毕业设计（论文）-信号发生器设计与制作 --显示模块的设计与实现.doc

电子信息工程系毕业论文江阴职业技术学院毕业论文课题： 信号发生器设计与制作 专题： 显示模块的设计与实现 专 业 应用电子技术 学生姓名 班 级 09应用电子（1）班学 号 指导教师 完成日期 2011年12月18日摘 要在现代先进的电子系统的前端和后端都将应用到AD转换器，以改善数字处理技术的性能。在各种AD转换器中，逐次逼近型AD转换器是采样率低于5 Msps(每秒百万次采样)的中等至高等分辨率应用的常见结构。由于逐次逼近型AD转换器具有低功耗、小尺寸的特点，因此有很宽的应用范围。 本文设计的8位逐次逼近AD转换器，采用了以DA转换器、比较器和带隙基准模块为主体的结构，通过各个模块的优化设计，得到了可在4.5V-5.5V单电源电压下工作的中速、低功耗8位逐次逼近AD转换器。 DA转换器模块采用了扩展分辨率的方法，将电阻分压和电容分压相结合，得到了不同缩放方式的DAC组合，扩展DA转换器分辨率，也提高了转换速度。比较器模块采用了三级比较器通过电容耦合级联的方式来实现，具有高增益的特点，结果所设计的比较器既满足了高速比较的要求，又有效降低了功耗。最后，在AD转换器中基准电压模块也是一个很重要的组成部分，它直接关系AD转换器的精度。本文中自主设计的带隙基准电路具有很高的抗电源电压波动和抗温度变化的能力，温度在-50-100、电源电压在1.6V-9.7V范围内变化时能使输出保持在1.246V。 应用Cadence spectre采用CSMC 0.6m CMOS Nwell工艺库对电路性能进行验证。仿真结果表明，设计的高速比较器、带隙基准电路和DA转换器满足8位AD转换的要求。AbstractIn the front and the end of the advanced electronics systems, analog to digital converters (A/D converters) are applied to improve the performance of the digital processing technique. Of all kinds of A/D converters, successive approximation (SAR)A/D converters are frequently the architecture of choice for medium-to-high-resolution applications with sample rates under 5 mega samples per second (Msps). Because of providing low power consumption as well as a small scale factor, SAR A/D converters have a wide variety of applications.A 8-bit medium speed, low power A/D designed in this paper, is composed of digital-analog (D/A) converters, comparators ,bandgap and so on. By optimizing the performances of every module, it can operate well from from a signal 4.5V to 5.5V power supply.In D/A coverter module, in order to extend the resolution of D/A converter, the combination of differently scaled DACs is designed. A charge scaling D/A converter with capacitor voltage divider and resistance divider is designed, which extends the resolution of a parallel D/A converter as well as improve speed rate greatly. The comparator has the character of high gain with the structure of three-stage coupled capacitance, which