基于单片机和MAX038的函数信号发生器.doc

毕业设计毕业设计 论文论文 题题 目目基于单片机和基于单片机和 MAX038MAX038 的函数信号发生器的函数信号发生器 设计 论文 任务书设计 论文 任务书 一 任务一 任务 设计一款基于单片机和 MAX038 的函数信号发生器 二 目的二 目的 1 在学习完单片机和电子测量及相关课程的基础上 进一步加深和巩固所 学的知识 培养和提高学生查找资料 整理资料的能力 2 通过硬件设计 软件编写 使学生掌握用单片机组成应用系统的方法 提高硬件设计 制作 焊接 软件编写 调试的能力 3 通过本次设计巩固单片机的接口 定时 中断等基本知识 掌握外围芯 片的基本知识 4 熟练掌握用 Protel 99 绘制电路图及 PCB 板的制作 三 要求三 要求 1 设计要求完成的基本功能 能精密地产生三角波 方波 正弦波信号三种波 形 占空比和频率均可单独调节等功能 2 技术参数要求 1 频率范围 0 1Hz 20MHz 2 各种波形的输出幅度 2V 3 波形失真小 正弦波失真度小于 0 75 占空比调节时非线性度低于 2 4 工作温度范围低于 70 3 设备要求 计算机 MCS 51 单片机仿真开发系统 常用集成电路芯片 三极管 按键和 LED 数码管 4 设计说明书要求包括 目录 标题 概述 方案总体设计 硬件 软件 框图 单元电路和单元软件程序 电路总图 硬件实物及软件清单 系统 调试说明 设计总结及改进意见 参考文献等 5 论文字数 2 万 3 万字内 6 论文格式严格按照学校规定的论文格式编排 四 附件四 附件 1 系统电路原理图 2 列出完整元器件清单 3 印刷电路板图 4 完整的程序清单 五 进度安排五 进度安排 1 2010 年 12 月 20 日 2011 年 1 月 10 日 要求理解毕业设计任务书 查阅 相关资料 完成开题报告 完成中英文资料翻译 2 2 月 16 日 4 月 6 日 要求根据所查阅的资料 完成论文提纲 理解设计原理 进行程序设计 设计相关电路设计 调试 产品基本实现功能 3 4 月 7 日 4 月 12 日 完成完整的毕业设计初稿 4 4 月 13 日 5 月 3 日 完成完整的毕业设计论文终稿 一校 总体功能与思路 二校 功能细节 格式细节 5 5 月 4 日 5 月 17 日准备毕业设计论文答辩 6 5 月 18 日 5 月 29 日 进行毕业论文答辩 六 参考书目六 参考书目 1 黄智伟 电子竞赛培训教 M 电子工业出版社 2 何立民 单片机应用技术选编 M 北京航空航天出版社 3 江思敏 Protel 电路设计教程 M 清华大学出版社 4 康华光 电子技术基础 数字部分 M 高等教育出版社 5 陈明荧 8051 单片机课程设计实训教材 M 清华大学出版社 6 吴金戍 8051 单片机实践与应用 M 清华大学出版社 指导教师 指导教师 李月华李月华 2010 年年 12 月月 18 日日 南华大学本科生毕业设计 论文 开题报告南华大学本科生毕业设计 论文 开题报告 设计 论文 题目基 MAX053 和单片机的函数信号发生器设计 设计 论文 题目来源自选课题 设计 论文 题目类型 工程设计起止时间 2010 12 至 2011 6 一 设计 论文 依据及研究意义 采用 MAX038 的函数信号发生器的设计 可生成频率可调的正弦波 方波 以及三角波 系统由单片机控制模块 键盘 LCD 液晶显示 MAX038 波形产生 器 DAC 输出电路和末级放大电路构成 调制信号既可由外部的频率档粗调 也可以通过单片机实现微调 单片机小系统负责用户的交互和系统控制 键盘 用于频率的输入与波形的选择 LCD 显示当前所选信号的频率调整情况 具 有界面提示功能 而末级放大电路则对生成的信号进行适当的放大 以提高 信号的振幅和强度 信号源是根据用户对其波形的命令来产生信号的电子仪器 信号源主要给 被测电路提供所需要的已知信号 各种波形 然后用其他仪表测量感兴趣的参 数 函数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 试验等领域 信号发生器是一种悠久的测量仪器 早在 20 年代电子设备刚出现时它就产 生了 随着通信和雷达技术的发展 40 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发展成定量分析的测量 仪器 同时还出现了可用来测量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 电路比较简单 但功耗比较大 因 此发展速度比较慢 直到 1964 年才出现第一台全晶体管的信号发生器 自 60 年代以来信号发生器有了迅速的发展 出现了函数发生器 这个时期的信号发 生器多采用模拟电子技术 由分立元件或模拟集成电路构成 其电路结构复杂 且仅能产生正弦波 方波 锯齿波和三角波等几种简单波形 由于模拟电路的 漂移较大 使其输出的波形的幅度稳定性差 而且模拟器件构成的电路存在着 尺寸大 价格贵 功耗大等缺点 并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构 非常复杂 自从 70 年代为处理器出现以后 利用微处理器 模数转换器和数 模转换器 硬件和软件使信号发生器的功能扩大 产生比较复杂的波形 这时 