通信工程毕业设计（论文）-多功能函数信号发生模块的硬件设计.doc

西安工业大学北方信息工程学院西安工业大学北方信息工程学院 本科毕业设计本科毕业设计( (论文论文) ) 题目题目：多功能函数信号发生模块的硬件设计多功能函数信号发生模块的硬件设计 系系 （部）：（部）： 电子信息工程 专专 业：业： 通信工程 班班 级：级： 学学 生：生： 学学 号：号： 指导教师：指导教师： 2011 年 06 月 毕业设计（论文）任务书 院（系） 电子信息系 专业 通信工程 班级 B070310 姓名 赵超 学号 B07030121 1.毕业设计(论文)题目： 多功能函数信号发生模块的硬件设计 2.题目背景和意义：函数信号发生器是电子测量、电子产品及设备开发调试及电子工程相 关课程实验必备的仪器设备之一，除供通信、仪表和信号采集处理、自动控制系统测试用 外，还广泛用于其他非电测量领域。随着电子仪器设备的数字化、智能化，ARM 处理器越 来越多的应用到实验仪器设备中，不仅提高了设备的效率，而且增强了设备的功能，减小 了设备体积。本课题将结合函数信号发生芯片和 ARM 处理器设计一个多功能的函数信号 发生模块，该函数信号发生模块可产生多种波形、频率范围宽，且使用方便、可通过计算 机进行操作、便于携带，可应用于各种需要信号源的场合。 3.设计(论文)的主要内容(理工科含技术指标)：本课题主要完成整个函数信号发生模块的硬 件设计与开发，其研究与实现需综合利用 ARM 技术、函数信号发生芯片、电平转换芯片、 高速运放及 EDA 工具进行，具体设计内容如下： （1）熟悉使用 EasyARM2103 开发板及 MAX038 芯片使用； （2）完成设计方案分析及确定； （3）完成硬件原理的设计与原理图的绘制； （4）完成 PCB 的设计及焊接、调试 （5）合作完成软硬件联调。 主要技术指标： （1）可产生多种波形，包括正弦波、方波、三角波； （2）产生的信号的频率为 2-20MHZ； （3）信号幅度、信号占空比、频率可连续调节； （4）信号发生模块要求体积小、便于携带且使用方便。 4.设计的基本要求及进度安排(含起始时间、设计地点)：本设计要求完成整个函数信号发生 模块的硬件设计及调试，并进行软硬件联调。设计工作要求严格按照学校的计划安排和各 项规范进行，保质保量完成任务书中各项工作，技术指标满足要求并认真撰写学位论文。 毕业设计工作的进度安排如下： 第 1 周第 2 周：查找资料，做前期的准备工作，学习相关的软件开发环境的使用； 第 3 周第 4 周：方案设计分析确定，撰写开题报告，准备开题答辩； 第 5 周第 7 周：熟悉开发环境，进行原理图的绘制； 第 8 周第 10 周：运用 Protel99se 软件进行 PCB 板的设计制作； 第 11 周第 12 周：将软件和硬件联起来进行调试； 第 13 周第 15 周：撰写毕业论文，进行毕业答辩。 5.毕业设计(论文)的工作量要求 撰写 15000 字论文 实验(时数)*或实习(天数)： 300 学时 图纸(幅面和张数)*： A4 两张 其他要求： 完成与课题相关的 3000 左右的文献资料翻译 指导教师签名： 年 月 日 学生签名： 年 月 日 系主任审批： 年 月 日 说明：1 本表一式二份，一份由学生装订入册，一份教师自留。 2 带*项可根据学科特点选填。 I 多功能函数信号发生模块的硬件设计多功能函数信号发生模块的硬件设计 摘摘 要要 函数信号发生器是电子测量，电子产品及设备开发调试及电子工程相关课程实 验必备的仪器设备之一，除供通信，仪表和信号采集处理，自动控制系统测试使用 以外，还广泛用于其他非电测量领域。 课题针对信号发生器在电子设计领域的广泛应用而提出，结合集成函数信号产 生模块、ARM 技术及 EDA 技术，完成一套多功能、便携且操作简单方便的函数信 号发生模块的硬件设计。模块中函数信号产生芯片采用 MAX038 芯片；信号产生芯 片的工作由 ARM 处理器 LPC2103 控制；信号的放大基于高速运放 AD811；电平转 换基于 MAX232 芯片进行；频率的微调基于 DAC0832 及 LM324 进行。论文首先介 绍了基于 ARM 的函数信号发生模块的设计方案；其次对课题实现的相关技术及芯 片进行了介绍，包括 ARM 技术、 LPC2103、MAX038、AD811、DAC0832、LM324、B0505、CD4051 及 MAX232 等 芯片；在此基础上，进行了模块硬件原理图的设计；最后进行了 PCB 的设计制作。 所设计的信号发生模块以 LPC2103 开发板为基础结合软件进行了调试，运行正 常，功能符合设计要求。 