reduces power consumption as well as satisfies the requirement of high speed comparator. Bandgap voltage circuits is an important module for A/D converter, which affects the accuracy of A/D converter. The bandgap designed in this paper has the capability of anti-fluctuation of power supply and temperature. It can work from a signal 4.5V to 5.5V power supply and from -50 to 100 temperature and always get 1.246V output voltage.By using the CSMC 0.6 m CMOS Nwell technology, the circuits are verified in circumstances of Cadence spectre with Unix operating system. The simulation shows that the high speed comparator, the D/A converter and the bandgap meet the requirements of the 8-bit A/D converter, and the SAR A/D converter can work well.目 录摘 要IAbstractI目 录III前言IV第一章 绪论1第二章总体方案22.1 方案选择22.2 方案设计的基本思路2第三章 硬件设计与分析43.1 常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择43.2 AT89S52单片机性能简介43.3 常用显示简介73.4 A/D转换芯片AD0804113.5 采样保值电路13第四章 软件设计与分析164.1系统软件设计主流程图164.2系统软件的A/D转换流程图174.3 显示流程18第五章 调试与分析195.1 样机的装接分析与调试195.2 多功能版的装接分析与调试23第六章 总论266.1 结论与展望266.2 单片机的发展趋势26致 谢28参考资料29附录30前言数字电压表出现在50年代初，60年代末发起来的电压测量仪表，简称DVM，它采用的是数字化测量技术，把连续的模拟量，也就是连续的电压值转变为不连续的数字量，加以数字处理然后再通过显示器件显示。这种电子测量的仪表之所以出现，一方面是由于电子计算机的应用逐渐推广到系统的自动控制信实验研究的领域，提出了将各种被观察量或被控制量转换成数码的要求，即为了实时控制及数据处理的需要；另一方面，也是电子计算机的发展，带动了脉冲数字电路技术的进步，为数字化仪表的出现提供了条件。所以，数字化测理仪表的产生与发展与电子计算机的发展是密切相关的；同时，为革新电子测量中的烦锁和陈旧方式也催促了它的飞速发展，如今，它又成为向智能化仪表发展的必要桥梁。如今，数字电压表已绝大部分已取代了传统的模拟指针式电压表。因为传统的模拟指针式电压表功能单一，精度低，读数的时候也非常不方便，很容易出错。而采用单片机的数字电压表由于测量精度高，速度快，读数时也非常的方便，抗干扰能力强，可扩展性强等优点已被广泛的应用于电子及电工的测量，工业自动化仪表，自动测试系统等智能化测量领域。显示出强大的生命力。数字电压表最初是伺服步进电子管比较式，其优点是准确度比较高，但是采样速度慢，重量达几十公斤，体积大。继之出现了斜波式电压表，它的速度方面稍有提高，但是准确度低，稳定性差，再后来出现了比较式仪表改进逐次渐近式结构，它不仅保持了比较式准确度高的优点，而且速度也有了很大的提高，但它有一缺点是抗干扰能力差，很容易受到外界各种因素的影响。随后，在斜波式的基础上双引伸出阶梯波式，它的唯一的进步是成本降低了，可是准确宽，速以及抗干扰能力都未能提高。而现在，数字电压表的发展已经是非常的成熟，就原理来讲，它从原来的一，二种已发展到多种，在功能上讲，则从测单一参数发展到能测多种参数；从制作元件来看，发展到了集成电路，准确度已经有了很大的提高，精度高达1NV；读数每秒几万次，而相对以前，它的价格也有了降低了很多。目前实现电压数字化测量的方法仍然模-数（A/D）转换的方法。