期的信号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 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 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 的时钟周期 但这些办法是有限的 根本的办法还是 要改进硬件电路 随着现代电子 计算机和信号处理等技术的发展 极大地促 进了数字化技术在电子测量仪器中的应用 使原有的模拟信号处理逐步被数字 信号处理所代替 从而扩充了仪器信号的处理能力 提高了信号测量的准确度 精度和变换速度 克服了模拟信号处理的诸多缺点 数字信号发生器随之发展 起来 信号发生器作为电子领域不可缺少的测量工具 它必然将向更高性能 更 高精确度 更高智能化方向发展 就像现在数字化信号发生器的崛起一样 但 作为一种仪器 我们必然要考虑其所用领域 也就是说要因地制宜 综合考虑 性价比 用低成本制作的集成芯片信号发生器短期内还不会被完全取代 还会 比较广泛的用于理论实验以及精确度要求不是太高的实验 因此完整的函数信 号发生器的设计具有非常重要的实践意义和广阔的应用前景 参考文献 参考文献 1 黄晓林 基于 MAX038 的单片机多波调频信号产生器的设计 J 电子技术 2004 第 2 期 2 何立民 单片机应用技术选编 M 北京航空航天出版社 3 康华光 电子技术基础 模拟部分 M 高等教育出版社 4 康华光 电子技术基础 数字部分 M 高等教育出版社 5 陈明荧 8051 单片机课程设计实训教材 M 清华大学出版社 6 吴金戍 8051 单片机实践与应用 M 清华大学出版社 7 黄志伟 全国大学生电子竞赛培训教 M 电子工业出版社 二 设计 论文 主要研究的内容 预期目标 技术方案 路线 研究内容 研究内容 1 单片机控制模块的设计 2 MAX038 信号产生模块设计 3 LED 显示模块设计 4 占空比调节模块设计 5 DAC 模块设计 6 电压放大模块设计 总体设计方案 总体设计方案 系统由单片机控制模块 MAX038 信号产生模块 LCD 显示模块 占空比调 节模块 DAC 模块 电压放大模块组成 系统总体框图如下图 1 所示 图 1 系统总体设计框图 单片机小系统由键盘 LCD 显示屏 和单片机 AT89C52 构成 负责用户的 交互和整个系统的控制 键盘用于对波形输出的选择和频率输出的调节 LCD 则显示当前输出的波形及频率的调节值 信号发生器的主振采用 MAX038 型高频精密函数信号发生器专用集成块 能 够产生准确的高频三角波 方波和正弦波 输出频率可以由内部的 2 5V 带隙 电压基准及一个外部的电阻和电容器控制 频率范围 0 1Hz 20MHz 占空比变 化范围为 15 85 频率扫描范围为 1 350 正弦波失真低于 0 75 信号放大电路采用 MAX414 芯片 使输出信号的幅度能达到发挥部分的要求 在 5V 7V 之间 4 4 键盘 12864 显示 MAX038 波形发 生电路 A D 采样电 路 CD4051 频率选 择电路 A T 8 9 C 5 2 输出信号放大 电路 D A 转换电 路 电路 预期目标 预期目标 能精密地产生三角波 方波 正弦波信号三种波形 占空比和频率 均可单独调节等功能 三 设计 论文 的研究重点及难点 研究重点 1 MAX038 芯片的外围电路设计 2 放大电路的设计 研究难点 1 频率的范围是 0 1HZ 20MHZ 2 要求正弦波形的失真度小于 0 75 占空比调节时非线性度低 于 2 3 软件程序的编写 四 设计 论文 研究方法及步骤 进度安排 第 1 2 进行单片机及其他所需芯片资料查询 第 3 4 理解电路设计原理 进行程序设计 第 5 7 周 进行相关电路的设计 调试 并实现基本功能 第 8 周 MAX038 和单片机的函数信号发生器设计论文的编写 第 9 11 周 对论文进行修改并完成终稿 第 12 13 周 准备毕业设计论文答辩 第 14 周 进行毕业设计论文答辩 五 进行设计 论文 所需条件 设备要求 计算机 MCS 51 单片机仿真开发系统 常用集成电路芯片 三极 管 按键和 LCD 液晶显示 六 指导教师意见 签名 2011 年 3 月 6 日 摘摘 要 要 本设计是基于信号发生芯片 MAX038 的多功能波形发生器 由 MAX038 D A 转换 A D 转换 MAX414运算放大器 LCD12864 显示 单片 机以及外围电路构成的多波形发生器 利用 MAX038 产生正弦波 三角波 锯 齿波 方波的波形 单片机通过 D A 转换对 MAX038 的控制 从而实现频率和 占空比的步进调控 在 1Hz 20MHz 内产生任意正弦波 三角波 锯齿波和方 波 采用 MAX414 和 TLC549 构成信号放大采样电路 用液晶模块 LCD12864 可实现实时显示波形的类型 频率 幅度和占空比等功能 经多次测试 本设 计整机具有波形清晰 频率 相位和幅度相对稳定 没有明显的失真 采用键 盘输入 LCD 显示 操作显示界面简单直观 实现按步进进行调整 关键词 关键词 单片机 MAX038 D A 转换 占空比 LCD12864 Abstract The design is based on the signals in the