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多功能信号发生器毕业设计.rar

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    编号:20180825165139260    类型:共享资源    大小:2.48MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-25
      
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    多功能 信号发生器 毕业设计
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    I摘 要随着科技的发展,对信号发生器的各方面要求越来越高。传统的信号发生器由于波形精度低,频率稳定性差等特点,已经不能满足许多实际应用的需要。而且市场上出售的多功能信号发生器价格昂贵,为了适应实际的需要,设计一种多功能信号发生器。本文介绍了一种基于 EDA(电子设计自动化)技术的多功能信号发生器,它采用 CPLD(复杂可编程逻辑器件)与单片机结合的方法,可以产生递增锯齿波、递减锯齿波、三角波、阶梯波、方波、正弦波共 6 种波形。它运用 DDS(直接数字频率合成技术)技术的基本工作原理,通过 Quartus II 9.0 软件和 VHDL 语言编程,由 CPLD 控制数据输出,经数模转化器转换成相应的模拟信号。整个信号发生器以单片机(STC89C52RC)为控制中心,主要由电源模块、按键电路模块、液晶显示模块、调幅模块、波形生成模块、滤波模块等组成。另外为了更好的完成本次毕设,本次设计 CPLD 选用 Altera 公司的 EPM240CT100C5。关键词:多功能信号发生器;EDA;复杂可编程逻辑器件;DDS;VHDLIIAbstractWith the development of technology, signal generator have become increasingly demanding in all aspects. Traditional signal generators can not meet the needs of many practical applications because of low precision waveform, frequency stability characteristics of poor and high price in the market. According to the really demands, we design a multi-function signal generator.In this paper, we introduce a multi-function signal generator based on EDA (Electronic Design Automation) technology. It uses the method of combining CPLD (Complex Programmable Logic Devices) and SCM which can generate incremental ramp wave, decreasing saw tooth wave, triangle wave, ladder wave, square wave, sine wave. It uses the basic working principle of DDS(Direct Digital Frequency Synthesis) technology, through the Quartus II 9.0 software and the VHDL programming language, and the CPLD control data output by the digital-analog converter which converts the corresponding analog signal .The SCM (STC89C52RC) is the control center of the signal generator which is composed of power supply module, the key circuit module, LCD module, the AM module, the waveform generating module, filter module and other components. In addition to better completion of this complete set, this design uses Altera Corporation EPM240CT100C5.Key words:signal generator;EDA;CPLD;DDS;VHDLIII目 录摘 要 ........................................................IAbstract .....................................................II目 录 .......................................................III1 绪论 .......................................................11.1 研究课题的目的及意义 ....................................11.2 国内外现状 ..............................................11.3 本设计的目标 ............................................22 信号发生器设计方案 .........................................32.1 传统的信号发生器设计方案 ................................32.2 基于微处理器和数字/模拟转换器的设计方案 .................32.3 直接数字频率合成技术 ....................................52.4 DDS 方案选择 .............................................53 CPLD 及开发语言简介 .........................................93.1 CPLD 简介 ................................................93.2 开发语言和开发环境的选择 ...............................103.2.1 VHDL 语言简介 ......................................103.2.2 Verilog HDL 语言简介 ...............................113.2.3 开发语言及开发环境的选择 ...........................123.2.4 VHDL 语言与 C 语言的联系与区别 ......................123.3 编程及开发环境之我见 ...................................144 多功能信号发生器硬件电路设计 ..............................174.1 整体电路设计分析 .......................................174.2 单片机最小系统设计 .....................................174.2.1 单片机选型 .........................................174.2.2 STC89C52RC 单片机简介 ..............................18IV4.2.3 单片机最小系统 .....................................194.3 按键电路设计 ...........................................204.4 显示电路设计 ...........................................214.5 幅度控制电路设计 .......................................224.5.1 DAC0832 简介 .......................................224.5.2 幅度控制电路分析 ...................................244.6 波形生成电路设计 .......................................254.7 低通滤波模块设计 .......................................264.7.1 低通滤波器选择 .....................................264.7.2 低通滤波器仿真设计 .................................294.8 CPLD 最小系统设计 .......................................304.9 电源模块设计 ...........................................335 多功能信号发生器软件设计 ..................................365.1 单片机软件设计 .........................................365.2 CPLD 软件设计 ...........................................385.2.1 CPLD 内部构成 ......................................395.2.2 三角波模块的程序流程图及分析 .......................415.2.3 矩形波模块的程序流程图 .............................425.3 Quartus II 简介和仿真 ...................................445.3.1 Quartus II 简介 ....................................445.3.2 CPLD 软件仿真和实际波形图 ..........................456 制作与调试 ................................................506.1 电源的制作与调试 .......................................506.2 单片机电路的制作与调试 .................................516.3 CPLD 电路部分制作与调试 .................................526.4 整体电路调试 ...........................................526.4.1 整体硬件电路调试 ...................................536.4.2 整体软件调试 .......................................56V6.5 总结 心得 ...............................................58结束语 .......................................................60致谢 .........................................................61参考文献 .....................................................62附录 A 多功能信号发生器原理图 ...............................63附录 B 单片机程序 ...........................................65附录 C CPLD 程序 ............................................73河南理工大学毕业设计( 论文)说明书11 绪论1.1 研究课题的目的及意义多功能信号发生器用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号。在测试、研究或调整电子电路及设备时,为测定电路的一些电参量,如测量频率响应、噪声系数、为电压表定度等,都要求提供符合所定技术条件的电信号,以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。在电路测试中,我们可以通过测量、对比输入和输出信号,来判断信号处理电路的功能和特性是否达到设计要求。例如,用信号发生器产生一个频率为 1kHz 的正弦波信号 ,输入到一个被测的信号处理电路(功能为正弦波输入、方波输出) ,在被测电路输出端可以用示波器检验是否有符合设计要求的方波输出。信号发生器它最原始的功能是能够产生多种波形,如方波、三角波、正弦波、锯齿波等。