关键词：关键词：信号发生模块；ARM；LPC2103； MAX038 II The Hardware Design of Multi Function Signal Generating Module Abstract Function Signal Generator is one of the foundmental devices in electronic measurement, electronic product design and debugging, and experiment of electronic- related courses. The Paper for the signal generator in the extensive application of electronic design field, will combine the function signal generator module, ARM and EDA technology, and then complete a multi-functional, portable and easy operation function signal generator module design. Function signal generator based on MAX038 chip; Signal generated by the ARM processor chip LPC2103 control; Signal amplification based on high-speed op AD811; Level converter based on MAX232 chip; Frequency tuning were based on the DAC0832 and the LM324.The Paper first introduced the design schema; then introduced the related technology and chips to achieve the subject, including the ARM technology, LPC2103, MAX038, AD811，DAC0832, LM324 , B0505, CD4501 and MAX232, etc.Based on this,the hardware of the Function Signal Generator is designed. Combinig with software design,the designed signal generator module is debugged and tested by the use of LPC2103 development board.The debug result shows that the module works well,satisfying the design requirements. Key words: signal generator module; ARM; LPC2103; MAX038 III 目目 录录 摘摘 要要.I ABSTRACT.II 目目 录录.III 1 绪论绪论.1 1.1 前言.1 1.2 课题研究的意义.1 1.3 相关技术现状.2 1.3.1 波形产生技术.2 1.3.2ARM 技术现状.2 1.3.3EDA 技术的现状.4 1.4 课题的主要研究内容.5 1.5 课题研究的重点、难点.5 1.5.1 课题研究的重点.5 1.5.2 课题研究的难点.6 1.6 论文的结构安排.6 2 系统设计方案系统设计方案.7 2.1 系统功能概述.7 2.2 课题设计及方案论证.7 2.2.1 制作函数发生器的方案一.7 2.2.2 制作函数发生器的方案二.7 2.2.3 制作函数发生器的方案三.7 2.2.4 制作函数发生器的方案四.7 2.3 系统整体方案选择.8 2.4 相关技术选择.8 2.4.1 处理器的选择.8 2.4.2 信号产生芯片的选择.9 2.4.3 电压转化芯片的选择.9 2.4.4 电平转换芯片的选择.9 2.4.5 功率（信号）放大芯片的选择.10 3 相关技术介绍相关技术介绍.11 IV 3.1LPC2103 处理器.11 3.2 信号发生模块 MAX038 芯片.12 3.3 电平转换模块 MAX232 芯片.13 3.4DAC0832 芯片的介绍.14 3.5CD4501 芯片的介绍.15 3.6B0505 芯片.15 3.7LM324 芯片.16 3.8TLC5618 芯片.17 3.9AD811 芯片 .17 4 系统硬件原理设计系统硬件原理设计.18 4.1 电源模块电路设计.18 4.1.1 5V1.8V 电源转换电路设计.18 4.1.2 5V3.3V 电源转换电路设计.18 4.1.3 5V -5V 电源转换电路设计.18 4.2 硬件功能及模块化分.19 4.3LPC2103 处理器电路设计.19 4.3.1 处理器电路排列.19 4.3.2 去耦电路的设计.20 4.3.3 晶振电路的设计.21 4.3.4 复位电路的设计.22 4.3.5JTAG 接口电路的设计.23 4.4 基于 MAX038 的信号产生电路设计.25 4.4.1 波形选择电路设计.25 4.4.2 频段选择电路设计.26 4.4.3D/A 转换电路设计.28 