智能信号发生器.
单片机技术课程设计说明书智能信号发生器专业电气工程及其自动化学生姓名班级学号指导教师完成日期2015年 12 月 11 日目录课题认识························································2一、 系统设计与方案论证·······································31.1课题要求与内容··········································31.2系统方案设计············································31.3主控模块的选择 ········································41.4系统设计总框图··········································5二、系统硬件电路设计···········································52.1单片机最小系统设计······································52.2信号发生模块电路设计····································72.2.1D/A转换元件的选择·····································72.2.2系统的D/A转换电路 ··································72.2.3TLC5615的时序分析 ·······························8 2.3开关电路设计············································8三、系统软件设计···············································93.1系统软件流程图 ········································93.2主控制器软件设计········································93.3波形产生模块的子程序设计································10四、实践应用···················································114.1开发工具及环境··········································114.1.1系统软件设计环境与步骤································114.1.2系统硬件设计环境与电路的绘制··························124.2系统出现的问题：·········································124.3硬件静态的调试故障措施：·································12五、仿真图及结果分析 ·········································13六、结束语·····················································15参考文献·······················································16附录···························································17附录一 智能信号发生器总接线图······························17附录二 总程序··············································18课题认识波形发生器是一种常用的信号源，广泛地应用于电子工程、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。 基于直接频率合成（DDS）技术实现的波形发生器具有频率分辨率高，频率切换速度快，输出信号噪声低，易于集成等优点，具有较高的实用价值。直接数字频率合成技术（DDS），就是将要产生的波形数据存入波形存储器中，然后在参考脉冲的作用下，对输入的频率数据进行累加并将累加器的输出经过转换后作为读取波形存储器的地址，读出的波形数据经过数模转换后变为电压信号，也就是连续的阶梯信号，再加一级低通滤波电路，过滤掉波形信号里的高频成分，即可得到较为理想的波形信号。 单片机以其体积小，功能齐全，价格低廉，可靠性高等方面所具有的独特优点，长期以来被广泛的应用在各个领域。作为一种优秀的控制装置，当只要求波形发生装置工作在频率较低的频段时，用单片机取代专用DDS芯片和FPGA，通样可以得到频率精确可调的高质量的波形信号。本系统将波形数据存放在单片机的存储器中，利用软件编程的方法模拟DDS原理，实现直接数字频率合成的功能。本设计主要由主控制器模块和信号发生模块两大部分组成。采用AT89C52单片机为主控制器，由它来控制DDS芯片通过TLC5615完成数字量输入到模拟量输出的转换，然后经运放调节电压幅度，产生1MHz15MHz的正弦波、锯齿波和三角波，最后由示波器显示。本论文其重点讨论了TLC5615基本工作原理、DAC数模转换及其与89C52单片机控制系统的硬件结构和软件设计框图。一、系统设计与方案论证1.1课题要求与内容设计目的：（1）了解转换与单片机的接口方法；（2）了解转换芯片的性能及编程方法；（3）了解单片机系统中扩展转换的基本方法设计要求：利用数字序列输出一个从0V开始逐渐升至5V再降至0V的可变电压，循环并且利用示波器观测波形。