间为8k字节；片上集成1280字节RAM；含通用I/O口，每个I/O驱动能力均可达20mA，复位后为普通8051传统I/O口，可设置成普通、推挽、高阻、开漏4种模式；ISP/IAP，无需专用编程器，无需专用仿真器；可通过串口直接下载用户程序，数秒即可完成一片；有EEPROM功能；看门狗；内部集成MAX专用复位电路、2路PWM、8路高速10为A/D转换；外部掉电检测电路：在P4.6口有一个低压门槛比较器。时钟源：外部高精度晶体(晶振22.1184MHz)，内部R/C振荡器，用户在下载程序时可选择使用类型；有两个与传统8051兼容的定时器/计数器；外部中断I/O口7路，传统的下降沿终端或低电平触发中断；工作温度范围：0-75本次毕业设计中单片机核心板的主要实现芯片为STC12C5A60S2，该系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰新一代8051单片机。本单片机的复位电路有两种，即上电复位电路和按键复位电路。上电复位是单片机上电时复位操作，保证单片机上电后立即进入规定的复位状态。按键复位电路即要实现复位的话，只要按下RESET键即可。它主要是利用电阻的分压来实现的。上电复位要求接通电源后，单片机自动实现复位操作。上电瞬间RESET引脚获得高电平，随着电容的充电，RERST引脚的高电平将逐渐下降。RERST引脚的高电平只要能保持足够的时间(2个机器周期)，单片机就可以进行复位操作。 3-2数模转换图3.2 DAC0832的介绍 * D0D7：8位数据输入线，TTL电平，有效时间应大于90ns；* ILE：数据锁存允许控制信号输入线，高电平有效；* CS：片选信号输入线（选通数据锁存器），低电平有效；* WR1：数据锁存器写选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由ILE、CS、WR1的逻辑组合产生LE1，当LE1为高电平时，数据锁存器状态随输入数据线变换，LE1的负跳变时将输入数据锁存；* XFER：数据传输控制信号输入线，低电平有效，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效；* WR2：DAC寄存器选通输入线，负脉冲（脉宽应大于500ns）有效。由WR2、XFER的逻辑组合产生LE2，当LE2为高电平时，DAC寄存器的输出随寄存器的输入而变化，LE2的负跳变时将数据锁存器的内容打入DAC寄存器并开始D/A转换。* IOUT1：电流输出端1，其值随DAC寄存器的内容线性变化；* IOUT2：电流输出端2，其值与IOUT1值之和为一常数；* Rfb：反馈信号输入线，改变Rfb端外接电阻值可调整转换满量程精度；* Vcc：电源输入端，Vcc的范围为+5V+15V；* VREF：基准电压输入线，VREF的范围为-10V+10V；* AGND：模拟信号地；* DGND：数字信号地。根据对DAC0832的数据锁存器和DAC寄存器的不同的控制方式，DAC0832有三种工作方式：直通方式、单缓冲方式和双缓冲方式。1、单缓冲方式。单缓冲方式是控制输入寄存器和DAC寄存器同时接收资料，或者只用输入寄存器而把DAC寄存器接成直通方式。此方式适用只有一路模拟量输出或几路模拟量异步输出的情形。2、双缓冲方式。双缓冲方式是先使输入寄存器接收资料，再控制输入寄存器的输出资料到DAC寄存器，即分两次锁存输入资料。此方式适用于多个D/A转换同步输出的情节。3、直通方式。直通方式是资料不经两级锁存器锁存，即 CS*，XFER* ，WR1* ，WR2* 均接地，ILE接高电平。此方式适用于连续反馈控制线路和不带微机的控制系统，不过在使用时，必须通过另加I/O接口与CPU连接，以匹配CPU与D/A转换DAC0832引脚功能电路应用原理图DAC0832是采样频率为八位的D/A转换芯片，集成电路内有两级输入寄存器，使DAC0832芯片具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适于各种电路的需要(如要求多路D/A异步输入、同步转换等)。