4.4.4 占空比微调电路设计.28 4.4.5 频率微调电路设计.29 4.5 电平转换模块电路设计.31 4.6 信号放大电路设计.32 5 系统调试系统调试.33 5.1 系统硬件调试.33 5.2 软硬件联调.35 5.3 遇到问题改进.35 6 结论结论.36 V 6.1 设计总结.36 6.2 设计收获和体会.36 6.3 设计不足和改进.37 参考文献参考文献.38 致致 谢谢.40 毕业设计（论文）知识产权声明毕业设计（论文）知识产权声明.41 毕业设计（论文）独创性声明毕业设计（论文）独创性声明.42 附录附录 A 系统整体原理图系统整体原理图.43 1 绪论 1 1 绪论绪论 1.1 前言前言 函数信号发生器是电子测量，电子产品及设备开发调试及电子工程相关课程实 验必备的仪器设备之一，除供通信，仪表和信号采集处理，自动控制系统测试用外， 还广泛用于其他非电测量领域。本课题的名称是“多功能函数信号发生模块的硬件 设计” ，针对信号发生器在电子设计领域的广泛应用而提出，将结合函数信号产生模 块、ARM 技术及面向对象编程技术，完成一套多功能、便携且操作简单方便的函数 信号产生模块的设计。课题主要完成整个模块的硬件原理设计及核心功能实物的焊 接、制作及调试。 1.2 课题研究的意义课题研究的意义 课题将结合函数信号发生芯片和 ARM 处理器设计一个可以产生多种波形，频 率范围宽，使用方便，便于携带的函数信号发生模块，可用于各种需要信号源的场 合。随着电子仪器设备的数字化、智能化、ARM 处理器越来越多的应用到实验仪器 设备中，不仅提高了设备的效率，而且增强了设备的功能，减小了设备体积。本课 题研究的信号发生模块，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。能够产生多种 波形，如三角波，锯齿波，矩形波（含方波） ，正弦波的信号发生模块被称为函数信 号发生模块。函数信号发生器是电子测量，电子产品及设备开发调试及电子工程相 关课程实验必备的仪器设备之一，其主要应用场合有： （1） 供通信，仪表和信号采集处理，自动控制系统测试用，作为测试信号源。 例如在通信，广播，电视系统中，都需要射频（高频）发射这里的发射波就是载波， 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信号源。 （2） 应用于工农业生产中，如高频感应加热，熔炼，超声诊断核磁共振成像 等都需要功率或大或小，频率或高或低的信号源。 （3） 应用于电子实验中，产生信号，并以其为基础分析电路系统的功能并进 行电路系统的调试。 （4） 还可广泛用于其他一些非电测量领域。 传统的信号源一般体积较大，并且通常是不具备通过计算进进行操作的功能的， 在一些特定的应用场合使用不是很方便。本课题将结合函数信号发生芯片和 ARM 处理器设计一个可以产生多种波形，频率范围宽，使用方便，便于携带的函数信号 发生模块，可应用在各种需要产生信号源的场合。信号产生模块是电子设计及实验 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 2 最常用的设备之一，设计便携、使用方便、功能强大的信号产生模块具有很好的实 际意义和使用价值。 1.3 相关技术现状相关技术现状 在本课题的研究及设计过程中综合运用了 ARM 技术、波形产生技术、EDA 技 术。现对课题实现的相关技术现状做简要的介绍： 1.3.1 波形产生技术波形产生技术 信号发生模块是各种测试和实验过程中不可缺少的工具。而且信号发生模块的 设计方法多，设计技术也越来越先进。随着我国经济和科技的发展，信号发生模块 的设计方式有以下几种： (1) 利用振荡电路和整形电路利用振荡电路和整形电路 用这种信号产生方法，信号源功能较少，波形不丰富，精度不高，频率上最高 只能达到 300KHZ，无法产生更高频率的信号；在调节方式上,频率和占空比不能独 立调节，两者相互影响，其工作不稳定。 (2) 采用专用直接数字合成采用专用直接数字合成 DDS 芯片芯片 用这种方式设计的的函数信号发生模块理论上讲能产生任意波形并达到很高的 频率，但成本较高。 (3) 利用利用 DDS 波形产生技术波形产生技术 用 FPGA 和单片机相结合的方式实现频率控制。这种方式能够产生任意波形的信 号，并且所能达到的信号频率也较高，但需要大规模的 FPGA，并且设计实现相对较 复杂。 ( (4) ) 采用单片集成芯片的函数信号发生模块，如采用单片集成芯片的函数信号发生模块，如 MAX038MAX038 芯片。芯片。 集成的函数信号发生模块可以达到很高的频率，精度好，且易于调试，也被称 为高频精密函数信号发生模块 IC。在函数信号产生、频率合成器，脉宽调制器等电 路的设计上，都是优选的器件；例如 MAX038 可以达到很高的频率，精度好，且易 于调试，因此它被称为高频精密函数信号发生模块 IC。在频率合成器，脉宽调制器 等电路的设计上，MAX038 都是优选的器件。它克服了以上中的缺点可以达到更高 的技术指标。 