畢業論文--基于單片機的信號發生器的設計-wenkub.com

　 　

【正文】 杜老師一絲不茍的作風，嚴謹求實的態度，踏踏實實的精神值得我去好好學習。 首先要感謝學校給我提提供了做這個 設計 的機會，感謝學校的各位領導和老師一直以來對我的教導和幫助。本設計中沒有設計幅值的顯示電路，這些問題的解決還需要做很多工作。 （ 3） 闡述了軟件設計的總體思想，根據軟件方案并結合硬件電路，給出了總體以及幾個子模塊的流程圖， 并 用 C51 語言編制 了 相應程序。 本文的主要研究成果如下： （ 1） 經過對信號源設計技術的研究，分析并指出模擬合成法和直接頻率合成法等傳統設計方法的局限性，闡述了 DDS 技術在信號發生器中應用的優勢。此液晶模塊采用并行發送數據的方式，占用少量的 I/O口，同時在程序上占用空間很小。 為了提 高 CPU 的工作效率，可以采用中斷的方法掃描鍵盤，平時 CPU 可以執行任何操作程序，僅當鍵盤上有鍵閉合時產生中斷請求。每傳輸一次 8 位的控制碼后，延時,置單片機引腳 為 1，即產生一個有效的 W_CLK 上升沿信號，將控制碼送入 AD9850輸入數據寄存器當中，重復 5 次后，就可將 40位的控制碼全部加載到 AD9850的輸入數據寄存器當中，然后再延時 1ns,置單片機引腳 1，即產生一個有效的 FQ_UD 上升沿信號，再延時 1ns 后，將 40 位的控制碼全部加常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 33 載到 AD9850 中的 DDS 頻率合成部分中，經過 13 到 18 個周期后，就可以得到所需要的信號了。在 FQ_UD 端信號的上升沿將 40 位的控制字加載進入相位累加器，并且將地址指針復位指向第一個數據輸入地址端。在并行數據輸入模式下， 40位的數據控制字經 8位數總據線分 5次重復輸入。在此軟件工作時，首先由用戶從 4 4鍵盤輸入所需要的信號的頻率值，初始相位值，以及設定 AD9850 的工作模式。 (3)D36D32是相位調制碼，用來控制 AD9850的相位調制量。 AD9850 的數據輸入模式分為兩種：并行輸入模式和串行輸入模式。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 29 圖 41系統總體流程圖 系統初始化 及控制字寫入 系統初始化 系統初始化主要是 在主程序中完成，主 要 包括 AD9850的初始化、單片機的初始化和 LCD的初始化。單片機完成鍵盤掃描程序判斷輸入的頻率相位值是否超出系統所限制的范圍，如果超出范圍則要重新輸入，沒有超出范圍單片機將輸入頻率值轉換成 AD9850 所需頻率 /相位控制碼，并將頻率值轉換為 BCD碼存在 RAM中，然后通過 89C51的 P2口 將頻率控制字送入 AD9850數據寄存器，通過串行輸出口輸出頻率值至 LCD驅動電路，在相應的輸出端就可以輸出相應的信號波形，相應 的頻率值也可以在 LCD上顯示。 本系統軟件由主程序模塊、按鍵處理模塊、波形產生模塊、液晶顯示模塊構成。 圖 315 2和 3腳連接時，方波連接至三角波產生電路 圖 316 三角波產生電路 幅度 調節 的設計 選用高精度低噪聲 ,閉環增益大于等于 5，性能表現穩定的 MAX437 芯片，常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 27 通過調節電位器 ,可以對信號輸出幅度起到調節的作用。 當 t=t1時： )/(4/ 1110 tURCTUUtU cmom ??? （ ） 在 t1和 t2區間： t t Ut Ut U1m U1m U1m T/2 T U1m 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 26 RC TUttRCURCUdtURCU mmmtt m 4)(41 111121 10 ??????? ? （ ） 當 t=t2是： )/(4/ 21120 tUURC TUtU cmm ????? （ ） 由上述公式可知在輸入方波的負半周和正半周期間，一條直線，斜率分別為1mURC 和 1mURC? ，因此輸出是三角波， 其正負峰值分別為 1mU 4RC 和 1mU4RC? 。 根據理論知識， 我們知道，將方波積分即可得到三角波。 通過比較各濾波器的幅頻特性，并結合系統要求，本文選用橢圓濾波器對DDS的輸出進行濾波， 按照低通濾波器的理想分析方法，采用查歸一化濾波器手冊的方法設計出原始的 7階橢圓低通濾波器，確定元件值。 