畢業(yè)設(shè)計(jì)：基于單片機(jī)和max038的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 X517。（4）信號(hào)采樣電路的設(shè)計(jì)方案 方案一，采用并行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，并行方式一般在轉(zhuǎn)換后可直接接收，轉(zhuǎn)換時(shí)間快但使用芯片的引腳比較多。 方案二，采用串行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片，串行方式所用芯片引腳少，封裝小，在PCB 板上占用的空間也小，但需要軟件處理才能得到所需的數(shù)據(jù)。 綜上所述，結(jié)合本設(shè)計(jì)對(duì)數(shù)據(jù)采樣的各項(xiàng)要求和單片機(jī)引腳的具體情況，采用 TI 公司的 8 位串行 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 TLC549。通過(guò)單片機(jī) AT89S52 產(chǎn)生滿足時(shí)序要求的輸入/輸出時(shí)鐘，以及對(duì) A/D 芯片的片選控制，完成對(duì)整個(gè) A/D轉(zhuǎn)換過(guò)程的控制。TLC549 具有 8 位分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為 17us， 每秒訪問(wèn)和轉(zhuǎn)換最多可達(dá) 40000 次，功耗低，可以滿足本設(shè)計(jì)要求。（5）顯示方式的設(shè)計(jì)方案論證與選擇 方案一，采用 LED 數(shù)碼管顯示。如果需要顯示的內(nèi)容較多，過(guò)多增加數(shù)碼管的個(gè)數(shù)顯然不可行，進(jìn)行輪流顯示則控制復(fù)雜，此外，數(shù)碼管需要較多連線，使電路復(fù)雜，功耗比較大。 方案二，采用帶字庫(kù)的液晶模塊 LCD12864 顯示。可以顯示字符、圖片，利用單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)液晶顯示模塊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且顯示界面寬大美觀舒適，耗電小。 綜上所述，本設(shè)計(jì)要顯示的內(nèi)容較多，所以選擇方案二，采用 LCD12864南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 5 頁(yè) 共 42 頁(yè)實(shí)時(shí)顯示波形的型類、頻率、占空比和幅度等功能。（6）電源模塊的設(shè)計(jì)方案論證與選擇方案一，采用升壓型穩(wěn)壓電路。用兩片 MC34063 芯片分別將 3V 的電池電壓進(jìn)行直流斬波調(diào)壓，得到+5V 的穩(wěn)壓輸出。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池又減小系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時(shí)間短，無(wú)法保證系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)作。 方案二，采用環(huán)形變壓器，與普通變壓器相比激磁能量和鐵心損耗將減少25%，電效率高達(dá) 95%以上，漏磁小，電磁輻射小，振動(dòng)噪聲小，無(wú)需另加屏蔽層來(lái)屏蔽電磁干擾，適合用在高靈敏度和易受高頻影響的電子設(shè)備上。加上三端固定穩(wěn)壓器獲得177。5V 電源，+5V 用 LM7805 輸出，5V 用 LM7905 輸出，先在變壓器的輸出段用一個(gè)用整流二極管組成的整流橋整流，再用電容濾掉高頻成分，這樣就可以獲得一個(gè)紋波系數(shù)小、穩(wěn)定的電壓。綜上所述，選擇方案二，采用環(huán)形變壓器三端穩(wěn)壓器電路。 系統(tǒng)組成經(jīng)過(guò)以上方案的比較和論證，最終確定的系統(tǒng)組成框圖如圖 所示。4*4鍵盤輸入全部用作功能鍵，單片機(jī)通過(guò) CD4051 控制頻段范圍，在選擇的頻段范圍內(nèi)通過(guò)設(shè)定的按鍵步進(jìn)調(diào)節(jié)就可以得到需要的信號(hào)，頻率數(shù)值設(shè)定在 10～ 20MHz 范圍內(nèi)直接送到 LCD12864 顯示。圖 系統(tǒng)組成框圖4*4 鍵盤電路12864 顯示電路MAX038 波形發(fā)生電路A/D 采樣電路CD4051 頻率選擇電路AT89C52輸出信號(hào)放大電路D/A 轉(zhuǎn)換電路電路南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 6 頁(yè) 共 42 頁(yè)硬件電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)的復(fù)位電路由電容串聯(lián)電阻構(gòu)成，由電容電壓不能突變的性質(zhì)， 可以知道，當(dāng)系統(tǒng)一上電，RST 腳將會(huì)出現(xiàn)高電平， 并且， 這個(gè)高電平持續(xù)的時(shí)間由電路的 RC 51 單片機(jī)當(dāng) RST 腳的高電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上就將復(fù)位， 所以， 適當(dāng)組合 RC 的取值就可以保證可靠的復(fù)位。