1.3.2ARM 技术现状技术现状 ARM（Advanced RISC Machines） ，既可以认为是一个公司的名字，也可以认为 是对一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。1991 年 ARM 公司成立 于英国剑桥，主要出售芯片设计技术的授权。目前，采用 ARM 技术知识产权 （IP）核的微处理器，即我们通常所说的 ARM 微处理器，已遍及工业控制、消费 类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品。基于 ARM 技术的微处 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 3 理器应用约占据了 32 位 RISC 微处理器 75%以上的市场份额，ARM 技术正在逐步 渗入到生活的各个方面。 到目前为止，ARM 微处理器及技术的应用几乎已经深入到各个领域，内核有以 下几种： ARM7 处理器采用了 ARMV4T（冯诺依曼）体系结构，这种体系结构将程序 指令存储器和数据存储器合并在一起2。主要特点就是程序和数据共用一个存储空 间，程序指令存储地址和数据存储地址指向同一个存储器的不同物理位置，采用单 一的地址及数据总线，程序指令和数据的宽度相同。这样，处理器在执行指令时， 必须先从存储器中取出指令进行译码，再取操作数执行运算。总体来说 ARM7 体系 结构具有三级流水、空间统一的指令与数据 Cache、平均功耗为 0.6mW/MHz、时钟 速度为 66MHz、每条指令平均执行 1.9 个时钟周期等特性。其中的 ARM710、ARM720 和 ARM740 为内带 Cache 的 ARM 核。ARM7 指令集同 Thumb 指令集扩展组合在一起，可以减少内存容量和系统成本。同时，它还利用嵌入式 ICE 调试技术来简化系统设计，并用一个 DSP 增强扩展来改进性能。ARM7 体系结 构是小型、快速、低能耗、集成式的 RISC 内核结构。该产品的典型用途是数字蜂 窝电话和硬盘驱动器等，目前主流的 ARM7 内核是 ARM7TDMI、ARM7TDMI- S、ARM7EJ-S、ARM720T。现在市场上用得最多的 ARM7 处理器有 Samsung 公司 的 S3C44BOX 与 S3C4510 处理器、Atmel 公司的 AT91FR40162 系列处理器、Cirrus 公司的 EP73xx 系列等。通常来说前两三年大部分手机基带部分的应用处理器基本 上都以 ARM7 为主。还有很多的通信模块，如 CDMA 模块、GPRS 模块和 GPS 模 块中都含有 ARM7 处理器。 ARM9 处理器采用 ARMV4T（哈佛）3体系结构。这种体系结构是一种将程序 指令存储和数据存储分开的存储器结构，是一种并行体系结构。其主要特点是程序 和数据存储在不同的存储空间中，即程序存储器和数据存储器。它们是两个相互独 立的存储器，每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统中的 4 套总线，程序的数据总线和地址总线，数据的数据总线和地址总线。这种分离的 程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获取指令字和操作数，从而提高 了执行速度，使数据的吞吐量提高了一倍。又由于程序和数据存储器在两个分开的 物理空间中，因而取指和执行能完全重叠。ARM9 采用五级流水处理及分离的 Cache 结构，平均功耗为 0.7mW/MHz。时钟速度为 120MHz200MHz，每条指令平 均执行 1.5 个时钟周期4。与 ARM7 处理器系列相似，其中的 ARM920、ARM940 和 ARM9E 处理器均为含有 Cache 的 CPU 核，性能为 132MIPS（120MHz 时钟， 3.3V 供电）或 220MIPS（200MHz 时钟） 。ARM9 处理器同时也配备 Thumb 指令扩 展、调试和 Harvard 总线。在生产工艺相同的情况下，性能是 ARM7TDMI 处理器 的两倍之多。常用于无线设备、仪器仪表、联网设备、机顶盒设备、高端打印机及 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 4 数码相机应用中。ARM9E 内核是在 ARM9 内核的基础上增加了紧密耦合存储器 TCM 及 DSP 部分。目前主流的 ARM9 内核是 ARM920T、ARM922T、ARM940。 相关的处理器芯片有 Samsung 公司的 S3C2510、Cirrus 公司的 EP93xx 系列等。主流 的 ARM9E 内核是 ARM926EJ-S、ARM946E-S、ARM966E-S5等。目前市场上常见 的 PDA，比如说 PocketPC 中一般都是用 ARM9 处理器，其中以 Samsung 公司的 S3C2410 处理器居多。 