制作信号发生器，并且讨论精度及其提高的方法。(使用TLC5615)本文共分为四个大部分： 第一部分：系统总体方案设计，提出了信号发生器系统的总体设计方案，并进行比较，最终选择了最优方案进行设计。 第二部分：系统硬件设计部分，详细说明了系统的硬件设计，以及各模块的硬件设计说明。 第三部分：系统软件设计部分，阐述了系统主流程图以及各子程序流程图。 第四部分：系统的调试，阐述了系统软硬件调试过程。 1.2系统方案设计目前，波形发生器设计方案主要有以下几种： 1方案一 用分立元件组成的函数发生器。分立器件是相对于集成芯片而言的。随着科学技术的不断发展，人们渐渐步入电子时代，分立器件也被也被广泛应用到消费电子、计算机及外设、网络通信，汽车电子、LED显示平等领域。它包括：半导体二极管、半导体三极管、电容、电阻、逻辑器件、传感器、敏感器件以及装好的压电晶体类似半导体器件等。 用分立器件组成的函数信号发生器通常机构简单、成本较低。但是由于元器件的分散性及环境条件的改变等因素，致使波形频率产生偏差，它通常是单函数发生器且平率不高，其工作不很稳定，不易调试。 2方案二 制作函数信号发生器可用运放IC、晶体管等通用元器件。晶体管、运放IC等通用器件均可以制作函数信号发生器，用专业的发生器产生信号则是普遍选择。函数信号发生器IC在早些时候，如M8045、CA102、XR5547等，不仅精度不够高，功能也比较少，频率上限只有200kHz，若想产生更高的频率信号是难以实现的，再加上不够灵活的调节方式，频率，占空比无法单独调节。 由于用通用器件制作的信号发生器同样具有频率不高的缺点，因此，在本论文设计中，此种方案也不宜采用。 3方案三 采用TLC5615通过查表得方式输出需要的波形，通过单片机定时向DAC转化器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出。这种方法能够实现各种需要的波形的输出，成本也不高，只是在扩展外设的时候浪费了大量的接口，以后的系统扩展可能会有影响。 4方案四 利用专用直接数字合成DDS芯片制作的函数信号发生器。DDS有如下优点： （1）速度快，可达到s数量级； （2）频率分辨率较高，输出频点多，可达多个频点切换； （3）能够输出正交信号； （4）频率切换时能实现相位连续； （5）可以产生任意的波形； （6）输出噪声低，对参数频率源的噪声有改善作用； 虽然DDS有上述诸多优点，而且利用直接数字合成DDS芯片实现的函数信号发生器能够产生任意波形并达到很高的频率，克服了方案一、方案二的多数缺点，但是限于本人学识有限与课程要求，故本设计采用方案三。1.3主控模块的选择 方案一：用单片AT89C52作为系统的主控核心。单片机具有体积小，使用灵活的，易于人机对话和良好的数据处理，有较强的指令寻址和运算功能等优点。且单片机功耗低，价格低廉的优点。 方案二：C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的微控制器内核，与MCS-51指令集完全兼容。片内集成了控制系统和数据采集中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件，还具有标准8052的数字外设部件，而且执行速度快，但其价格较贵。 方案三：用FPGA等可编程器件作为控制模块。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，密度高，速度快，稳定性好等许多有点。FPGA在掉电后会丢失数据上电后须进行一次配置，因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序。并且FPGA作为数字逻辑器件，竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。 在此系统中，采用AT89C52单片机作为控制比采用C8051F005单片机、FPGA实现更简便。基于综合性价比，确定选择方案一。1.4系统设计总框图开关模块三角波信号发晶振电路主控制模块生模块锯齿波复位电路正弦波图1.系统设计总框图本系统主要包括以下几个模块：主控制器及其接口电路模块，波形产生模块。其中，主控制器负责接收并处理来自开关的命令输入，由信号发生模块输出模拟信号，再由示波器显示当前波形的频率值或幅值。二、系统硬件电路设计根据系统框图可知，本系统的硬件电路设计应包括单片机最小系统设计、信号发生模块设计和开关提示电路设计等。2.1单片机最小系统设计单片机最小系统是指在保证控制器正常工作的前提下，所需的最小计硬件电路，它主要包括：晶振电路、复位电路、供电电路。 单片机最小系统如图2所示：图2.单片机最小系统下面分析一下电路中各个部分的作用： 1. 供电电路：40脚接电源+5V，20脚接地，这样便完成了单片机的供电。 2. 选择使用内部ROM：我们下载程序的时候是将程序下载到单片机内部的ROM里面存放，将EA/VPP端接到高电平（+5V），就告诉单片机系统我们选择的是内部的ROM，这样单片机工作的时候就会执行内部ROM里面的代码了。如果将EA/VPP接地，单片机就会执行扩展的外部ROM，我们没有扩展ROM呀，以后在没有扩展ROM的时候我们都将它接高电平就可以。 3. 复位电路：复位电路的原理是单片机RST引脚接收到2us的电平信号，只要保证电容的充放电时间大于2us可实现复位，所以电路中的电容值是可以改变的。按键按下系统复位，电解电容处于一个短路电路中，释放了所有的电能，电阻两端的电压增加引起的。单片机最小系统复位电路的电解电容C3大小直接影响单片机的复位时间，一般采用1030uF，单片机最小系统容值越大需