所以这个芯片的应用很广泛,关于DAC0832应用的一些重要资料见下图： D/A转换结果采用电流形式输出。若需要相应的模拟电压信号，可通过一个高输入阻抗的线性运算放大器实现。运放的反馈电阻可通过RFB端引用片内固有电阻，也可外接。DAC0832逻辑输入满足TTL电平，可直接与TTL电路或微机电路连接。滤波电路是一种能使有用频率信号通过而同时抑制无用频率信号的电子装置。工程上常用它来作信号处理，数据传送和抑制干扰等。以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，随着集成运放获得了迅速发展，由R、C组成的滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。RC组成的滤波电路,如果不加低通滤波器,也能够生成波形，但是产生的信号中毛刺很多，加一个低通滤波器起到的滤波的作用。3.3 LCD1602的内部结构和显示原理显示模块负责显示噪声的大小，本系统采用的显示器件是LCD1602字符型液晶显示器。LCDl602 可分为2 行共显示32个字符，每行显示16个字符；其可与8位或4位微处理器连接；内藏式字符发生器ROM，可提供160种工业标准字符，包括全部大小写字母、阿拉伯数字及日文片假名，以及32个特殊字符或符号的显示；内藏RAM可根据用户的需要，由用户自定义字符或符号；+5V单电源供电；低功耗(10mW)。LCD1602引脚功能如表3-3所示，其中RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器；R/W 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。 当 RS 和 R/W 共同为低电平时可以写入指令或者显示地址， 当 RS 为低电平 R/W 为高电平时，可以读忙信号，当 RS 为高电平 R/W 为低电平时可以写入数据；E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。液晶显示模块连接电路如图3-4所示： 图3-4 液晶显示模块电路图LCD1602液晶显示器实物如图3-5所示：LCD1602 内部结构由DDRAM、CGROM、IR、DR、BF、AC 等大规模集成电路组成，其各部分的功能如下：(1) DDRAM 为数据显示用的RAM，用以存放要显示的数据；(2)CGRAM 为字符产生RAM，可供使用者存储特殊造型的造型码；(3) IR 为指令寄存器，负责存储MCU 要写给LCD 的指令码；(4) DR 为数据寄存器，它们负责存储单片机要写到CGRAM 或DDRAM 的数据；(5) BF 为忙碌信号，当BF 为l 时，不接收单片机送来的数据或指令；当BF 为0 时，接收外部数据或指令。所以在写数据或指令到LCD 之前，必须查看BF 是否为0；(6) AC 为地址计数器，负责计数写入/读出CGRAM 或DDRAM 的数据地址。 LCD1602的显示原理，LCD1602通过指令寄存器IR接收来自MCU的指令，设置其工作模式和数据地址，将其写入相应地址的DDRAM，显示器便会在屏幕的相应位置显示该ASCII码所对应的字符。1602 的内部显示地址如图所示，假如需要在第一行第五列写入字符，并不是直接写入05H就可以将光标定位在第一行第五个字符的位置，因为写入显示地址时要求最高位D7恒定为高电平，所以实际写入的数据应该是：00000101B(05H)+10000000B(80H)10000101B(85H)。 LCD1602的内部显示地址 图3-6电源电路电源电路为整个系统供电，保证系统的正常工作。 图3-7上拉电阻 图3-8按键电路 图3-9晶振电路 晶振电路的作用是为系统提供基本的时钟信号，晶振电路产生时钟信号，是为了保证处理器工作按一定的时序进行，晶振电路采用晶体振荡器，Y2为晶体振荡器产生振源。 图 3-10复位电路 上电的一瞬间，电压不是直接跳变到单片机可工作的电压范围。并且在外部输入电压较低的时候（电压在临界范围），这时候单片机可能工作可能不工作，所以会引起芯片内程序的无序执行。所以复位电路需要确保在上电时候暂时不让单片机立刻进入工作状态，这就是上电