單片機(jī)的震蕩電路為系統(tǒng)提供基本的時(shí)鐘信號(hào)。單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 MAX038 波形發(fā)生器電路MAX038 的外圍電路如圖 所示，引腳 A0、A1 接單片機(jī) I/O 口，引腳COSC 接電容選擇電路的 X 引腳，引腳 REF 是輸出正 電壓，用作控制占空比的 D/A 轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓輸入， IN 引腳是頻率控制引腳，通過(guò)一個(gè) 25K電阻與 D/A 轉(zhuǎn)換器輸出端相連。若負(fù)載是容性較大的負(fù)載，則 MAX038 的輸出端與一個(gè) 50Ω 的電阻相連。由于 MAX038 的輸出信號(hào)為恒定的 2V（PP） ， 且輸出電流不高，所以必須依靠輸出級(jí)的放大電路來(lái)提供足夠的輸出電壓和電流，由放大電路和 A/D 轉(zhuǎn)換芯南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 7 頁(yè) 共 42 頁(yè)片組成數(shù)據(jù)采樣系統(tǒng)則可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采樣。所以設(shè)計(jì)應(yīng)該滿足以下要求：(1) 首先，要求放大電路具有很高的頻寬。因?yàn)檩敵鲂盘?hào)最大基頻為20MHz，起三角波和矩形波的高次諧波成分很高，只有高頻寬才能得到不失真 圖 MAX038 外圍電路圖的輸出波形。(2) 其次，高頻大信號(hào)放大要求放大電路有足夠的輸出電壓轉(zhuǎn)換速率。(3) 另外，要帶動(dòng)低阻負(fù)載，放大電路的電流輸出能力也是個(gè)重要參數(shù)。要在 100 的負(fù)載上輸出 6V 信號(hào)，則放大器至少要有 60mA 的連續(xù)電流輸出能?力。 CD4051 模擬開(kāi)關(guān)電路單片機(jī)通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān) CD4051 來(lái)選擇 FC的電容量，從而確定頻率范圍。本系統(tǒng)共有 8 個(gè)頻段供切換，輸出頻率范圍與 的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下表 所示。表 輸出頻率范圍與 F的對(duì)應(yīng)關(guān)系波段 C電容值 頻率范圍1 100μF ～2Hz2 10μF 2Hz～20Hz3 1μF 20Hz～200Hz4 200Hz～2KHz南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 8 頁(yè) 共 42 頁(yè)5 2KHz～20KHz6 1000pF 20kHz～200KHz7 100pF 200kHz～2MHz8 20pF 2MHz～20MHz圖 CD4051 模擬開(kāi)關(guān)電路CD4051 模擬開(kāi)關(guān)電路如圖 所示。CD4051 相當(dāng)于一個(gè)單刀八擲開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)接通哪一通道，由輸入的 3 位地址碼 ABC 來(lái)決定。此外，CD4051 還設(shè)有另外一個(gè)電源端 VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CMOS 電路所提供的數(shù)字信號(hào)能直接控制這種多路開(kāi)關(guān)，并使這種多路開(kāi)關(guān)可傳輸峰－峰值達(dá) 15V 的交流信號(hào) D/A 轉(zhuǎn)換電路D/A 轉(zhuǎn)換電路由 2 片 MAX517 及外圍電路組成，分別與 MAX038 的 IN引腳和 DADJ 引腳相連，如圖 所示，其中與 DADJ 相連的 D/A 轉(zhuǎn)換器是雙極性輸出。為了保證 D/A 轉(zhuǎn)換器總線在空余方式為高電平，所以接上拉電阻。另 MAX517A 為調(diào)節(jié)占空比輸出，所以要用雙極性接法，運(yùn)算放大器采用的是MAX414 是美信公司的 4 路輸出精密運(yùn)算放大器。 D/A 模塊轉(zhuǎn)換選用 2 路用于雙極性輸出正負(fù)電壓的轉(zhuǎn)換。 