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多功能信号源的设计.rar

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    多功能 信号源 设计
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    科技学院 2011 届本科毕业论文多功能信号源的设计专 业:07 电子信息科学与技术指导教师: 李 良 荣 学生姓名: 张 婷 学生学号: 072004110425 中国﹒贵州﹒贵阳2011 年 5 月贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- I -页目录摘 要 .............................................................IIIAbstract...........................................................IV第一章 绪 论 ......................................................1§1.1引言 ......................................................1§1.2课题现状 ..................................................1§1.3课题的研究目的和意义 ......................................1§1.4本文结构 ..................................................2第二章 系统设计原理 ................................................4§2.1设计任务与要求 ............................................4§2.2方案的比较 ................................................4§2.3单脉冲产生电路的设计方案 ..................................7§2.4电源设计方案比较与总结 [3] ..................................8§2.5用点阵 LCD显示函数波形的应用设计 .........................10第三章 系统总体设计 ...............................................12§3.1总原理图 .................................................12§3.2 5G8038集成函数发生器工作原理 ............................13§3.2.1 5G8038的原理分析 ..................................14§3.2.2 5G8038的性能特点 ..................................15§3.2.3振荡频率的计算 [5] ...................................16§3.3电路参数设计 .............................................17§3.4波形的显示原理 ...........................................19第四章 详细设计与系统实现 .........................................21§4.1电路板的设计与制作 .......................................21§4.1.1元件清单 [6] .........................................21§4.1.2 PROTEL99SE的 PCB图生成 [7] ..........................22§4.1.3芯片安全电压检查 ...................................23§4.2 LCD显示的软硬件设计实现 .................................23贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- II -页§4.2.1硬件设计 ...........................................23§4.2.2软件设计 ...........................................24§4.3成品的调试与故障排除 .....................................26§4.3.1调试前的准备工作 ...................................26§4.3.2成品调试参数 .......................................26第五章 设计总结 ....................................................28主要参考文献 .......................................................29致 谢 .............................................................30贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- III -页多功能信号源的设计摘 要信号发生器是科研、教学、制造业中一种最常用的通用仪器,它的输出波形一般为正弦波、三角波、锯齿波和方波,不能实现有时在实验和工程应用中需要的特殊信号或自定义信号。而要满足以上条件,不是做成硬件式的专用信号发生器,就是用计算机系统来完成,前者使用不灵活,后者花费太高。然而应用单片机技术,通过软件与硬件的结合由硬件电路搭成一个环境平台,再由软件程序把要求的“任意函数信号”数据表嵌入在单片机程序存储器内,通过软件程序修改输出波形数据表,即可方便实现输出任意函数信号,而不需要改变硬件电路。