ARM10E 处理器采用 ARMVST 体系结构6，可以分为六级流水处理，采用指令 与数据分离的 Cache 结构，平均功耗 1000mW，时钟速度为 300MHz，每条指令平 均执行 1.2 个时钟周期。ARM10TDMI 与所有 ARM 核在二进制级代码中兼容，内 带高速 3216 MAC，预留 DSP 协处理器接口。其中的 VFP10（向量浮点单元）为 七级流水结构。其中的 ARM1020T 处理器则是由 ARMl0TDMI、32KB 指令、数据 Caches 及 MMU 部分构成的。其系统时钟高达 300MHz 时钟，指令 Cache 和数据 Cache 分别为 32KB，数据宽度为 64 位，能够支持多种商用操作系统，适用于下一 代高性能手持式因特网设备及数字式消费类应用。主流的 ARM10 内核是 ARM1020E、ARM1022E、ARM1026EJ-S 等。 1.3.3EDA 技术的现状技术的现状 电子设计自动化（Electronic Design Automation， EDA）技术是在电子计算机 辅助设计技术基础上发展起来的计算机软件系统，是指以计算机为工作平台，融合 了应用电子技术、计算机技术、信息处理及智能化技术的最新成果，进行电子产品 的自动化设计 3。EDA 技术是现代信息技术飞速发展的关键性技术之一，在经济建 设、科技工程进步以及国防现代化建设中起着根本性的推动作用。EDA 技术是伴随 着计算机、集成电路、电子系统的设计发展起来的，至今已有 30 多年的历程。目前， 国内常用的 EDA 软件主要有 Multisim、PSPICE、ORCAD、Protel 等。 （1） Multisim Multisim 软件是由 EDA 工具软件 EWB(Electronics workbench)发 展而来的，是 EWB 的升级版本。Multisim 提供了一个非常大的元件数据库，并提 供原理图输入接口、全部的数模 Spice 仿真功能、VHDL/Verilog 设计接口与仿真功 能、FPGA/CPLD 综合、RF 设计能力和后处理功能，还可以进行从原理图到 PCB 布 线工具包（如：Electronics Worbench 的 Ultiboard）的无缝隙数据传输，界面直观， 操作方便。 （2） PSPICE PSPICE 是（popular simulation programwith intergrated circuit emphasis)侧重于集成电路的通用模拟程序的简称。它是美国加州大学伯克利分校于 1972 年开发的电路仿真程序，1984 年 1 月由美国 Microsim 公司首次推出。它是由 Spice 发展而来的面向 PC 机的通用电路模拟分析软件。功能强大，包括电路图绘制 功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输 入，自动进行电路检查，生成网表，模拟和计算电路。它在众多的计算机辅助设计 西安工业大学北方信息工程学院毕业设计（论文） 5 工具软件中，以精度高、受到用户的欢迎。 （3） ORCAD ORCAD 是由 ORCAD 公司于 20 世纪 80 年代末推出的 EDA 软件。目前 OrCAD 功能包括：供设计输入的 Orcad CaptureR，供类比与混合讯号模 拟用的 PSpiceR A/D Basics，供电路板设计的 Orcad LayoutR 以及供高密度电路板 自动绕线的 SPECCTRAR 4U，而新加入的 SPECCTRA，用以支援设计日益复杂的 各种高速、高密度印刷电路板设计。SPECCTRA 提供设计师一种以形状为基础的， 功能强大的绕线器，可在减少使用者介入情况下完成各种复杂设计。 （4） Protel Protel 是 PROTEL 公司在 20 世纪 80 年代末推出的 CAD 工具， 是 PCB 设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率最高，有些高校的电路专业 还专门开设 Protel 课程，几乎所在的电路公司都要用到它。早期的 Protel 主要作为 印刷板自动布线工具使用，现在普遍使用的是 Protel99SE，它是个完整的全方位电 路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷 电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线） ，可编程逻辑器件设计、图表生成、电 路表格生成、支持宏操作等功能，并具有 Client/Server 客户/服务器体系结构，同时 还兼容一些其它设计软件的文件格式，如 ORCAD、PSPICE、EXCEL 等。使用多层 印制线路板的自动布线，可实现高密度 PCB 的 100%布通率。但它最具代表性的是 电路设计和 PCB 设计。 在这些 EDA 软件中，Protel 软件功能强大、界面友好、使用方便，得到了广泛 的应用。 1.4 课题的主要研究内容课题的主要研究内容 本课题将结合集成函数信号产生芯片、ARM 处理器及 EDA 工具完成一套能产 生多种波形，且