信號(hào)輸出模塊設(shè)計(jì)輸出信號(hào)采樣電路模塊設(shè)計(jì)由一片 MAX414 和 TLC549 構(gòu)成，分別與單片南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 9 頁(yè) 共 42 頁(yè)機(jī) 、 和 腳連接，如圖 所示，其中 MAX414 將輸出 模擬信號(hào) 圖 D/A 轉(zhuǎn)換電路圖 輸出信號(hào)采樣電路南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 10 頁(yè) 共 42 頁(yè)放大，模擬輸入信號(hào)（ANALOG IN）經(jīng)過(guò) TLC549 內(nèi)部采樣/保持器至 8bit 逐次比較式 A/D 轉(zhuǎn)換器。片選控制端（CS，低有效）和輸入/輸出時(shí)鐘端（I/O CLOCK）與獨(dú)立的內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)內(nèi)部邏輯控制電路，實(shí)現(xiàn)外部接口與內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳輸，通過(guò)單片機(jī)從而實(shí)現(xiàn)波形幅度的控制。 LCD12864 顯示電路采用帶字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶模塊 LCD12864，可以顯示漢字、字符和圖形等。且功耗很低，顯示效果美觀。LCD12864 的 D0～D7 接單片機(jī) P0 口，RS、 RW 和 LCDEN 分別接 、 和 口。可調(diào)電阻 RP21 用來(lái)調(diào)節(jié)LCD 顯示屏的亮度。PSB 接高電平，表示這里采用的是并行數(shù)據(jù)控制方式。顯示電路如圖 所示。圖 LCD12864 顯示電路南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 11 頁(yè) 共 42 頁(yè) 4*4 矩陣鍵盤輸入電路 輸入電路模塊采用 4*4 矩陣鍵盤輸入，如圖 所示。行列分別與單片機(jī)的 P1 口連接。 按鍵設(shè)置在行、列線的交點(diǎn)上，行、列線分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端。鍵盤具體劃分如下：第一行主要功能是占空比調(diào)節(jié)，有微調(diào)加 粗調(diào)減粗調(diào)加 占空比 50%；第二行主要功能是頻率的調(diào)節(jié)，有頻段選擇，微調(diào)加 1，粗調(diào)加 10，微調(diào)減 1；第三行實(shí)現(xiàn)其他功能，有波形選擇，幅度刷新。先輸入功能鍵然后按照要求執(zhí)行程序。其中 D2 是選擇 MAX038 產(chǎn)生的波形，D1 是計(jì)算和輸出頻率，D0 是控制波形占空比， 圖 4*4 矩陣鍵盤輸入電路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)及分析南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 12 頁(yè) 共 42 頁(yè) 主程序設(shè)計(jì)開(kāi)始程序初始化調(diào)用顯示子程序檢查是否有鍵按下頻率調(diào)節(jié)波形選擇 占空比調(diào)節(jié)選擇相應(yīng)的電容送CD4051波形輸出設(shè)置 A1A2 根據(jù)公式計(jì)算VDADJ送 D/A 電路NY 圖 主程序流程圖主程序首先是對(duì)程序進(jìn)行初始化，比如 AT89C52 的初始化，輸出波形、頻率占空比的初始化，然后不斷的檢查是否有有效鍵按下，并根據(jù)不同情況對(duì)其處理，其中頻率的調(diào)節(jié)則相對(duì)復(fù)雜，首先要根據(jù)鍵入的鍵值確定輸出波形的基頻，從而確定所對(duì)應(yīng)的值，再求出微調(diào)電壓，最后把值送到 CD4051，選擇相應(yīng)波形并送 LED 顯示。其主程序的流程圖如圖 所示。 A/D 轉(zhuǎn)換程序 子程序設(shè)計(jì)進(jìn)行多通道 A/D 轉(zhuǎn)換的時(shí)候，首先切換到通道 1 并進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)束，再次啟動(dòng)轉(zhuǎn)換，等待轉(zhuǎn)換結(jié)果，讀取 ADC 結(jié)果。然后切換到通道 2并進(jìn)行第一次轉(zhuǎn)換，操作過(guò)程與通道 1 相同，依次再切換到通道 3，4 等通道，最終完成所有通道的轉(zhuǎn)換。A/D 轉(zhuǎn)換程序的流程圖如圖 所示。南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 13 頁(yè) 共 42 頁(yè) Y N開(kāi)始采集參數(shù)設(shè)置啟動(dòng)采集采集結(jié)束？獲取采集參數(shù)顯示圖形、數(shù)據(jù)循環(huán)采集？結(jié)束YN開(kāi)始掃描鍵盤消抖是否有鍵按下？輸出按鍵值YN退出圖 A/D 轉(zhuǎn)換程序流程圖 圖 鍵盤掃描子程序 按鍵掃描子程序設(shè)計(jì)在開(kāi)始掃描發(fā)現(xiàn)有鍵按下時(shí)，先進(jìn)行消抖，防止由于按鍵振動(dòng)導(dǎo)致誤判。