本课题使用单片机 AT89C51,对其进行一次固化,可以安排四种任意波形,频率范围为 0.001~800Hz,幅值范围为 0~±10V。本文中对原理样机的软硬件系统的性能和误差进行了定量分析,然后对新型样机方案进行了原理分析和性能分析,并给出了误差的定量计算,表明此方案不但可使样机的原理频率范围提高至 1500Hz,输出幅值不变,输出分辨率提高至 212,使波形质量大为改善。希望这种性价比较高的函数信号发生器对科研、教学、制造业有所帮助。关键词单片机应用;MCS51;MCS296 信号发生器Design of Multifunctional Signal Source贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- IV -页AbstractThe ultra-low-frequency signal generator is a kind of general instrument which is wildly used in the field of scientific research, education and manufacturing.The output of common ultra-low-frequency signal generator has only a few fixed waveforms which can not be changed, but in the scientific research some special signals could be needed. But the realization of the arbitrary-function is either difficult by the hardware circuit or expensive for the application of the computer system.Nevertheless, to take advantage of single-chip-microcomputer as a core, the ultra-low-frequency arbitrary-function generator can be designed by the organized combination of hardware and software systems. The data table of the output waveform is embedded in the single-chip-microcomputer by software program. The data of the output waveform can be changed by software program conveniently in order to output arbitrary-function signal, and it is not necessary to change hardware circuit. By the prototype model experiment, it has been proved that four arbitrary waveforms can be arranged through once solidifying to AT89C51. For the output signal of this signal generator, the frequency range is 0.001~800Hz and the value range is 0~±10V. This paper carries out the quantitative analysis to the error margin of the prototype model software and hardware system, the prototype model’s frequency scope will come up to 1.5 KHz, and the quality of the waveform will be improved greatly with no change of the value range .Maybe, it is of aid to scientific research, teaching and manufacturing industry.Key wordsapplication of single-chip-microcomputer, MCS51, MCS296Ultra-Low-Frequency Function Generator贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- 1 - 页第一章 绪 论§1.1 引言多功能信号源就是多种波形的信号发生器,它已经是现代电子系统的重要组成部分,并被广泛地应用于通信电子电路、工业自动控制系统和日常教学实验、农业、生物医学等各个领域,是科研、教学、制造业中一种最常用的通用仪器,它可根据用户不同的需要产生锯齿波、三角波、正弦波等多种波形,并且波形的周期可以用程序改变,本设计采用单片集成芯片从而制成波形发生器,不仅能产生多种波形,达到较高的频率,易于调试,还具有线路简单、结构紧凑等优点,在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上都是优选的器件。§1.2 课题现状在现在这个高科技发展的今天,随着社会及各种用户对信号源的高精度,高速度,高分辨率,频率可调等的要求,而一般的信号发生源输出波形一般固定为正弦波、三角波、锯齿波和方波,不能实现有时在实验或工程应用中需要的特殊信号给用户使用带来不便。虽然目前市场上的高性能的任意信号发生器已经出现,但是其价格昂贵,不适用于一般机电控制的用户,而且对于频带要求的宽度没有那么宽,从而出现信号发生器不满足大众用户要求的状况。§1.3 课题的研究目的和意义信号发生器的几个发展阶段从信号发生器的实现看可以简单分为以硬件为核心的电路实现方式和以计算机技术为核心的实现方式。1、用硬件电路实现的特点:可以输出连续的模拟信号,使用频率控制和幅值控制电路实现信号输出调节,因此输出的波形的频率较高。但其稳定性和抗干扰能力较差,电路结构复杂。而且不能实现人机对话和可视操作。