而数字电压表种类繁多，型号新异，目前国际仍未有统一的分类方法。在电量的测量中，电压、电流和频率是最基本的三个被测量。其中，电压量的测量最为经常。而且随着电子技术的发展，更是经常需要测量高精度的电压，所以数字电压表就成为一种必不可少的测量仪器。另外，由于数字式仪器具有读数准确方便、精度高、误差小、灵敏度高和分辨率高、测量速度快等特点而倍受用户青睐，数字式电压表就是基于这种需求而发展起来的。- IV -第一章 绪论尽管单片机不断向纵深发展，但目前乃至今后若干年，8位机仍旧是实际应用中得主导产品。MCS-51系列是目前8位单片机的主流机型，在实时控制、智能化仪表等方面应用最广。因此，本设计将主要介绍MCS-51系列单片机。MCS-51系列单片机以片内有无程序存储及存储的形式，分为3种基本产品：8051,8751和8031。随着计算机、微电子、信息技术的快速进步，智能化技术的开发速度越来越快，智能化越来越高，应用范围也得到了极大的扩展。在军事、娱乐、海洋开发、工农业生产、社会服务等各个领域。在家庭方面，相关于电器方面都离不开电压表的使用。在电子显示方面也采用电压表的测量。数字电压表灵活多变的测量方式，使用方便。特别是大型的电机，在使用安装、检测时必然所需要的。是电压表的应用才使得电子、电气行业成为有方圆的规矩。在国内外，为控制系统主要采用单片机作为控制核心。因此，单片机的发展将有助于简单实用的电子产品的开发。在设计中，采用比较先进的AT89C51单片机为控制核心，它的功能很强大。与此同时单片机技术在社会各领域中得到了广泛的应用。在直流数字电压表系统中，单片机更是取代了由齿轮调节延迟时间的表盘旧式市发展速度，成为日后此系统中得核心部分。由于单片机具有一些突出的优点：体积小、重量轻、电源单一、功能强、价格低；数据大都在单片机内部传送，运行速度快、抗干扰能力强、可靠性高，所以单片机被广泛的应用于控制系统、数据采集、智能仪器仪表、机电一体化产品、智能接口、计算机通信以及单片机的多级系统等领域。第二章总体方案 2.1 方案选择设计数字电压表有多种的设计方法，方案是多种多样的，由于大规模集成电路数字芯片的高速发展，各种数字芯片品种多样，导致对模拟数据的采集部分的不一致性，进而又使数据的出来及显示的方式的多样性。又由于在现实的工作生活中，电压表的测量测程范围是比较大的，所以必须要对输入电压做分压处理，而各个数据处理芯片的处理电压范围不同，则各种方案的分段也不同。下面介绍两种数字电压表的设计方案。方案一：由数字电路芯片构建这种设计方案是由模拟电路与数字电路两大部分组成，模拟部分包括输入放大器、A/D转换器和基准电压源；数字部分包括计数器、译码器、逻辑控制器、振荡器和显示器。其中，A/D转换器是它的核心器件，它将输入的模拟量转换成数字量。模拟电路和数字电路是相互联系的，由逻辑控制电路产生控制信号，按规定时序将A/D转换器中个组模拟开关接通或断开，保证A/D转换正常进行。A/D转换结果通过计数译码器电路变换成断码，最后驱动显示器显示出相应的数值。此方案设计其优点是，设计成本低，能够满足一般的电压测量。但设计不灵活，都是采用纯硬件电路。很难将其在原有的基础上进行扩展。方案二：由单片机系统及A/D转换芯片构建这种方案是利用单片机系统与模数转换芯片、显示模块等得结合构建数字电压表。由于单片机的发展已经成熟，利用单片机系统的软硬件结合，可以组装出许多的应用电路来。此方案的原理是模数转换芯片的基准电压端，被测电压输入端分别输入基准电压和被测电压。模数转换芯片将被测量电压输入端所采集到的模拟电压信号转换成相应的数字信号，然后通过对单片机系统进行软件编程，是单片机系统能按规定的时序来采集这些数字信号，通过一定的算法计算出被测电压的值。最后单片机系统将计算好了的被测电压值按一定时序送入显示电路模块加以显示。此方案不仅能够继承上一种方案的各种优点，还能改进上一种方案设计不灵活，难与在原基础上进行功能扩展等不足。2.2 方案设计的基本思路设计主要采用AT89C51单片机芯片和AD0804模/数转换芯片来完成一个建议的数字电压表，能够对输入的0V-5V的模拟直流电压进行测量，并通过LCD1602进行显示，测量误差约为0.02V。设计电路主要通过AD0804芯片的VIN90（+）采样输入口输入0V-5V的模拟电压，产生相应的数字量经过其输出通道DB0-DB7传送给AT89C51芯片的P1口。该电压表的测量电路主要由三个模块组成：A/D转换模块、数据处理模块及显示控制模块。A/D转换主要由芯片AD0804来完成，它负责把采集到的模拟量转换成相应的数字量再传送到数据处理模块。