其中巴特沃斯濾波器通帶最平坦，它的通帶內沒有紋波，在靠近零頻率處，常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 23 有最平坦通帶 ，趨向阻帶時衰減單調增大，缺點是從通帶到阻帶的過渡帶最寬，對于帶外干擾信號的衰減作用最弱，過渡帶不夠 陡峭，因此它適用于對通帶要求較高，而去除的頻率離通帶較遠的情況； 切比雪夫濾波器在通帶內衰減在零值和一個上限值之間做等起伏變化，阻帶內衰減單調增大，帶內有起伏，但過渡帶比較陡峭 ； 橢圓濾波器不僅通帶內有起伏，阻帶內也有起伏，而且過渡帶陡峭。并行寫入方式的優點是數據讀寫快，缺點是占用更多的 I/O 資源。 本設計顯示模塊是用來顯示鍵盤鍵入的頻率、相位值和頻率、相位 、波形名稱和單位 等字樣，故本設計選擇 LCD1602顯示器，與單片機連接電路如圖 39所示。 ② 字符的顯示 用 LCD顯示一個字符時比較復雜，因為一個字符由 68 或 88 點陣組成，既要找到和顯示屏幕上某幾個位置對應的顯示 RAM區的 8字節，還要使每字節的不同位為 “1” ，其它的為 “0” ，為 “1” 的點亮，為 “0” 的不亮。如果根據驅動方式來分，可以分為靜態驅動（ Static）、單純 矩陣驅動（ Simple Matrix）和主動矩陣驅動（ Active Matrix）三種。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 20 （ 1）液晶顯示原理 液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性，通過電壓對其顯示區域進行控制，有電就有顯示，這樣即可以顯示出圖形。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 19 圖 38 4 4矩陣鍵盤電路 按鍵號 功能定義 按鍵號 功能定義 S1 0 S9 8 S2 1 S10 9 S3 2 S11 A S4 3 S12 B S5 4 S13 C S6 5 S14 確認鍵 S7 6 S15 * S8 7 S16 表格 31按鍵功能定義 顯示電路 在單片機系統中，要實現良好的人機界面，除了需要鍵盤等輸入設備以外，一般還配有顯示輸出設備。由此得到閉合鍵的行值和列值，然后可采用計算法或查表 法將閉合鍵的行值和列值轉換成所定義的鍵值。 P2口與 AD9850的 相關控制字寫入端口 相連，進行串行控制，對 DDS芯片寫入控制字，從而實現相應的波形 輸出。在串行輸入方式， W_CLK 上升沿把 25 引腳的一位數據串行移入，當移動 40 位后，用一個 FQ_UD 脈沖即可更新輸出頻率和相位。 AD9850 的控制字與控制時序 AD9850 有 40 位控制字， 32 位用于頻率控制， 5 位用于相位控制。 DAC 滿量程輸出電流通過一個外接電阻 setR 調節，調節關系為 setI =32()，常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 16 setR 的典型值是 ? 。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅動 DAC以輸出模式量。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。圖 35為其 內部結構框圖 。 VINN：轉換電平輸入，是比較器的反相輸入。 IOUT： DAC的模擬電源輸出。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 14 RESET：重新設置。 FQ_UD：頻率更新時鐘。 DVDD：數字電路電源。 RSET： DAC外部電阻 RSET連接處。 AD9850采用 CMOS 工藝，其功耗在 左右。 51 單片機的復位是由 RESET 引腳來控制的，此引腳與高電平相接超過 24個振蕩周期后， 51單片機即進入芯片內部復位狀態，而且一直在此狀態下等待，直到 RESET 引腳轉為低電平后，才檢查 EA 引腳是高電平或低電平，若為高電平則執行芯片內部的程序代碼，若為低電平便會執行外部程序。 晶振或陶瓷諧振器，振蕩器產生的時鐘頻率主要由 SYS參數確定（晶振上標明的頻率）； 電容 C1和 C2的作用有兩個：其一是使振蕩器起振，其二是對振蕩器的頻率 f起 微調作用（ C C2大， f變小）。 MCS51單片機允許的時鐘頻率是因型號而異， 典型值為 12MHz。 ：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的 /PSEN信號將不出現。此時， ALE 只有在執行 MOVX， MOVC 指令是 ALE 才起作用。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。當振蕩器復位器件時，要保持 RST 腳保持兩個機器周期的高電平時間。 口： P3 口管腳是 8 個內部帶上拉電阻的雙向 I/O 口，可接收輸出 4 個TTL門電流。這是由于內部上拉的緣故。 P1口管腳寫入 1后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 10 當 P1口的管腳第一次寫 1時，被定義為高阻輸入。該器件采用 ATMEL 高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準 MCS51指令集和輸出管腳相兼容。 圖 23 DDS 波形輸出 第三章 系統 硬件設計 波形的產生與控制部分由 51 單片機與 DDS 芯片 (AD9850)組成，其中前者作為正弦波，常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 9 余弦波，方波的合成芯片，后者實現三角波的合成。 ④ 數 /模轉換器（ DAC） DAC 的作用 是將幅度序列碼轉換為階梯波。那么只要選擇恰當的頻率控制字 M滿足 : 2out Ncf Mf ? （ 21） 就可以 得到 所需要的輸出頻率。 ② 相位累加器 相位累加器是由 加法器和反饋寄存器 兩部分組成的 ,其結構如圖 21 所示 ,每一個參考時鐘信號脈沖 ,都會使作為相位增量的頻率控制字 M 進入到相位累加器 ,并與之存儲的相位值相加 ,得到歸一化的相位值 ,再輸入正弦查表進行查詢。考慮到本設計的單片機的功能，本系統采用 最為常用的 51單片機 即 AT89C51 來作為控制模塊 （ 2）鍵盤和顯示模塊 本設計鍵盤 模塊 選擇 4*4鍵盤用來選擇 波形 相位、 頻率 值 ；顯示模塊 采用LCD1602， 主要是用來顯示波形的頻率等。 常州工學院電子信息與電氣工程學院畢業設計說明書 6 系統組成 及工作原理 系統組成 系統框圖如圖 所示， DDS 波形發生器主要由五大模塊 (單片機控制模塊、鍵盤與顯示模塊、數字合成模塊、濾波模塊及運放模塊 )組成。而且它還有一些優點比如：成本低、性能較高，但是該方案無法達到論文設計的頻率要求。 設計 方案的選擇 函數信號發生器的實現方法一般有下面幾種： 方案一：利用分離元件組成的函數信號發生器，但基本上都是單函數發生器而且它有一些缺點比如：頻率不高，工作也不很穩定，不方便調試。具有線路相對簡單，結構緊湊，價格低廉，頻率穩定度高，抗干擾能力強，用途廣泛等優點，并且能夠對波形進行細微調整，改良波形，使其滿足系統的要求。同時，其體積小，對于強磁場環境易于采取屏蔽措施，適合于在惡劣環境下工作。為了滿足工業控制要求，一般單片機的指令系統中有極豐富的轉移指令， I/O 口的邏輯操作指令以及位操作指令。其最明顯的優勢就是可以嵌入到各種儀器、設備中，這是其他計算機和網絡都無法做到的。新 一代的臺 式儀器有更多的特性，而且可以執行更多的功能。現在函數信號發生器由臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新開發的 VXI模塊。而且可以使用一種非常有效的數學方程的輸入方式，那么即使是復雜的波形也可以由簡單的數學公式組合而成 ,就是 :v=f(t)的形式。 二十一世紀， 隨著 集成電路技術高速 發展，出現了很多工作頻率可以超過GHz的 DDS芯片， 推動了函數信號發生器的發展，到 2022年， Agilent 公司生產的 33220A可以產生 17種波形，最高的頻率可以到 20M， 2022年生產的 N6030A可以產生 500MHz的頻率，采樣的頻率可達 。 這個時期的波形發生器大都以軟件為主，其實質上是采用微處理器對 DAC的程序控制，這樣我們就可以得到各種簡單的波形。 70年代以前，信號發生器主要分為：正弦波信號發生器和脈沖波信號發生器，但是函數發生器處于兩類之間，它可以提供余弦波、正弦波、三角波、方波、鋸齒波、上弦波等常用的波形，產生 其它的波形時，則需要用到較復雜的電路加上機電結合的方法。 信號發生器的發展歷史 信號發生器作為一 種常用電子儀器設備，傳統的信號發生器是完全由硬件電路搭接而成， 如用 555 振蕩電路 產生正弦波、三角波、方波鋸齒波的電路便是