相位信号发生器毕业设计论文.doc

摘 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：DA转换器；相位信号的产生；单片机；放大器目 录摘 要I第1章 绪 论11.1 课题研究的现状11.2 相位信号发生器的基本原理21.2.1 相位和相位差的概念31.2.2 信号发生器技术的发展41.2.3 信号发生器技术的分类51.3 研究内容与意义7第2章 系统设计方案与实现92.1 频率和相位的设计思路92.2 系统硬件组成92.2.1主要元器件介绍112.2.2 系统硬件142.2.3 功能模块原理阐述142.3 软件程序设计162.3.1 显示子程序162.3.2 键盘控制子程序162.3.3 主控制程序16第3章 系统测试与误差分析173.1 测试环境和测试173.2 数据处理分析173.3 小结17第4章 总结与展望19致 谢21参考文献23附 录25第1章 绪 论1.1 课题研究的现状现代相位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0.001o，相位测量范围为0360o，180o180o，少数可达720o。在相位准确度方面6，低频为0.002o，高频为0.2o，微波为0.5o。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30o。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11。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7。1.2 相位信号发生器的基本原理1.2.1 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。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。相位是对于一个波，特定的时刻在它循环中的位置：一种它是否在波峰、波谷或它们之间的某点的标度。是描述讯号波形变化的度量，通常以度（角度）作为单位，也称作相角。 当讯号波形以周期的方式变化，波形循环一周即为360 。常应用在科学领域，如数学、物理学等。 例如：在函数y=Asin(x+)中，x+称为相位。 (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8。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 信号发生器技术的发展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产生了。随着通讯和雷达技术的发展40年代出现了主要用于测试各种接收标准信号发生器，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。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，这时波形发生器多采用模拟电子技术，由分裂元件或模拟集成电路构成，其电构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种波形，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，而且模拟器件构成存在尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波电路结构非常复杂，自从70年代微处理器的出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换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，但这些办法是有限度的，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，目前信号发生器的基础就是直接数字合成技术，用高速存储器做查询表，通过数字形式存入的波形，由高速|模转换器产生所需要的波形。到了1988年，出现了几种真正高性能、高价格的函数发生器。当时liP公司推出了型号位HP8770S的信号模拟装置系统，它是由HP8770A任意波形数字化器和HPI波形发生软件组成。HP8770S也只能产生8种波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司生产的型号为Data-2020的多波形合成器，Leeroy公司生产的型号位9100的任意波形发相邻模块的高速通讯的局部总线。PXI具有高度可扩展性，可扩展到256个扩展槽。吧台式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，这种方式也将形成未来主流的测控仪器平台之一。1.2.3 信号发生器的分类正弦信号发生器：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。用555制作的多波形信号发生器低频信号发生器：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。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。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。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值;还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。扫频和程控信号发生器：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。扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。标准信号发生器频率合成式信号发生器：这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨力。频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达1000兆赫左右。用得较多的间接式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器(在环路中同时能实现倍频、分频和混频)，使之产生并输出各种所需频率的信号。这种合成器的最高频率可达26.5吉赫。高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能(调幅、调频和调相)，加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。函数发生器：又称波形发生器。它能产生某些特定的周期性时间函数波形(主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等)信号。频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。脉冲信号发生器：产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级和衰减器等组成。随机信号发生器：随机信号发生器分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器：完全随机性信号是在工作频带内具有均匀频谱的白噪声。常用的白噪声发生器主要有：工作于1000兆赫以下同轴线系统的饱和二极管式白噪声发生器;用于微波波导系统的气体放电管式白噪声发生器;利用晶体二极管反向电流中噪声的固态噪声源(可工作在18吉赫以下整个频段内)等。噪声信号发生器主要用途是：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统的性能;外加一个已知噪声信号与系统内部噪声相比较以测定噪声系数;用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测试系统的动态特性。伪随机信号发生器：用白噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，则会出现统计性误差，这可用伪随机信号来解决。当二进制编码信号的脉冲宽度墹T足够小，且一个码周期所含墹T数N很大时，则在低于fb=1/墹T的频带内信号频谱的幅度均匀，称为伪随机信号。1.3 研究内容与意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。直接数字合成技术(DDS 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9。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，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10。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，丰富其实用价值，具有现实意义。第2章 系统设计方案与实现2.1 频率和相位的设计思路方案一：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 系统硬件组成系统把由单片机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。