数据处理则由单片机芯片AT89成1来完成，其负责把AD0804传送来的数字量经一定的数据处理，产生相应的显示码送到显示模块进行显示。显示模块主要由液晶屏LCD1602来显示测量到的电压。系统总体框图设计如图2-1所示：图2-1 系统总体框图第三章 硬件设计与分析3.1 常用单片机的特点比较及本设计单片机的选择单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统，具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU，内存，总线系统等。而目前常用的单片机的8位有51系列单片机，AVR单片机，PIC单片机。应用最广的8位单片机还是intel的51系列单片机。51系列单片机的特点是：硬件结构合理，指令系统规范，加之生产历史悠久，世界有许多芯片公司都买了51的芯片核心专利技术，并在其基础上扩充其性能，使得芯片的运行速度变得更快，性价比更高。AVR单片机是atmel公司推出较新的单片机，它的显著特点是：高性能，低功能，高速度，指令单周期为主，但性格方面比51单片机要高。有专门的I/O方向寄存器。虽然有转强的驱动电压，但I/O口使用不比51单片机方便。PIC单片机系列是美国微芯公司的产品，也是市面上增长最快的单片机之一，属精简指令集单片机，其特点是：高速度，高性能，但在性格方面比51单片机要高，也有专门的I/O方向寄存器，I/O口使用不比51单片机方便。综合以上各种单片机的基本性能及本设计的满足需要，我们将选择51系列单片机。3.2 AT89S52单片机性能简介 单片机采用MCS-51系列单片机。由ATMEL公司生产的AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在线系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。AT89S52具有以下标准功能： 8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2 个数据指针，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。而且，它还具有一个看门狗（WDT）定时/计数器，如果程序没有正常工作，就会强制整个系统复位，还可以在程序陷入死循环的时候，让单片机复位而不用整个系统断电，从而保护你的硬件电路。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，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。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。其芯片外观及引脚图3-1：图3-11. 引脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。 P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89S52的一些特殊功能口，如下表3-1：管脚备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）表 3-1 引脚功能表P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。3.3 常用显示简介本次设计中有显示模块，而常用的显示器件比较多，有数码管，LED点阵，1602液晶，12864液晶等。1602液晶是工业字符型液晶，能够同时显示16*2即32个字符。1602液晶模块内部的字符发生存储器已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。使用时直接编写软件程序按一定的时序驱动即可。它的特点是显示字迹清楚，价格相对便宜。LCD1602如图3-2所示：图 3-2 LCD1602LCD1602液晶模块引脚说明如表3-2所示：引脚符号功能说明1GND接地2Vcc5V3VL驱动LCD，一般将此脚接地4RS寄存器选择 0：指令寄存器（WRITE）Busy flag,位址计数器（READ） 1：数据寄存器（WRITE,READ）5R/WREAD/WRITE选择 1：READ 0：WTITE6E读写使能（下降沿使能）7DB0低4位三态、双向数据总线8DB19DB210DB311DB4高4位三态、双向数据总线另外DB7也是一个Busy flag12DB513DB614DB7表3-2寄存器选择，如表3-3所示：RSR/W操作说明00写入指令寄存器（清除屏幕等）01读Busy flag(DB7),以及读取位址计数器（DB0DB6)值10写入数据寄存器（显示各字型等）11从数据寄存器读取数据表3-3 寄存器选择控制线操作Busy flag(DB7):在此位未被清除为“0”时，LCD将无法再处理其他指令要求。