chip wave generator MAX038 This Multi wave generator is make up of MAX038 D A conversion MAX414 operational amplifiers LCD12864 SCM and the external circuit MAX038 is used to generate sine wave triangle wave sawtooth and square waveform SCM through D A conversion of the control MAX038 thus realizing the frequency and duty cycle step control in the range of 1 Hz 20MHz generate any sine wave the triangular wave sawtooth and square wave MAX414 and TLC549 are make up of signal amplification and sampling with LCD module LCD12864 can achieve real time display of the waveform type frequency magnitude and the function of duty cycle Etc It is proved to be well functioning the output of signal is clear the frequency phase and amplitude are comparative stability there was no obviously distortion Using keyboard input and LCD output makes it has a Simple user interface realize step control Keyword SCM AX038 A converter uty cycle CD12864 目 录 1 系统设计 1 1 1 设计目标 1 1 2 总体设计方案 2 1 2 1 设计思路 2 1 2 2 方案论证 2 1 2 3 系统组成 5 2 硬件电路设计 6 2 1 单片机最小系统设计 6 2 2 MAX038 波形发生器电路 6 2 3 CD4051 模拟开关电路 7 2 4 D A 转换电路 8 2 5 信号输出模块设计 8 2 6 LCD12864 显示电路 10 2 7 4 4 矩阵键盘输入电路 10 3 系统软件设计及分析 11 3 1 主程序设计 11 3 2 A D 转换程序子程序设计 12 3 3 按键扫描子程序设计 13 4 系统调试及数据处理 13 4 1 电路调试 13 4 2 系统软件调试 13 4 3 数据处理 14 4 4 设计结果 15 致 谢 16 参考文献 16 附录一 原理图 18 附录二 PCB 图 19 附录三 元器件清单 20 附录四 程序清单 21 信号发生器又称信号源或振荡器 是最重要的测量仪器之一 在生产实践 和科技领域中有着广泛的应用 尤其是在电子工程 通信工程 自动控制 遥 测控制 测量仪器 仪表和计算机等技术领域 经常需要用到各种各样的信号 波形发生器 而各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示 能够产生多种 波形 如三角波 锯齿波 矩形波 含方波 正弦波的电路被称为函数信号发 生器 它能满足测试系统的多种要求 成为了系统综合测试中不可缺少的组成 部分 早期的函数信号发生器集成电路 如L8038 BA205 XR2207 2209 它 们的功能较少 精度不高 频率上限只有3000KHz 无法产生更高频率的信号 套接方式也不够灵活 频率和占空比不能独立调节 二者相互影响 而目前广 泛使用的是一些标准产品 虽然功能齐全 性能制表较高 但是价格较贵 而 且许多功能却用不上 本文提出一种采用专用信号发生器芯片MAX038设计的简易信号发生器 MAX038是Maxim公司生产的精密高频单片信号发生器集成电路 内部电路完善 使用该芯片 设计简单 可以生成同一频率信号的各种波形信号 能以最少的 外部元件构成多波形高频函数信号发生器 也可以应用于压控振荡器 PLL 脉 宽调制器 锁相器环 频率调制器 频率合成器及FSK信号发生器 是目前较为 理想的信号产生集成芯片 因此 相比之下 该仪器具有结构简单 成本低 体积小 便于携带等特点 足以满足一般的实验要求 1 1 系统设计 系统设计 1 1 设计目标设计目标 1 设计要求完成的基本功能 能精密地产生三角波 方波 正弦波信号三 种波形且占空比和频率均可单独调节等功能 2 技术参数要求 1 频率范围 0 1Hz 20MHz 2 各种波形的输出幅度 2V 3 波形失真小 正弦波失真度小于 0 75 占空比调节时非线性度低 于 2 4 工作温度范围低于 70 图 1 1 系统硬件构思方框图 1 21 2 总体设计方案总体设计方案 1 2 11 2 1 设计思路设计思路 题目要求设计一个基于单片机和 MAX038 的函数信号发生器 函数信号 发生器的输出为正弦波 方波 三角波 