硬件电路图如图1所示，硬件电路印制电路板图如图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)图1 硬件原理图图2 硬件电路印制板图2.2.1主要元器件介绍(1) AT89S52高性能8位单片机AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器和256 bytes的随机存取数据存储器(RAM)，AT89S52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。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。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得AT89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。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) 运算放大器OPA2335AIDOPA2335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 (3) TL431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。图3 TL431符号图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3所示。TL431的具体功能可以用如图4的功能模块示意。图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 图1 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。(4) 模数转换芯片TLC7524CNTLC7524CN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位数：8建立时间(uS)：0.100输出类型：电流通道数：1DNL最大值(1LSB)：0.500INL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/0702.2.2 系统硬件首先是电源部分，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 功能模块原理阐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5所示。MCUS1 S2 S3 S4 移位寄存器移位寄存器移位寄存器移位寄存器1# 2# 3# 4#图5 键盘和显示电路图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上欲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；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。2.3 软件程序设计2.3.1 显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，程序部分见附件。2.3.2 键盘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,程序部分见附件。2.3.3 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，程序部分见附件。第3章 系统测试与误差分析3.1 测试环境和测试(1)测试环境时间：2009年5月20日温度：25(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。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。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。3.2 数据处理分析本系统实现了题目基本部分的要求，经过测试，相位信号产生器的测量频率范围为：1Hz50Hz，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。3.3 小结系统实现了设计基本要求，经过测试，相位信号产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，并且可以实现快速频率转换，频率、相位都能方便地进行控制。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12，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。第4章 总结与展望本系统实现了题目基本部分的要求，经过测试，相位信号产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。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，我不段遇到各种困难，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，包括划原理图、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，还有很多布完善的地方。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。(2)再深入学习语句的执行，执行的效率，再用C语言设计好的程序，让程序执行效率更高致 谢在论文完成之际，我首先向关心帮助和指导我的指导老师谭伟东表示衷心的感谢并致以崇高的敬意！对在本次设计中和我一起努力学习，一起奋斗拼搏，遇到问题互相帮助的同学们，致以崇高的感谢。在论文工作中，遇到了难以攻破的问题，一直得到老师的亲切关怀和悉心指导，使我受益匪浅谭伟东老师以其渊博的学识、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! 值此论文完成之际，谨向谭伟东老师致以最崇高的谢意!在此，我希望老师可以身体健康，以后可以有更多向我一样的学生受到老师的指导与帮助。在学校的学习生活即将结束，回顾两年多来的学习经历，面对现在的收获，我感到无限欣慰。马上就要和朝夕相处的同学们说再见了，在这两年里，因为有你们的陪伴，让我的大学生活丰富多彩，在这两年里，因为有各位老师的悉心教导，我才可以学到如此多的专业知识和丰富的课余知识。为此，我向热心帮助过我的所有老师和同学表示由衷的感谢。在我即将完成学业之际，我深深地感谢我的家人给予我的全力支持！因为有了家人的支持，我才可以无忧无虑的读完三年的大专，有了他们的各方面支持，我才可以在这学到如此多的知识，丰富了我的精神世界，为我走以后的路起到了一个指明的作用。最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位专家、教授。你们辛苦了！参考文献1徐江海.单片机实用教程.机械工业出版社，2007.2任旭虎，梁 锴，宋玉章. 低频数字式移相信号发生器的设计. 仪表技术与传感器，2004.3唐丽丽，何 刚，文小森. 基于89C51的信号发生器设计与实现. 仪表技术与传感器，2007.4吴振宇等.正弦信号发生器的设计与制作. 应用电子制作，2007.5汤忠庆. 一种正弦波信号发生器的设计. 电子工程师，2006.6周航慈，饶运涛.单片机程序设计基础.北京航空航天大学出版社，2002.7国家计量检定规程汇编.温度手册 国家计量局，2000.8孙涵芳，徐爱卿.MCS-51/96系列单片机原理及应用.北京航空航天大学出版社，1999.9张良杰，林盛 PLM程序设计技巧与实例荟萃.科学 出版社.199610张立勋，王立权，杨勇.机械电子学.哈尔滨工程大学出版社.200311康华光.电子技术基础.高等教育出版社，2003.附 录显示部分void display_led(void) unsigned int zancun_temp; unsigned char qian; unsigned char bai; unsigned char shi; unsigned char ge; if(pin_xiang=0) /显示频率，同时频率指示灯亮 zancun_temp=pinlv; ge=zancun_temp%10; zancun_temp=zancun_temp/10; shi=zancun_temp%10; zancun_temp=zancun_temp/10; bai=zancun_temp%10; zancun_temp=zancun_temp/10; qian=zancun_temp; pinlvdeng=0; xiangweideng=1; else /显示相位，同时相位指示灯亮 zancun_temp=xiangwei; ge=zancun_temp%10; zancun_temp=zancun_temp/10; shi=zancun_temp%10; zancun_temp=zancun_temp/10; bai=zancun_temp%10; zancun_temp=zancun_temp/10; qian=zancun_temp; pinlvdeng=1; xiangweideng=0; str=0; if(flash_bit=0) & int_T2=1) SBUF=0x00; else SBUF=arrge; while(!TI); TI=0; if(flash_bit=1) & int_T2=1) SBUF=0x00; else SBUF=a