(1) 显示地址：内部地址计数器的计数地址：SB7=0(DB0DB6)第一行00、01、02 等，第二行40、41、42 等，可配合检测DB7=1 (RS=0,R/W=1)读取目前显示字的地址，判断是否需要换行。1234567891011121314151600010203040506074041424344454647表3-4 LCD1601 161 显示字的地址(2)外部地址：DB7=1,亦即80H内部计数地址，可以用此方式将字显示在某一位置。LCD各地址列举如下表：123456789101112131415168081828384858687C0C1C2C3C4C5C6C7表3-5 LCD1601 161 显示字的外部地址指 令说 明设置码RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D0清除显示幕000000000*光标回到原点000000001*进入模式设定00000001I/DS显示幕ON/OFF0000001DCB移位000001S/CR/L*功能设定00001DLNF*字发生器地址设定0001AGC设置显示地址0001ADD忙碌标志位BF001BF显示数据10写入数据读取数据11读取数据I/D I/D=1 表示加1， I/D=0 表示减1S S=1 表示显示幕ON S=0表示OFFD D=1 表示显示屏幕ON D=0表示显示屏幕OFFC C=1 表示光标ON C=0表示光标OFFB B=1 表示闪烁ON B=0表示显示闪烁OFFS/C S/C=1表示显示屏幕移位 S/C=0光标移位R/L R/L=1表示右移 R/L=0表示左移DL DL=1表示8位 DL=0表示4位F F=1表示510点矩阵 F=0表示57点矩阵N N=1表示2行显示行 N=0表示1行显示行BF BF=1:内部正在动作 BF=0:可接收指令或数据码表3-6 LCD1601 的指令组读写操作时序如图所示：图3-3读操作时序图3-4 读操作时序3.4 A/D转换芯片AD0804 ADC的特性：1. 模拟输入，可以是单信道或多信道模拟输入；2. 参考输入电压该电压可由外部提供，也可以在ADC内部产生；3. 频率输入，通常由外部提供，用于确定ADC的转换速率；4. 电源输入，通常有模拟和数字电源接脚；5. 数字输出，ADC可由提供平行或串行的数字输出。ADC0804的管脚图如下3-5所示：图 3-5 ADC0804架构图它的主要电气特性如下：l 工作电压：5V，即VCC5V。l 模拟输入电压范围：05V，即0Vin5V。l 分辨率：8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0255之间。l 转换时间：100us（fCK640KHz时）。l 转换误差：1LSB。l 参考电压：2.5V，即Vref2.5V。1.ADC0804的转换原理ADC0804是属于连续渐进式（Successive Approximation Method）的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速度快（几十至几百us）、分辨率高外，还有价钱便宜的优点，普遍被应用于微电脑的接口设计上。以输出8位的ADC0804动作来说明“连续渐进式A/D转换器”的转换原理，动作步骤如下表示（原则上先从左侧最高位寻找起）。第一次寻找结果：10000000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第二次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第三次寻找结果：11000000 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0）第四次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第五次寻找结果：11010000 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0）第六次寻找结果：11010100 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第七次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位假设位1）第八次寻找结果：11010110 （若假设值输入值，则寻找位该假设位0）这样使用二分法的寻找方式，8位的A/D转换器只要8次寻找，12位的A/D转换器只要12次寻找，就能完成转换的动作，其中的输入值代表图1的模拟输入电压Vin。