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说明初步稿子2009年****大学第一届大学生电子设计竞赛设计报告书设计题目波形发生器所在学院所在班级__061参赛队员指导教师李国良竞赛时间
09.
5.8~
09.
5.11目录摘要………………………………………………………………………ⅠAbstract…………………………………………………………………Ⅱ引言…………………………………………………………………………Ⅲ第一章总体设计分析………………………
11.1设计任务的基本要求………………………………………………
1.
1.1基本要求
1.
1.2发挥部分
1.2设计的基本思路…………………………………………………第二章总体方案设计…………………………………………………
2.1设计方案论证…………………………………………………………
2.2设计方案比较与选择…………………………………………………第三章硬件单元模块方案论证及设计…………………………
3.1硬件单元模块方案论证
3.
1.1开关电路的设计方案论证与选择
3.
1.2D/A转换器的设计方案与论证
3.
1.3__采样电路的设计方案
3.
1.4显示方式的设计方案论证与选择
3.
1.5电源模块的设计方案论证与选择
3.2硬件单元模块设计
3.
2.1__X038波形发生电路模块
3.
2.2CD4051模拟开关电路
3.
2.3输出__采样电路模块设计
3.
2.3LCD12864显示电路设计
3.
2.44*4矩阵键盘输入电路模块
3.
2.4电源模块的设计
3.
2.5单片微机控制电路设计第四章系统软件设计及分析………………………………………
4.1系统流程分析
4.2主体程序流程图第五章系统调试及数据处理………………………………
5.1调试仪器
5.2硬件电路的调试………………………………………………………
5.3系统软件调试……………………………………………………
5.4数据处理………………………………………………………………
5.5结论第六章设计总结…………………………………………….
6.1设计的小结
6.2设计收获体会…………………………………………………
6.3对设计的进一步完善提出意见或建议____致谢附录A系统原理图附录B系统PCB图附录C系统__图附录D材料清单表附录E设计源程序波形发生器摘要本系统以ICL8038集成块为核心器件,制作一种函数__发生器,制作成本较低适合学生学习电子技术测量使用ICL8038是一种具有多种波形输出的精密振荡集成电路,只需要个别的外部元件就能产生从
0.001Hz~30KHz的低失真正弦波、三角波、矩形波等脉冲__输出波形的频率和占空比还可以由电流或电阻控制另外由于该芯片具有调制__输入端,所以可以用来对低频__进行频率调制关键词ICL8038,波形,原理图,常用接法W__eformGeneratorAbstractICL8038chiptothesystemasthecoredevi__stheproductionofafunctionsignalgeneratorthelowertheproductioncosts.Suitableformeasuringstudentlearningusingelectronictechnology.ICL8038isasophisticatedmulti-w__eoscillationoutputintegratedcircuitsonlyindividualcomponentscanbegeneratedfromexternal
0.001Hz~30KHzlow-distortionsinew__e________w__erectangularw__epulsesignal.Outputw__eformofthefrequencyanddutycyclecanalsobecontrolledbythecurrentorresistan__.Alsoasaresultofthechiphasamodulationinputsignalitcanbeusedtocarryoutlow-frequencysignalsoffrequencymodulation.Keywords:ICL8038w__eformssche__ticsthencommonlaw引言在电子工程、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系统设计及调试过程中,用不同频率的正弦波、三角波和方波常作为__源,应用十分方便过去常由分立元件及集成运放构成振荡器分立元件体积大、相对耗能高、故障率高随着集成电路的迅速发展,用集成电路可很方便地构成各种__波形发生器用集成电路实现的__波形发生器与其它__波形发生器相比,其波形质量、幅度和频率稳定性等性能指标,都有了很大的提高 第一章总体设计分析
1.1设计任务的基本要求
1.
1.1基本要求
(1)具有正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能;
(2)输出波形的频率范围为100HZ~20KHZ,频率步进≤200HZ;
(3)输出__频率稳定度优于10-3;
(4)失真度用示波器观察无明显失真;
(5)具有显示输出波形的类型、重复频率(周期)和幅度的功能
1.