设计中利用 MAX038 单片函数信号发 生器的特性 产生各种波形 输入部分采用运算放大器对微弱信号进行放大使 波形易于观察 控制部分用单片机和键盘组成的人机交互控制界面 采样部分 采用运算放大器和 A D 转换芯片 而显示部分则用带字库的液晶模块 LCD12864 LCD12864 可以直观显示波形的型类 频率 幅度和占空比等功能 采用按键调控的方法对波形 占空比 频段 频率进行选择和调控 然后得到 所需的波形 频段以及所需的占空比和频率 而不是传统的采用可变电阻调节 占空比和频率的方法 系统硬件构思方框图如图 1 1 所示 1 2 21 2 2 方案论证方案论证 下面对以上系统硬件构思进行各模块实现功能要求的论证 1 波形发生电路的设计方案论证与选择 方案一 采用分立元件构成非稳态的多谐振振荡器 根据具体需要加入积 分电路等构成波形发生器 但这种信号发生器输出频率范围窄 而且电路参数 设定较繁琐 输出的波形易受外界环境影响 不稳定 对电路硬件要求很高 4 4 键盘 电路 12864 显 示电路 单 片 机 D A 转换电路 电路 频段 电容 选择 电路 波形发生电路 A D 采样 电路 输出信号放大 电路 不易实现 方案二 利用单片集成芯片实现函数信号发生器 这种信号发生器能产生 多种波形信号且达到较高频率 且易于调试 成本低 方案三 利用专用直接数字合成 DDS 芯片实现函数信号发生器 这种信 号发生器能产生任意波形并达到很高频率 但成本较高 综合以上三种方案 从性能和制作成本考虑 本设计采用方案二 即采用 单片机控制键盘输入通过 D A 转换控制单片函数信号发生芯片 MAX038 产生可 调频率 幅度和占空比的波形信号 2 开关电路的设计方案论证与选择 方案一 采用机械式开关 应用最为普遍 价格低廉 操作简单 只需让 两段需要导通的导体接触就可以使电路导通 但开关控制过程必须要有机械力 的参与才能才能完成控制工作 响应时间决定于拨动的速度 方案二 采用电子模拟开关 模拟开关是一种三稳态电路 它可以根据选 通端的电平 决定输人端与输出端的状态 当选通端处在选通状态时 输出端 的状态取决于输人端的状态 当选通端处于截止状态时 则不管输人端电平如 何 输出端都呈高阻状态 模拟开关在电子设备中主要起接通信号或断开信号 的作用 由于模拟开关具有功耗低 速度快 无机械触点 体积小和使用寿命 长等特点 其内部电路组成和工作原理如图 1 2 所示 图 1 2 模拟开关的电路组成和工作原理 综上所述 本设计技术要求波型选择开关响应速度快 所以采用方案二 使用 8 选 1 模拟开关 CD4051 3 D A 转换器的设计方案与论证 方案一 按照输出类型的不同可以分为电压输出型和电流输出型器件 电 压输出型 D A 转换器采用内置的输出放大器来实现低阻抗的输出 没有放大部 分的延迟 可以做到很高的速度且一般用于高阻抗负载的情况下 电流输出型 D A 转换器则用得较少 方案二 按照接口类型的不同可以分为串行输出和并行输出器件 并行 D A 转换器的转换速度快 但占用 I O 多 串行 D A 转换器输出建立时间相对 于并行 D A 转换器稍长 但芯片与 CPU 连接时使用引线少 电路简单 成本 低 方案三 按照数字量的位数可以分为 8 位 10 位 12 位 16 位等 D A 转 换器 位数越大分辨率越大但相应的成本也越高 综上所述 综合三个方案中选择性价比较好的 D A 转换器 本设计采用 Maxim 公司的 8 位串行电压输出型 D A 转换器 MAX517 4 信号采样电路的设计方案 方案一 采用并行 A D 转换芯片 并行方式一般在转换后可直接接收 转 换时间快但使用芯片的引脚比较多 方案二 采用串行 A D 转换芯片 串行方式所用芯片引脚少 封装小 在 PCB 板上占用的空间也小 但需要软件处理才能得到所需的数据 综上所述 结合本设计对数据采样的各项要求和单片机引脚的具体情况 采用 TI 公司的 8 位串行 A D 转换芯片 TLC549 通过单片机 AT89S52 产生满 足时序要求的输入 输出时钟 以及对 A D 芯片的片选控制 完成对整个 A D 转换过程的控制 TLC549 具有 8 位分辨率模数转换 最大转换时间为 17us 每秒访问和转换最多可达 40000 次 功耗低 可以满足本设计要求 5 显示方式的设计方案论证与选择 方案一 采用 LED 数码管显示 如果需要显示的内容较多 过多增加数码 管的个数显然不可行 进行轮流显示则控制复杂 此外 数码管需要较多连线 使电路复杂 功耗比较大 方案二 采用带字库的液晶模块 LCD12864 显示 可以显示字符 图片 利用单片机直接驱动液晶显示模块 设计简单 且显示界面宽大美观舒适 耗 电小 综上所述 本设计要显示的内容较多 所以选择方案二 采用 LCD12864 实时显示波形的型类 频率 占空比和幅度等功能 6 电源模块的设计方案论证与选择 方案一 采用升压型稳压电路 用两片 MC34063 芯片分别将 3V 的电池电 压进行直流斩波调压 得到 5V 的稳压输出 只需使用两节电池 既节省了电 池又减小系统体积重量 但该电路供电电流小 供电时间短 无法保证系统长 期稳定运作 方案二 采用环形变压器 与普通变压器相比激磁能量和铁心损耗将减少 25 电效率高达 95 以上 漏磁小 电磁辐射小 振动噪声小 无需另加屏 蔽层来屏蔽电磁干扰 