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- 2 - 页2、以计算机技术为核心的智能型信号发生器的特点:随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展,以及人工智能向测控技术的移植和应用,智能仪器仪表技术发展迅速。智能函数信号发生器与传统的模拟函数信号发生器相比,具有以下几个明显特点:(1)利用微机控制键盘和显示。键盘和显示是智能信号发生器区别于传统信号发生器在面板设计上最突出的特点。由于采用美观方便的按键操作代替了传统的开关或旋钮,避免了手动控制带来的人为误差。由于采用具有显示信息量大优点的液晶显示器 LCD,大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。(2)强大的输出能力。由于采用了由仪器内微处理器控制而生成所需新波形的技术,即直接数字合成技术(Direct Digital Frequency Synthesizer ),导致普通的智能信号发生器能产生多种函数的周期性波形,大大拓展了仪器的输出能力。(3)自检、自诊断功能。这是智能信号发生器区别于传统信号发生器的重要特征之一。能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征,不仅大大方便了维修,而且保证了输出的可靠性。(4)自校和自修正。对于智能化仪器来说,这也许是最重要的作用,它意味着在相同或更低性能的硬件条件下,仪器指标能够达到更高的水平,即实现了高的性能价格比。另一方面,微处理器的加入使以前由硬件电路很难或根本办不到的事成为可能。(5)远地输入输出能力。仪器配有标准接口,可纳入自动测试系统中工作。针对以上信号发生器的发展阶段,还有各阶段它的硬软件特点以及现实状况,并结合社会发展的轨道,一般机电控制的用户的需求,一种既能满足一定频率和波形性能要求又价格低廉的超低频任意信号发生器就成为了必不可挡的趋势。本课题提出一种既能满足使用要求又价格低廉的原理样机设计方案,并对原理样机的性能提出了改进方案。该方案的提出,在满足了用户对中高端信号发生器的各种要求之外,也减少了制造高性能的任意信号发生器的资源浪费。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- 3 - 页§1.4 本文结构本文是对多功能信号源的设计和开发。第一章:绪论(本章阐述了系统开发的背景、课题来源和研究意义,分析了多功能信号源系统设计的特点和任务)第二章:系统设计原理(本章具体分析了系统设计的基本原理和采用的技术方法,并对相关设计方案进行了比较。)第三章:系统总体设计(分析了多功能信号源的应用需求,设计了系统的数据库结构,并根据需求对系统功能模块进行了划分和细化。)第四章:详细设计与系统实现(根据第四章的设计结果利用 Proteus 和Keil 进行了具体的应用程序设计及仿真调试)第五章:设计总结(总结多功能信号源的系统设计体会和编程体会,并指出了系统设计中的不足和改进的方向。贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- 4 - 页第二章 系统设计原理§2.1 设计任务与要求设计任务:设计一个能产生正弦波、方波、三角波及单脉冲信号发生器。设计要求如下:1、输出频率 f=20Hz~5KHz 连续可调的正弦波、方波和三角波。2、输出幅度为 5V的单脉冲信号。3、输出正弦波幅度 VO=0~5V 可调,波形的非线性失真系数 γ≤5%。4、输出三角波幅度 VO=0~5V 可调。5、输出方波幅度可在 VO=0~12V 之间可调。6、具有单脉冲输出功能。§2.2 方案的比较函数信号发生器的实现方法通常有以下几种:(1)用分立元件组成的函数发生器:通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试。(2)利用单片集成芯片的函数发生器:能产生多种波形,达到较高的频率。(3)利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器:能产生任意波形并达到很高的频率。但成本较高。(4)可以由晶体管、运放 IC等通用器件制作,更多的则是用专门的函数信号发生器 IC产生。早期的函数信号发生器 IC,如 L8038它只需在外接很少的几只元件就能实现一个多种波形输出的信号发生器。这种多功能信号发生器被广泛应用于生物力学工程和仪器仪表领域。下面我们比较以下几种方案:方案 A: ]1[一种基于凌阳公司 SPCE061A单片机设计的信号发生器,其特点是使用方便,贵州大学科技学院本科毕业论文(设计) 第- 5 - 页实用价值高.基本性能如下:①可以产生正弦波,方波,三角波,锯齿波等几种周期性信号;②可以用键盘编辑生成正弦波,方波,三角波这三种信号的线性组合.③增加外部存储器后可以方便的是现信号存储功能,即有记忆功能系统可以实现的功能;④信号存储功能可存储掉电前用户编辑的信号和设置;⑤可实现用键盘编辑产生任意信号。方案 B: ]2[1.MAX038性能简介函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。函数信号发生器可以由晶体管、运放集成电路等通用器件制作,更多的则是用专门的函数信号发生器集成电路产生。早期的函数信号发生器集成电路,如L8038、BA205、XR2207/2209 等,它们的功能较少、精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响。MAX038 是美信公司生产的一通用波形发生芯片,较以前常用的函数发生器件,从频率范围、频率精确度、对芯片、波形的控制性能以及用户使用的方便性等方面都有了很大的提高,因此可广泛应用于波形的产生、压控振荡器、脉宽调制器、频率合成器及 FSK发生器等。2.MAX038的性能特点: [3](1) 能精密地产生三角波、方波、正弦波信号。(2) 频率范围从 0.1Hz~20MHz,最高可达 40MHz,各种波形的输出幅度均为 2V(P-P)。(3) 占空比调节范围宽,占空比和频率均可单独调节,互不影响,占空比最大调节范围 10%~90%。(4) 波形失真小,正弦波失真度小于 0.75%,占空比调节时非线性度低于2%。(5) 采用±5V 双电源供电,允许有 5%变化范围,电源电流为 80mA,典型
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