1.2发挥部分
(1)输出波形频率范围扩展至100KHZ~1MHZ;
(2)输出波形幅度范围0~5V(峰-峰值),可按步进
0.1V(峰-峰值)调整;
(3)增加稳幅输出功能,当负载变化时,输出电压幅度变化不大于±3%(负载电阻变化范围100Ω~∞).
1.2设计的基本思路题目要求设计一个波形发生器,波形发生器的输出为正弦波、方波、三角波设计中利用ICL8038单片函数__发生器的特性,产生各种波形第二章总体方案设计
2.1设计方案论证
一、方案一单片机波形发生器,通过软件和硬件结合充分利用了软件的优点发挥其优势尽可能地减少了硬件开销方便、快捷地生成特定的频率、幅度的波形数据;在单片机控制下利用电路产生地址、读出数据送入D/A转换电路得到所需的波形__在输出的同时将波形数据存储在数据存储器中这样可以保证掉电以后波形数据不丢失其硬件框图如图1所示图1单片机波形发生器 波形的产生通过单片机内的程序实现采用两片D/A转换器来控制输出第一片用于输出波形第二片用于控制第一片的参考电压将第二片的输出作为第一片的参考电压以便由程序来控制输出波形的幅值变化从而实现波形幅值改变频率的产生由硬件实现频率的变化由程序来控制通过改变定时器的初值来改变输出波形相邻两点的时间间隔从而实现波形频率的改变波形的合成也通过程序实现具有很高的精度和线性组合的灵活性
二、方案二利用单片集成芯片实现波形发生器这种__发生器只需要很少外部元件就能产生多种波形__且达到较高频率,且易于调试,实现的难度比方案一要低其硬件框图如图2所示图2单片集成芯片实现波形发生器
三、方案三利用专用直接数字合成DDS芯片实现波形发生器这种波形发生器能产生任意波形并达到很高频率其硬件框图如图3所示图3DDS芯片实现波形发生器
2.2设计方案比较与选择以上三个方案都能满足设计的基本要求,但是各自都有优缺点,分别比较如下方案一使用软件和硬件结合的方式,此方案电路简单绝大部分功能由程序实现减少了硬件开销但是对软件的要求较高,调试程序的任务艰巨;在有限的时间内,完成该方案是有一定难度的,此方案适合平时的制作练习方案二采用单片集成芯片实现波形发生器这种__发生器只需要很少外部元件就能产生多种波形__且达到较高频率,且易于调试,制作简单方案三采用DDS(又称DDFS),即直接数字频率合成方案这是目前实际应用的任意波形发生器常采用的方案这种波形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__发生芯片__X038产生可调频率、幅度和占空比的波形__第三章硬件单元模块方案论证及设计
3.1硬件单元模块方案论证
3.
1.1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,__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__或断开__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4所示图4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CD
40513.
1.2D/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ADC
8113.
1.3__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TLC
549.通过单片机AT__S52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
3.
1.4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、__,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
3.
1.5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__稳定运作采用方案二电源综上所述,选择方案二,采用环形变压器三端稳压器电路
3.2硬件单元模块设计
3.
2.1__X038波形发生电路模块__X038的__电路如下图5所示,引脚A
0、A1接单片机I/O口,引脚COSC接电容选择电路,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转换器输出端相连图5__X038的__电路若负载是容性较大的负载,则__X038的输出端与一个50Ω的电阻相连由于__X038的输出__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__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的输出波形
(2)其次,高频大__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__,则放大器至少要有60__的连续电流输出能力
3.
2.2CD4051模拟开关电路CD4051开关电路见图6CD4051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来决定其真值表见表1“EN”是禁止端,当“EN”=1时,各通道均不接通此外,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__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__图6CD4051开关电路表1真值表输入状态接通通道ENCBA0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1均不接通
3.