适合用在高灵敏度和易受高频影响的电子设备上 加上 三端固定稳压器获得 5V 电源 5V 用 LM7805 输出 5V 用 LM7905 输出 先在变压器的输出段用一个用整流二极管组成的整流桥整流 再用电容滤掉高 频成分 这样就可以获得一个纹波系数小 稳定的电压 综上所述 选择方案二 采用环形变压器三端稳压器电路 1 2 31 2 3 系统组成系统组成 经过以上方案的比较和论证 最终确定的系统组成框图如图 1 3 所示 4 4 键盘输入全部用作功能键 单片机通过 CD4051 控制频段范围 在选择的频段 范围内通过设定的按键步进调节就可以得到需要的信号 频率数值设定在 10 20MHz 范围内直接送到 LCD12864 显示 图 1 3 系统组成框图 4 4 键盘 电路 12864 显 示电路 MAX038 波形发 生电路 A D 采样电 路 CD4051 频率选 择电路 AT 89 C5 2 输出信号放大 电路 D A 转换电 路 电路 2 2 硬件电路设计 硬件电路设计 2 12 1 单片机最小系统设计单片机最小系统设计 单片机的复位电路由电容串联电阻构成 由 电容电压不能突变 的性质 可以知道 当系统一上电 RST 脚将会出现高电平 并且 这个高电平持续 的时间由电路的 RC 值来决定 典型的 51 单片机当 RST 脚的高电平持续两个机器 周期以上就将复位 所以 适当组合 RC 的取值就可以保证可靠的复位 单片 机的震荡电路为系统提供基本的时钟信号 单片机最小系统电路如图 2 1 所示 图2 1 单片机最小系统电路 2 22 2 MAX038MAX038 波形发生器电路波形发生器电路 MAX038 的外围电路如图 2 2 所示 引脚 A0 A1 接单片机 I O 口 引脚 COSC 接电容选择电路的 X 引脚 引脚 REF 是输出正 2 5V 电压 用作控制占 空比的 D A 转换器的基准电压输入 IN 引脚是频率控制引脚 通过一个 25K 电阻与 D A 转换器输出端相连 若负载是容性较大的负载 则 MAX038 的输出端与一个 50 的电阻相连 由于 MAX038 的输出信号为恒定的 2V P P 且输出电流不高 所以必须依 靠输出级的放大电路来提供足够的输出电压和电流 由放大电路和 A D 转换芯 片组成数据采样系统则可以实现数据采样 所以设计应该满足以下要求 1 首先 要求放大电路具有很高的频宽 因为输出信号最大基频为 20MHz 起三角波和矩形波的高次谐波成分很高 只有高频宽才能得到不失真 图 2 2 MAX038 外围电路图 的输出波形 2 其次 高频大信号放大要求放大电路有足够的输出电压转换速率 3 另外 要带动低阻负载 放大电路的电流输出能力也是个重要参数 要在 100的负载上输出 6V 信号 则放大器至少要有 60mA 的连续电流输出能 力 2 32 3 CD4051CD4051 模拟开关模拟开关电路电路 单片机通过控制模拟开关 CD4051 来选择 F C 的电容量 从而确定频率范围 本系统共有 8 个频段供切换 输出频率范围与 F C 的对应关系如下表 2 1 所示 表 2 1 输出频率范围与 F C的对应关系 波段 F C电容值 频率范围 1100 F 0 1Hz 2Hz 210 F 2Hz 20Hz 31 F 20Hz 200Hz 40 1 F 200Hz 2KHz 50 01 F 2KHz 20KHz 61000pF 20kHz 200KHz 7100pF 200kHz 2MHz 820pF 2MHz 20MHz 图 2 3 CD4051 模拟开关电路 CD4051 模拟开关电路如图 2 3 所示 CD4051 相当于一个单刀八掷开关 开关接通哪一通道 由输入的 3 位地址码 ABC 来决定 此外 CD4051 还设有 另外一个电源端 VEE 以作为电平位移时使用 从而使得通常在单组电源供电 条件下工作的 CMOS 电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关 并使这 种多路开关可传输峰 峰值达 15V 的交流信号 2 42 4 D AD A 转换电路转换电路 D A 转换电路由 2 片 MAX517 及外围电路组成 分别与 MAX038 的 IN 引脚和 DADJ 引脚相连 如图 2 4 所示 其中与 DADJ 相连的 D A 转换器是双 极性输出 为了保证 D A 转换器总线在空余方式为高电平 所以接上拉电阻 另 MAX517A 为调节占空比输出 所以要用双极性接法 运算放大器采用的是 MAX414 是美信公司的 4 路输出精密运算放大器 D A 模块转换选用 2 路用于 双极性输出正负电压的转换 2 52 5 信号输出模块设计信号输出模块设计 输出信号采样电路模块设计由一片 MAX414 和 TLC549 构成 分别与单片 机 P3 5 P3 6 和 P3 7 脚连接 如图 2 5 所示 其中 MAX414 将输出 模拟信号 图 2 4 D A 转换电路 图 2 5 输出信号采样电路 放大 模拟输入信号 ANALOG IN 经过 TLC549 内部采样 保持器至 8 bit 逐 次比较式 A D 转换器 片选控制端 CS 低有效 和输入 输出时钟端 I O CLOCK 与独立的内部系统时钟通过内部逻辑控制电路 实现外部接口与内部 的数据传输 通过单片机从而实现波形幅度的控制 2 