然后依次判斷第一排鍵和第二排鍵中哪個(gè)鍵按下，第三排和第四排中哪個(gè)鍵按下，當(dāng)判斷其中某一個(gè)鍵按下，立即輸出返回值。按鍵掃描程序流程圖如圖 所示。檢測(cè)鍵盤上有無(wú)鍵按下可采用查詢工作方式、定時(shí)掃描工作方式和中斷。系統(tǒng)調(diào)試及數(shù)據(jù)處理 電路調(diào)試整個(gè)系統(tǒng)硬件的調(diào)試過(guò)程中，主要做了以下硬件調(diào)試：（1）在顯示電路中，加上了一個(gè) 10K 的精密可調(diào)電阻，這樣可以調(diào)節(jié)液南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 14 頁(yè) 共 42 頁(yè)晶模塊的亮度。（2）D/A 轉(zhuǎn)換電路中，為了保證 D/A 轉(zhuǎn)換器總線在空余方式為高電平，兩個(gè) DA 轉(zhuǎn)換器都要的數(shù)據(jù)線和時(shí)鐘線都接上拉電阻與電源相連，并加一個(gè)去耦電容。（3）MAX038 的模擬電源和數(shù)字電源需要分開(kāi)，供電時(shí)加上電容去耦，同樣模擬地和數(shù)字地的處理也要慎重，PCB 板上要用低阻地平面分別將模擬地和數(shù)字地連接，再在某點(diǎn)連接兩地。（4）在信號(hào)采樣電路的的運(yùn)算放大器的 1 腳和 2 腳并接一個(gè) 330P 電容，這樣，這樣能是輸出波形更加正確。 系統(tǒng)軟件調(diào)試系統(tǒng)軟件調(diào)試是通過(guò)程序調(diào)節(jié)從而使電路系統(tǒng)更好的工作，以期得到更接近準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而使電路工作輸出更精確，更接近實(shí)際。本設(shè)計(jì)主要做了以下軟件調(diào)試：（1）在頻率處理時(shí)，由于電路本身設(shè)計(jì)不足和外界的干擾，致使LCD12864 顯示的頻率與用數(shù)字示波器觀察得到的頻率有一定的差別，但通過(guò)一組組的數(shù)據(jù)觀察和比較，發(fā)現(xiàn)了其中的誤差規(guī)律，一次次對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄、統(tǒng)計(jì)、分析、總結(jié)，進(jìn)行了一次次的糾正，從而減小了誤差。（2）在 D/A 轉(zhuǎn)換控制占空比的過(guò)程中，由于要取得雙極性輸出，需要用到兩個(gè)運(yùn)算放大器，在這過(guò)程中會(huì)損耗部分電壓，這就使得理論計(jì)算得到的電壓在輸入 MAX038 的 DADJ 引腳時(shí)不準(zhǔn)確。因此占空比的輸出也會(huì)有誤差，為了減少誤差需要在軟件調(diào)試中加上所測(cè)得的損耗的電壓，這樣達(dá)到輸出的占空比誤差減小到最低。（3）延時(shí)消除鍵抖動(dòng)，就是說(shuō)一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，就延時(shí) 25ms 以后再測(cè)按鍵的狀態(tài)。這樣就避免按鍵發(fā)生抖動(dòng)的那一段時(shí)間，使 CPU 能可靠的讀按鍵的狀態(tài)。鍵盤掃描中應(yīng)防止誤按按鍵的情況。這種情況的發(fā)生通常是由于鍵掃描速度和鍵處理速度較快，當(dāng)某一個(gè)按下的鍵還未松開(kāi)時(shí)，鍵掃描程序和鍵處理程序就執(zhí)行了。為了防止發(fā)生這種情況，在鍵掃描程序中不僅要檢測(cè)是否有按鍵按下，在有鍵按下的情況，作一次鍵處理，而且在鍵處理完畢后，還應(yīng)檢測(cè)按下的鍵是否松開(kāi)，只有當(dāng)按下的鍵松開(kāi)以后，程序才往下執(zhí)行。這樣每按南華大學(xué)電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)第 15 頁(yè) 共 42 頁(yè)一個(gè)鍵，只作一個(gè)鍵處理，使兩者達(dá)到同步，消除按一次按鍵有多次鍵值輸入的錯(cuò)誤情況。 數(shù)據(jù)處理 硬件電路完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用數(shù)字示波器顯示的頻率和振幅作為真實(shí)值(A0)，波形發(fā)生器 LCD12864 顯示的頻率和振幅作為測(cè)量值 (Ax)，對(duì)兩者進(jìn)行觀察、記錄、統(tǒng)計(jì)、分析，我們發(fā)現(xiàn)，誤差總是呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化。下面對(duì)兩者顯示的各個(gè)頻段的的數(shù)據(jù)的比值(a=A0/Ax)、絕對(duì)誤差( △A=A0Ax) 、相對(duì)誤差(r= △ A/A0)進(jìn)行總結(jié)：表 頻率數(shù)據(jù)處理總結(jié)數(shù)據(jù)處理總結(jié)頻段 測(cè)量頻率的范圍（單位：Hz）比值（a） 相