2.3D/A转换电路模块D/A转换电路由DAC083___电路组成,分别与AT__S52的P0口P
2.
7、P
3.6和LM324相连如图7所示图7DAC0832的D/A转换电路
3.
2.3输出__采样电路模块设计输出__采样电路模块设计由一片AD811和TLC549构成,分别与单片机P
2.
3、P
2.4和P
2.5脚连接,如图8所示,其中AD811将输出 模拟__放大,模拟输入__(____OGIN)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/OCLOCK)与__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图8输出__采样电路模块设计
3.
2.3LCD12864显示电路设计如图9所示,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E分别接P
2.
3、P
2.4和P
2.5口可调电阻R9用来调节LCD显示屏的亮度图9LCD12864显示电路设计
3.
2.44*4矩阵键盘输入电路模块输入电路模块采用4*4矩阵键盘输入,如图10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对键盘的工作过程可分两步第一步是CPU首先检测键盘上是否有键按下;第二步是消抖;第三步是识别是哪一个键按下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工作方式图104*4矩阵键盘输入电路
3.
2.4电源模块的设计电源电路是用环形变压器三端固定稳压器获得±5V电源,+5V用7805输出,-5V用7905输出,环形变压器的电压经过三端固定稳压器,再经整流桥整流,用电容滤掉高频成分如图11图11±5V稳压电源电路
3.
2.5单片微机控制电路设计单片微机控制电路如图12所示单片微机ATS__52用于控制整个系统的运行控制,计算处理由单元电路传送来的数据并输出图12单片微机控制电路第四章系统软件设计及分析
4.1系统流程分析4*4键盘输入全部用作功能键,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__X038产生的波形,D1是计算和输出频率,D0是控制波形占空比,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__频率数值设定在10~
2.4MHz范围内直接送到LCD12864显示表2波形选择关系波形选择逻辑关系表数值A0A1输出波形000方波,脉冲波1X1正弦波211三角波,锯齿波表3键盘界面键盘操作界面微调+粗调-粗调+占空比50%频段微调+粗调+微调-波形幅度刷新首先由=/,电流由
0.5V~5V通过电阻R12=25K,得到20~200μA的电流,抛开重叠的频段不计,表4__X038频率范围及电容关系图在D/A转换部分和波形发生部分则根据以下公式计算控制频率D/A转换器公式电路的振荡频率为=(1-
0.2915)=(1-
0.2915)/由于电路原因以及程序问题,设计的波形发生器产生的波形的频率、振幅等不可能如理论那么准确
4.2主体程序流程图图13主体程序流程图第5章系统调试及数据处理
5.1调试仪器频率计SAMPOCN3165数字万用表示波器
5.2硬件电路电路的调试整个系统硬件的调试有以下
(1)电源电路采用环形变压器,减少电磁干扰,减少纹波系数获得较纯净和稳定的电源
(2)显示电路中,为了获得较好的亮度,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
(3)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
(4)__X038的模拟电源和数字电源需要分开,供电时加上电容去耦,电源线相对长时要加上大电容滤波;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
(5)__线要尽量布在焊接面,这样可减少__间的干扰,这一点对系统的性能尤为重要,因为系统性能受__X038的IN、FADJ、COSC、DADJ等引脚周围的分布电容及__环境变化的影响特别敏感此外这些引脚线的长度和__应尽量短小
(6)在__采样电路的的运算放大器的1脚和2脚并接一个330P的钽电容C80,这样,在高频的时候消除自激现象,波形得到明显改善
(7)在高频线路中,电源去藕是一个关键问题整个线路往往会由于电源引线而产生电路谐振,当有大的瞬时变化时,也会产生尖峰干扰__消除这2种现象的有效办法就是在片子的电源管脚与地之间加上适当的去耦电容
5.3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有以下软件调试
(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,我们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__X038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
5.4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5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.
0152690.015017216~
2300.998332-
0.0017399~
20651.