2.分辨率与内部转换频率的计算对8位ADC0804而言，它的输出准位共有28256种，即它的分辨率是1/256，假设输入信号Vin为05V电压范围，则它最小输出电压是5V/2560.01953V，这代表ADC0804所能转换的最小电压值。表3-3列出的是812位A/D转换器的分辨率和最小电压转换值。位数目分辨率最小电压转换值81/2560.01953V101/10240.00488V121/40960.00122V表3-7 A/D转换器的分辨率和最小电压值至于内部的转换频率fCK，是由图3-6的CLKR（19脚）、CLK IN（4脚）所连接的R（）、C(150PF)来决定。图 3-6 ADC0804与CPLD&FPGA、8051单片机等典型连接图频率计算方式是：fCK1/(1.1RC)若以图3-6的R10K、C150PF为例，则内部的转换频率是：fCK1/（1.110 K150PF）606KHz更换不同的R、C值，会有不同的转换频率，而且频率愈高代表速度愈快。但是需要注意R、C的组合，务必使频率范围是在100KHz1460KHz之间。3.ADC0804的控制方法要求ADC0804进行模拟/数字的转换，其实可以直接由下面的时序图图3-7及图3-6信号的流向来配合了解。图3-7 ADC0804控制信号时序图以图3-6、图3-7信号流向而言，控制ADC0804动作的信号应该只有CS、WR、RD。其中INTR由高电位转为低电位后，代表ADC0804完成这次的模拟/数字转换，而DB0DB7代表是转换后的数字资料。图3-7的动作大概可分成4个步骤区间S0、S1、S2、S3，每个步骤区间的动作方式如下：S0：CS0、WR0、RD1（由CPLD发出信号要求ADC0804开始进行模拟/数字信号的转换）。l 步骤S1：CS1、WR1、RD1（ADC0804进行转换动作，转换完毕后INTR将高电位降至低电位，而转换时间100us）。l 步骤S2：CS0、WR1、RD0（由CPLD发出信号以读取ADC0804的转换资料）。l 步骤S3：CS1、WR1、RD1（由CPLD读取DB0DB7上的数字转换资料）。由上述步骤说明，可以归纳出所要设计的CPLD动作功能有：l 负责在每个步骤送出所需的CS、WR、RD控制信号。l 在步骤S1时，监控INTR信号是否由低电位变高电位，如此以便了解ADC0804的转换动作结束与否。l 在步骤S3，读取转换的数字资料DB0DB7。3.5 采样保值电路一、采样保持电路的引入在A/D转换期间，为了使输入信号不变，保持在开始转换时的值，通常要采用一个采样保持电路。对于MCS-96单片机的A/D转换器，启动转换实际上是把采样开关接通，进行采样，过一段时间后，开关断开，采样电路进入保持模式，才是A/D真正开始转换。二、采样保持电路的原理A/D转换需要一定时间，在转换过程中，如果送给ADC的模拟量发生变化，则不能保证精度。为此，在ADC前加入采样保持电路，如图下所示。采样保持电路有两种工作状态：采样状态和保持状态。 图 3-7 采样保持原理图1、采样状态：控制开关K闭合，输出跟随输入变化。2、保持状态：控制开关K断开，由保持电容C维持该电路的输出不变运算放大器A2：典型的跟随器接法。输入阻抗：高阻。保持状态（K分）下Ch放电小，保持电压不变。输出阻抗：小。采样保持电路的负载能力大。运算放大器A1：K闭合时为跟随器。（不关心K断开的情况）。输入阻抗：高阻。对输入信号的负载能力要求小。输出阻抗：小。采样状态时，Ch上的电压快速跟随输入变化。控制开关K：由接口电路控制。三、采样采样脉冲的频率采样脉冲的频率(=1/T)越高,采样越密,采样值越多,采样信号的包络线越接近输入信号的波形.假设输入信号的最高频率为,则根据采样定理知:当采样频率2时,采样信号可正确反映输入信号。通常对直流或缓变低频信号进行采样时可不用采样保持电路。四、加入S/H后模数转换控制过程加入S/H后，整个模/数转换过程如下图所示。 图 3-8 A/D转换过程图1、CPU经接口电路使K闭合（启动采样）。 2、CPU经接口电路使K断开（保持）。