62 6 LCD12864LCD12864 显示电路显示电路 采用带字库的点阵图形液晶模块 LCD12864 可以显示汉字 字符和图形 等 且功耗很低 显示效果美观 LCD12864 的 D0 D7 接单片机 P0 口 RS RW 和 LCDEN 分别接 P2 0 P2 1 和 P2 2 口 可调电阻 RP21 用来调节 LCD 显示屏的亮度 PSB 接高电平 表示这里采用的是并行数据控制方式 显 示电路如图 2 6 所示 图 2 6 LCD12864 显示电路 2 72 7 4 44 4 矩阵键盘输入电路矩阵键盘输入电路 输入电路模块采用 4 4 矩阵键盘输入 如图 2 7 所示 行列分别与单片机 的 P1 口连接 按键设置在行 列线的交点上 行 列线分别连接到按键开关的 两端 键盘具体划分如下 第一行主要功能是占空比调节 有微调加 1 粗调减 5 粗调加 5 占空比 50 第二行主要功能是频率的调节 有频段选择 微调 加 1 粗调加 10 微调减 1 第三行实现其他功能 有波形选择 幅度刷新 先输入功能键然后按照要求执行程序 其中 D2 是选择 MAX038 产生的波形 D1 是计算和输出频率 D0 是控制波形占空比 图 2 7 4 4 矩阵键盘输入电路 3 3 系统软件设计及分析 系统软件设计及分析 3 1 主程序主程序设计设计 开始 程序初始化 调用显示子程序 检查是否有键按下 频率调节波形选择占空比调节 选择相应 的电容 送 CD4051 波形输出 设置 A1A2 根据公式计算 VDADJ 送 D A 电路 N Y 图 3 1 主程序流程图 主程序首先是对程序进行初始化 比如 AT89C52 的初始化 输出波形 频 率占空比的初始化 然后不断的检查是否有有效键按下 并根据不同情况对其 处理 其中频率的调节则相对复杂 首先要根据键入的键值确定输出波形的基 频 从而确定所对应的值 再求出微调电压 最后把值送到 CD4051 选择相应 波形并送 LED 显示 其主程序的流程图如图 3 1 所示 3 2 A D 转换程序转换程序子程序设计子程序设计 进行多通道 A D 转换的时候 首先切换到通道 1 并进行第一次转换 等待 转换结束 再次启动转换 等待转换结果 读取 ADC 结果 然后切换到通道 2 并进行第一次转换 操作过程与通道 1 相同 依次再切换到通道 3 4 等通道 最终完成所有通道的转换 A D 转换程序的流程图如图 3 2 所示 Y N 开始 采集参数设置 启动采集 采集结束 获取采集参数 显示图形 数据 循环采集 结束 Y N 开始 扫描键盘 消抖 是否有键按下 输出按键值 Y N 退出 图 3 2 A D 转换程序流程图 图 3 3 键盘扫描子程序 3 3 按键扫描子程序按键扫描子程序设计设计 在开始扫描发现有键按下时 先进行消抖 防止由于按键振动导致误判 然后依次判断第一排键和第二排键中哪个键按下 第三排和第四排中哪个键按 下 当判断其中某一个键按下 立即输出返回值 按键扫描程序流程图如图 3 3 所示 检测键盘上有无键按下可采用查询工作方式 定时扫描工作方式和中断 4 4 系统调试及数据处理 系统调试及数据处理 4 14 1 电路调试电路调试 整个系统硬件的调试过程中 主要做了以下硬件调试 1 在显示电路中 加上了一个 10K 的精密可调电阻 这样可以调节液 晶模块的亮度 2 D A 转换电路中 为了保证 D A 转换器总线在空余方式为高电平 两个 DA 转换器都要的数据线和时钟线都接上拉电阻与电源相连 并加一个 去耦电容 3 MAX038 的模拟电源和数字电源需要分开 供电时加上电容去耦 同 样模拟地和数字地的处理也要慎重 PCB 板上要用低阻地平面分别将模拟地 和数字地连接 再在某点连接两地 4 在信号采样电路的的运算放大器的 1 脚和 2 脚并接一个 330P 电容 这样 这样能是输出波形更加正确 4 24 2 系统软件调试系统软件调试 系统软件调试是通过程序调节从而使电路系统更好的工作 以期得到更接 近准确的数据 从而使电路工作输出更精确 更接近实际 本设计主要做了以 下软件调试 1 在频率处理时 由于电路本身设计不足和外界的干扰 致使 LCD12864 显示的频率与用数字示波器观察得到的频率有一定的差别 但通过 一组组的数据观察和比较 发现了其中的误差规律 一次次对数据进行记录 统计 分析 总结 进行了一次次的纠正 从而减小了误差 2 在 D A 转换控制占空比的过程中 由于要取得双极性输出 需要用 到两个运算放大器 在这过程中会损耗部分电压 这就使得理论计算得到的电 压在输入 MAX038 的 DADJ 引脚时不准确 因此占空比的输出也会有误差 为 了减少误差需要在软件调试中加上所测得的损耗的电压 这样达到输出的占空 比误差减小到最低 3 延时消除键抖动 就是说一旦发现有键按下 就延时 25ms 以后再测 按键的状态 这样就避免按键发生抖动的那一段时间 使 CPU 能可靠的读按键 的状态 键盘扫描中应防止误按按键的情况 这种情况的发生通常是由于键扫 描速度和键处理速度较快 当某一个按下的键还未松开时 键扫描程序和键处 理程序就执行了 为了防止发生这种情况 在键扫描程序中不仅要检测是否有 按键按下 在有键按下的情况 作一次键处理 而且在键处理完毕后 还应检 测按下的键是否松开 只有当按下的键松开以后 程序才往下执行 这样每按 一个键 只作一个键处理 