0000584.99E-054470~
195000.998769-
0.00125583550~
2033600.993446-
0.0066662___0~
12630000.997919-
0.002227858270~
24000001.
013130.011921数据处理总结
(1)由表
4.3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
(2)另外,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100Ω~∞),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+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,我们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肯定存在一定的误差通过众多数据统计结果,我们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
5.5结论第六章设计总结
6.1设计的小结
(1)本设计能产生正弦波、方波、三角波、锯齿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~
2.4MkHz;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、频段、频率、占空比和幅度的功能
6.2设计收获体会在构思方面该设计制作的等精度频率计,其测频范围很宽,可以测量零点壹Hz到几十MHz的脉冲__但随着所测频率高低的不同,测试方法也不一样在高频段通常是采用测脉冲个数来进行测频;而在低频段一般是采用测量__正负脉冲的脉宽求得周期计算频率的方法,都能保证测量的精度在电路方面利用单片微机、2个计数器以及D触发器对被测__脉冲与标准__脉冲实现同步计数,完成频率测量功能在算法方面……….在这___两个星期中,老师给予了我们很大帮助,特别看到三个老师在实验室吃快餐的时刻,真的让我们很感动,在此特别感谢一直给予我们指导的老师,同时也感谢我们的同组同学团结互助,以及本班同学给予了许多有用的建议……..
6.3对设计的进一步完善提出意见或建议本设计按照设计的要求,采用按键调控的方法对波形、频段、频率进行选择和调控,然后得到所需的波形、频段和频率,而不是传统的采用可变电阻调节占空比和频率的方法,很方便实用当然本设计也有一些不足,虽然采用按键调控的方便简捷,但是难免会在电路出现误差,而且误差在调控的时候也会出现,通过计算得出的理论值与测量值之间存在差别,另外由于D/A转换精度的关系,本设计只是采用8位精度的D/A转换芯片,D/A转换精度越高,产生的占空比和频率也越精确,本设计对于输入的每个频率值都不一定能达到实际值,只能尽量的接近,但是在高频的时候这种缺陷越明显,要弥补这个缺陷
(1)尽量采用高精度的D/A转换器
(2)用__X038的特有公式进行多次软件调试
(3)在最后波形输出用程控分频器计算机频率然后送回程序调试进行最终输出接近真实值的频率____
[1]戴佳,戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲..北京电子工业出版社,2007年11月
[2]赵建领.51系列单片机__宝典.北京电子工业出版社2007年4月
[3]何小艇.电子系统设计(第三版).浙江浙江大学出版社2004年8月
[4]赵广林.常用电子元器件识别/检测/选用一读通.北京电子工业出版社
[5]康华光.模拟电子技术基础.北京高等教育出版社,2004年4月
[6]电子制作200年合订本.北京《电子制作》__社2008年1月
[7]杨龙麟.电子测量技术.北京人民邮电出版社2007年7月
[8]张吉玲,张晴.__X038及函数__发生器[J].南昌大学学报(理科版),2000,24
(4)351-355
[9]__XIM.__X
038.pdf19-0266:Rev2a;9/96
[10]网络http://___.baidu.com,http://___.google.cn致谢在这次设计制作中,非常感谢李国良老师细心指导和详细的修改,无论在理论上还是实践中都给予我们有很大的帮助,使我们得到不少的提高,在软件部分设计的思路、方案及软件调试方面都给予宝贵___在这里我衷心的感谢___及同组同学余辛波、陈龙的支持附录A设计原理图附录B设计PCB图附录C元器件清单序号元件名称型号大小数量单位12电阻34567891011121314附录D设计源程序开始初始化功能LCD显示键盘扫描频率调制波形选择占空比调制显示数值范围是否在10%~90%__X038的A
0、A1选择波形计算D/A所需要数据D0选择8个频段之一计算D/A所需要数据D1单片机输入D0串行数据单片机输入D1串行数据采集A/D所需要数据D2单片机输入D2串行数据键稳定键按下前沿抖动前沿抖动图14键合断时的电压抖动。