（*） 3、CPU向ADC发出启动转换信号（转换或称量化）。 4、查询A/D转换完成否，或使用中断方式。5、读取转换后的数字。 6、在实际硬件设计中，一般第、步设计为用一条指令完成。 五、采样定理采样定理是1928年由美国电信工程师H.奈奎斯特首先提出来的。1、采样定理的概念采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据，采样定理:模拟/数字信号的转换过程中，当采样频率fs.max大于信号中，最高频率fmax的2倍时，即：fs.max=2fmax,则采样之后的数字信号完整地保留了原始信号中的信息，一般取2.56-4倍的信号最大频率。2、信号混叠如果不能满足上述采样条件，采样后信号的频率就会重叠，即高于采样频率一半的频率成分将被重建成低于采样频率一半的信号。这种频谱的重叠导致的失真称为混叠，而重建出来的信号称为原信号的混叠替身，因为这两个信号有同样的样本值。 3、解决信号混叠的方法 提高采样频率，使之达到最高信号频率的两倍以上； 引入低通滤波器或提高低通滤波器的参数；该低通滤波器通常称为抗混叠滤波器 抗混叠滤波器可限制信号的带宽，使之满足采样定理的条件。从理论上来说，这是可行的，但是在实际情况中是不可能做到的。因为滤波器不可能完全滤除奈奎斯特频率之上的信号，所以，采样定理要求的带宽之外总有一些“小的”能量。不过抗混叠滤波器可使这些能量足够小，以至可忽略不计。 第四章 软件设计与分析4.1系统软件设计主流程图图4-1 主流程主程序是先开始，然后显示频先清屏，LCD1602的初始化，AD芯片AD0804的初始化，在经测量端采集的数据送入AD芯片AD0804中进行模数转换，判断自身转换是否完成，完成后将数据传送到单片机，让单片机读取数据，在转换数据，在讲转换的数据送入LCD1602显示。主流程图如图4-1所示；4.2系统软件的A/D转换流程图 图4-2 AD转换流程图 主程序的子程序A/D转换：程序开始先将CS、WR、RD都拉高使A/D初始化，延时一段时间将CS、WR端由低电平跳到高电平，使其A/D转换工作，工作一段时间，单片机判断它是否工作完成，如果转换完成后，使CS、RD端拉低让它开始读取数据，读数据延时一段时间后，读取完毕将数据传送到单片机，A/D转换完成。其流程图由图4-2所示。4.3 显示流程 显示子流程图如图4-3所示：图4-3 显示主流程图 第五章 调试与分析5.1 样机的装接分析与调试一、 电源原理的分析220v电网电压经过变压器的降压为稳压电源提供9v的交流低电压。1.整流电路图5-1 整流电路 图中，D1D4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。次级电压V2工作在正半周时，D1、D3导通，D2、D4截止，此时有电流流过RL，负载RL上得到一个半波电压。当V2工作在负半周时，D1、D3截止，D2、D4导通，此时有电流流过RL，负载RL上得到一个上面一样的半波电压。在桥式整流电路中，RL两端的电压波形与全波整流电路完全相同。可见，桥式整流电路无需采用具有中心抽头的变压器仍能达到全波整流的目的。2.滤波电路图5-2 电容滤波电路整流电路将交流电变为脉动直流电，但其中含有大量的交流成分，为了获得平滑的直流电压，在整流电路后加接滤波电路，以滤去交流成分，由于电容有隔直通交的作用，在整流电路输出端与负载并联一个较大电容C，如图所示来构成电容滤波电路。滤波原理：当电路处于正半周，二极管D1、D3导通，V2就给电容C充电，同时向负载电阻供电，如果忽略二极管正向电压降和变压器内阻，电容充电时间常数近似为零，因此在V2达到最大时，电容两端的电压也达到最大。当V2下降时，电容的电压大于V2，V1、V3截止，电容C向负载电阻放电，由于放电时间常数一般较大，电容电压按指数规律缓慢下降。当电容电压下降后，V2大于电容电压，D2、D4导通，电容C再次被充电，输出电压增大，以后重复上述充放电过程。整流电路接入滤波电容后，不仅使输出电压变得平滑、纹波显著减小，同时输出电压值也增大了。3稳压电路串联可调稳压电路由调整管（1Q1、1Q2组成复合管：提高了稳压性能）、取样电路（1R8、1W1）、基准电压（稳压管1D13）和比较放大(放大管1Q3)电路等部分组成。稳压电路的作用：当交流市电和负载波动时，能自动保持输出电压的稳定。当输出电压增大时，1W1的分压增大（取样电压增大），即1Q3的基极电压增大，1D13的电压3v（基准电压），即1Q13的发射极电压，如果取样电压大于基准电压，则1Q3的积极电流增大，导致发射极的电流增大，导致1R1、1R3的电压增大，则复合调整管的基极电压减小，集电极的电流也随之减小，集电极和发射极之间的压降就会增大，致使输出电压减小。