使两者达到同步 消除按一次按键有多次键值输入 的错误情况 4 34 3 数据处理数据处理 硬件电路完成后 对数据进行整理 用数字示波器显示的频率和振幅作为 真实值 A0 波形发生器 LCD12864 显示的频率和振幅作为测量值 Ax 对两 者进行观察 记录 统计 分析 我们发现 误差总是呈现一定的规律变化 下面对两者显示的各个频段的的数据的比值 a A0 Ax 绝对误差 A A0 Ax 相对误差 r A A0 进行总结 表 4 1 频率数据处理总结 数据处理总结 频段测量频率的范围 单位 Hz 比值 a 相对误差 r 11 211 0152690 015017 216 2300 998332 0 0017 399 20651 0000584 99E 05 4470 195000 998769 0 00125 583550 2033600 993446 0 00666 621140 12630000 997919 0 00222 1 由表 4 1 统计可得频率平均相对误差 0 015017 0 0017 4 99E 05 0 00125 0 00666 0 00222 0 011921 7 0 002165 式 4 1 2 振幅 不加负载时 平均相对误差 0 007342 当负载变化时 负载变化 范围 100 输出电压幅度变化在误差允许范围内 3 证明了 波形发生器的稳幅输出功能 波形发生器的频率数据统计时我们采用粗调增加的方式读取数据 每一频 段都读取 25 个数据进行统计 比值 a 和相对误差 r 剔除坏值后再取平均 值 对数据统计时 特别在 1KHz 以下的频率 示波器显示的数据中最后一位 或两位一般都不稳定 采取估读的方式来读取数据 这样获得的数据和真是值 之间存在一定的误差 通过众多数据统计结果 可以证实波形发生器的误差很 小 在设计要求的误差允许范围内 符合设计要求 能比较真实的反映情况 4 44 4 设计结果设计结果 经过反复调试 本设计主要完成了以下功能 1 能产生正弦波 方波 三角波 等几种周期性波形 并且可通过调节变形 成其它相关波形 2 输出波形的频率范围为 1Hz 20MHz 可以通过键盘进行步进粗调和微调 频率 通过外部中断可同步调节频率 具有在低频部分调节步进小 在高频部 分大的特点 3 占空比在 10 90 范围内 可通过键盘进行步进粗调和微调 以及占 空比 50 可以一键调节 4 输出波形幅度范围为 0 07 4 63V 峰 峰值 可通过精密可调电阻任意 调整 还能实现稳幅输出的功能 5 LCD12864 具有同时显示输出波形的类型 频率 占空比和幅度的功能 以上功能基本上符合毕业设计任务书中所要求的任务 致致 谢谢 本文从选题到完成的整个过程 得到指导老师的悉心指导 老师渊博的学 识 谦虚 严谨的治学态度 灵活的思维方式 认真的工作作风和对学生的关 心都令我佩服不已 谆谆教诲使我受益匪浅 这必将在今后的学习和工作中给 我鼓励和鞭策 为以后步入社会 适应工作奠定良好的基础 在此 本人由衷 的表示的感谢 感谢南华大学电气工程学院的老师们在这四年里不仅在专业的 学习上给予我的帮助 更感谢他们在我的为人处事上给予的教诲 在论文的完成过程中 还得到其他学院多位老师和同学的热情帮助 在此 表示感谢 感谢评审论文的各位专家 老师为本文提出的宝贵的意见 最后 向所有 曾给予我关心和帮助的师长 朋友及家人表示感谢 参考文献参考文献 1 清华大学电子学教研组编 童诗白 华成英主编 模拟电子技术基础 M 第 3 版 北 京 高等教育出版社 2011 2 黄志伟 全国大学生电子设计竞赛培训教程 M 北京 电子工业出版社 2005 3 谭浩强 C 程序设计 M 第 2 版 北京 清华大学出版社 1999 4 何香玲 郑钢 数字化波形发生器的设计 J 电子技术应用 2007 03 35 38 5 李琳 单片高频函数发生 MAX038 及其应用 J 现代电子技术 2007 13 66 70 6 王佩珠 电路与模拟电子技术 M 南京 南京大学出版社 1995 7 胡煜 MAX038 在精密频率合成波形发生器中的应用 J 现代电子技术 2007 01 68 70 8 涂时亮等 单片微机控制机术 M 上海 复旦大学出版社 1994 9 张凤言 电子电路基础 M 第 2 版 北京 高等教育出版社 1995 10 谢淑如等 Protel PCB 99SE 电路板设计 M 北京 清华大学出版社 2001 11 张肃文 高频电子线路 M 北京 高等教育出版社 1984 12 常新华 林春勋等 高频信号发生器原理 维修与鉴定 M 北京 电子工业出 版社 1996 13 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛制作实训 M 北京 北京航空航天大学 版社 2007 14 江太辉等 高频波形发生器的特性 J 信息技术报 1999 07 10 31 15 贾玉瑛 丁红 MAX038 和单片机在信号发生与频率测量中的应用 J 包头钢 铁学院学报 1998 04 1 80 16 陈大钦主编 模拟电子技术基础 M 第 2 版 北京 高等教育出版社 2000 17 Pual Horowitz and Win field Hill The Art of Electronics M 2nd ed Cambridge city Cambridge University Prees 1989 18 费业泰 误差理论与数据处理 M 北京 机械工业出版社 2001 19 俞大光编 电工基础 中册 M 修订本 北京 北京高等教育出版社 1965 20 肖达川编著 电路分析 M 北京 科学出版社 1984 附录一附录一 原理图原理图 图 1 总原理图 附录二附录二 PCBPCB 图图 图 2 PCB 图 附录三附录三 元器件清单元器件清单 元器件大小和数量 CD4051 1 个 MAX038 1 个 MAX414 3 个 MAX517 2 个 AT89C52 1 个 可变电阻1K 2 个 2K 1 个 5K1 个 10K 1 个 晶振11 0592M 1 个 开关1 个 4 4 键盘1 个 电容1000p 1 个 100p 3 个 20p 2 个 22p 1 个 电容100u 1 个 10u 1 个 1u1 个 0 1u 8 个 0 01u1 个 电容380p 1 个 10p 2 个 电阻5K 1 个 10K 2 个 电阻50 2 个 20K 3 个 4 7K 4 个 200 1 个 附录四附录四 程序清单程序清单 include define unsigned int uint define unsigned char uchar sbit RS P2 0 sbit WR P2 1 sbit LCDEN P2 2 sbit B1 P2 3 sbit B2 P2 4 sbit CLK P2 5 sbit TLC549CS P2 6 sbit TLC549OUT P2 7 sbit A1 P3 2 sbit A2 P3 3 sbit A3 P3 4 sbit WR P2 1 sbit K1 P1 0 sbit K2 P1 1 sbit K3 P1 2 sbit K4 P1 3 sbit K5 P1 4 sbit K6 P1 5 sbit K7 P1 6 sbit K8 P1 7 控制频率的串行 MAX517 的函数 起始条件子函数 void start0 void SDA0 1 SCL0 1 nop SDA0 0 nop 停止条件子函数 void stop0 void SDA0 0 SCL0 1 nop SDA0 1 nop 应答子函数 void ack0 void SDA0 0 nop SCL0 1 nop SCL0 0 发送数据子程序 ch 为要发送的数据 void sendda0 uchar ch uchar BitCounter 8 位数控制 uchar tmp 中间变量控制 do tmp ch SCL0 0 if tmp else SDA0 0 SCL0 1 tmp ch 1 左移 ch tmp BitCounter while BitCounter SCL0 0 串行 DA 转换子函数 void dacout0 uchar ch start0 发送启动信号 sendda0 0 x58 发送地址字节 ack0 sendda0 0 x00 发送命令字节 ack0 sendda0 ch 发送数据字节 ack0 stop0 结束一次转换 占空比调节程序 控制占空比的串行 MAX517 的函数 起始条件子函数 void start1 void SDA1 1 SCL1 1 nop SDA1 0 nop 停止条件子函数 void stop1 void SDA1 0 SCL1 1 nop SDA1 1 nop 应答子函数 void ack1 void SDA1 0 nop SCL1 1 nop SCL1 0 发送数据子程序 ch 为要发送的数据 void sendda1 uchar ch uchar BitCounter 8 位数控制 uchar tmp 中间变量控制 do tmp ch SCL1 0 if tmp else SDA1 0 SCL1 1 tmp ch 1 左移 ch tmp BitCounter while BitCounter SCL1 0 串行 DA 转换子函数 void dacout1 uchar ch start1 发送启动信号 sendda1 0 x58 发送地址字节 ack1 sendda1 0 x00 发送命令字节 ack1 sendda1 ch 发送数据字节 ack1 stop1 结束一次转换 波形选择程序 void boxing uchar boxing 波形选择 switch boxing case 0 A0 0 A1 1 send str 0 x93 name04 6 break 正弦波 case 1 A0 0 A1 0 send str 0 x93 name05 6 break 方波 case 2 A0 1 A1 0 send str 0 x93 name06 6 break 三角波 case 3 A0 1 A1 0 send str 0 x93 name07 6 break 矩齿波 case 4 A0 0 A1 0 send str 0 x93 name08 6 break 脉冲 default break 频段选择程序 void pinduan uchar pinduan 单位控制频段选择函数 switch pinduan case 0 Y2 0 Y1 0 Y0 0 send num 0 x85 0 1 break 选择 100uf 电容 case 1 Y2 0 Y1 0 Y0 1 send