反之同样分析，最后得到一个稳定的电压。7815、7915、7818、7918内部电路的分析和上面一样。二、信号发生器之信号产生该部分的信号产生电路，可产生三角波、方波等基本波形（包括锯齿波、脉冲波），其中三角波由2w4、2R6、2Q3、2R7、2Q4、2Q5、2U1-D、2Q2等构成的充放电恒流源对固定的充放电电容进行充放电而产生。，而方波则是由三角波经比较器电路后产生。其次锯齿波由三角波改变其上升沿下降沿产生，脉冲波则是改变方波的占空比而产生的。其具体的工作过程如下。当电容充电时，充电恒流源通过2R8、2D1、2D2对固定电容进行充放电，使得电容两端电压呈线性上升，即2Q7栅极电位随之线性上升，经2Q7的源极跟随以及2Q9射极跟随后，由2R18、2R19分压后，取样到2Q10、2Q11、2Q12构成的差分比较器，与2Q11的基极电压进行比较，当2Q10的基极电压高于2Q11基极电压时，2Q10集电极输出低电平，2Q11集电极输出高电平，然后高低电平取到2Q13、2Q14基极，若此时电容两端电压达到最大值，则2Q13的集电极输出低电平，所以此时2Q15导通，所以使得充电回路被改变，经2Q15到-15V去了，电容经放电恒流源放电，电容充电结束。电容放电，使得2Q7栅极电位下降，经2Q7的源极跟随以及2Q9射极跟随后，由2R18、2R19分压后，取样到2Q10、2Q11、2Q12构成的差分比较器，与2Q11的基极电压进行比较，当2Q10的基极电压高于2Q11基极电压时，2Q10集电极输出低电平，2Q11集电极输出高电平，然后高低电平取到2Q13、2Q14基极，若此时电容两端电压降到最小值，则2Q13的集电极输出高电平，所以此时2Q16导通，2Q15截止。使得放电回路关断，由充电恒流源开始充电。如此充放电便周而复始的进行着，也就产生了三角波，而方波便是依靠比较电路获得。另外该部分信号产生电路还具有频率粗调功能，它是通过恒流源控制电路实现，由2R1、2W1、5W1、2W2提供电压控制信号，经电压跟随器跟随，跟随后进行了与外部频率控制电压信号的加法运算，同时实现了压流转换，后经LM324和2Q2的大电流跟随，从而控制了镜像恒流源，实现了电流源的控制，能进行频率的粗调。同时该部分信号产生电路可产生锯齿波及脉冲波，其实现方法是通过一个继电器，当继电器线圈得电，继电器触点便吸合，此时就把控制充放电恒流源电路加入了信号产生电路，此时只要调节5W2，便可改变充电恒流源电流大小，放电恒流源大小，即电容充放电的上升沿，和下降沿，此时输出的波形便是锯齿波。因为输出的波是锯齿波，所以经比较器比较后，出来的波形便不再是方波，而是脉冲波了。三、放大 三角波，正弦波，方波函数信号经选择开关（FUNCTION）选择后送入主放大器中，先经过3Q1，3Q2组成的差分放大，3Q1的基极为输入信号，3Q2的基极为反馈信号，其发射极偏置电阻3W1改变偏置电平，防止输入大信号截止失真，3Q1集电极信号送入3Q4基极，3Q2集电极信号经3Q3反相（反相过后送入复合差分放大电路，可以防止镜像干扰）送入3Q7基极（3Q4基极信号与3Q7基极信号幅度相同，相位相反）。3Q4、3Q5与3Q6、Q7组成复合放大电路，3D3、3D4、3Q8、3Q9组成推挽差动放大，3Q10，3Q11、3Q12、3Q13组成复合型电流放大，3Q10、3Q11、3Q8和3Q9、3Q12、3Q13组成正反馈电流放大网络（放大一定倍数后达到平衡），主放大负反馈是输出信号经3R23、3R11衰减20倍后送入3Q2基极。键改变3Q2基极电位，是对直流偏置电平调节输出一定电位。由上级输出（TRT_OUT）送入三级桥式整形电路，利用二极管伏安特性曲线折线近似法把三角波整形为正弦波，经3R16送入正弦波前置放大器，前置放大器由3Q51 3Q52构成差分放大（放大倍数约为5倍），其发射极偏置电阻3W51 3W52等，3W51调零漂3W52调温漂，使其集电极输出电压控制在04.2V左右，幅度放大后信号送入3Q53的射极跟随电路，进行电流放大。四、测频测频可分为两种回路：内部输入频率的测频和外部输入频率的测频对于外部的测频，首先使用者要把信号发生器面板上的EXT按钮按下，使发生器处于外测频的状态上。信号先进入测频电路的放大回路，信号经过场效应管前级的电容滤波同时将信号的峰值取反，二极管将经过的信号进行限压，使输入信号的电压保持在场效应管的正常工作电压状态下。信号在经过一个高阻抗的场效应管的放大，使的上一级输入信号的