但随着科技的发展,它的功能也得到了增强,成为最普通、最基本的,也是应用最广泛的电子仪器之一,几乎所有的电参量如低频放大器的频率特性、增益、通频带等参量的测量都需要用到多功能信号发生器。不论是在生产还是在科研与教学上,多功能信号发生器都是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。它除此之外还有许多的用途,它已经被广泛地应用于工业、教学、医学,科学研究等领域。那么,对于我们来说,信号发生器的设计是让我们掌握并巩固所学的知识,提高自己动手能力的一个重要的途径。通过对它的设计,我们可以掌握信号发生器的精髓从而使能力得到很大的提高,这样就有利于我们今后自身的发展。1.2 国内外现状由于微电子技术的发展,使得 CPLD(Complex Programmable Logic 河南理工大学毕业设计( 论文)说明书2Devices)的性能指标如规模、功能、时间等性能越来越好,CPLD 在数字系统设计中占据越来越重要的位置。国内外现在设计的多功能信号发生器,早已放弃了使用传统纯硬件设计的方案,取而代之的是直接数字频率合成技术(Direct Digital Frequency Synthesis,简称 DDS 或 DDFS) ,它以CPLD/FPGA(Field-Programmable Gate Array)为核心,选用高速数模转换器件,以 Quartus II 为开发环境的 EDA(Electronic Design Automation)技术,使得信号发生器的各项指标、稳定性、功能多样性得到了极大的提高。目前大部分信号发生器的设计是以微控制器为核心进行的,它与纯硬件设计的信号发生器相比,具有高速、高精度、高可靠性、操作方便、价格便宜、智能化等特点。同时使用单片机和 CPLD 设计的多功能信号发生器,具有体积小、重量轻、功耗低、功能灵活的特点使得系统稳定性大幅度提高。1.3 本设计的目标(1)掌握一种新的设计语言—硬件语言 VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) ,并会灵活运用。(2)了解 EDA 技术,了解其开发流程。(3)制作高精度多功能电源,可以产生正负 12V 电压、正 10V 电压、正 5V 电压。(4)在 LCD 上实现 51 单片机的人机交互界面。(5)实现多功能信号发生器的最基本功能:产生递增锯齿波、递减锯齿波、三角波、阶梯波、方波、正弦波。(6)实现一些附加的功能,如信号的调幅(步进值有 1V 和 0.1V 两种) 、信号的调频、方波占空比的调节。河南理工大学毕业设计( 论文)说明书32 信号发生器设计方案2.1 传统的信号发生器设计方案在现代电子系统中,经常需要产生稳定的重复信号,例如,模拟电路中的正弦波信号或者数字电路中的方波信号。传统的信号发生器通常是首先产生所需频率的正弦波信号,然后再利用比较器产生方波信号。按照正弦波信号发生器中频率选择电路组成形式,它们可以划分为:LC 正弦波信号发生器、RC 正弦波信号发生器以及晶体正弦信号发生器。对于 LC 正弦信号发生器和 RC 正弦信号发生器,适当地设计频率选择电路中的电感、电容或者电阻的数值,信号发生器就可以产生所要求的工作频率的信号。如果频率选择电路中电感、电容、或者电阻使用可调电感、可调电容或者电位器来代替,通过调整这些可调器件,正弦信号产生器的工作频率可以方便的调整。这两种电路结构简单、价格便宜,它们获得广泛的应用,但是这两种电路稳定度不高,通常为 10 3量级。晶体正弦波信号发生器具有较高的的频率稳定度,通常可以达到 106量级,但是它的工作频率取决定于晶体的谐振频率。在需要改变晶体正弦信号产生器工作频率时,电路中用于频率选择的晶体必须被更换。如果既要求信号产生器的工作频率稳定,又要求能够通过调整电路参数的方法来调整工作频率,传统的方法为采用基于锁相环(Phase Locked Loop,PLL )技术和非线性器件频率变换技术的频率合成器,但是这种频率合成器的电路结构非常复杂。2.2 基于微处理器和数字/ 模拟转换器的设计方案使用微处理器控制数字/模拟转换器也可以产生所需要的信号波形。这种方法不仅可以产生正弦波信号,而且可以产生任意信号波形。把希河南理工大学毕业设计( 论文)说明书4望的波形信号通过采样和量化可以产生波形数据,这些数据被放置在存储器之中。工作时,利用微处理器把这些波形数据送到数字/模拟转换器就能够获得所需要的波形。由于这时产生的正弦信号是由微处理器的程序控制来实现,微处理器的工作又由它的时钟控制,因此电路产生电路信号将具有与时钟信号同样的稳定度,即可以达到与晶体信号产生器相同频率的稳定度。如果希望调整输出信号的频率,这时可以通过在程序中添加具有延时功能的指令或者子程序来实现。使用微处理器控制数字/模拟转换器产生需要的信号波形解决了输出信号频率稳定度和频率可调整性问题,同时还能产生任意信号波形,并且电路结构也不复杂。这种方法的缺点是输出信号的频率较低,输出信号频率的调整精度也较低。例如,使用 MCS51 系列单片机,单片机时钟电路的频率为12MHz,数字 /模拟转换器使用 DAC0832 产生正弦波信号,采用查表法的方法输出一个正弦函数值将需要 14 个机器周期,即 14μs。如果正弦波的数字波形表用 64 个点来描述一个完整的正弦波,因此所产生的正弦信号的最小周期为 896μs,即最高频率为 1116Hz。系统产生的正弦信号频率的调整可以通过在程序中添加具有延时功能的指令或者子程序来实现。在产生一个正弦函数值得过程中增加一句空操作指令 NOP 可以实现 1μs 的最小延迟时,这时系统产生一个正弦函数值则需要 15μs。产生一个完整正弦波则需要 960 个机器周期,即960μs ,对应的信号频率为 1041Hz。添加 1μs 延时前后的工作频率变化绝对值为=1116-1041=75 (Hz) (2-1)f工作频率变化的相对值为/ =75/1116=6.7% (2-2)f0综上所述,采用单片机控制数字/模拟转换器的电路结构可以提高工作频率的稳定度,并且可以对工作频率进行调整,但是输出信号的最高河南理工大学毕业设计( 论文)说明书5频率的数值以及频率调整的精度不能令人满意。2.3 直接数字频率合成技术直接数字频率合成技术 DDS 是一种应用数字技术来实现产生信号波形的方法,是 60 年代出现的第三代频率合成技术。DDS 技术建立在Nyguist 时域采样定理的基础上,它首先对需要产生的信号波形进行采样和量化,然后存入存储器作为待产生信号波形的数据表。在输出信号波形时,从数据表中依次读出数据,产生数字化信号,这个信号再通过数字/模拟转换成所需的模拟信号波形。其实现过程如框图 2-1,采样 量化 存储 恢复模拟信号输入 输出图 2-1 DDS 实现基本过程当改变信号波形数据的数据表中的数据,就可以产生不同的波形。根据 Nyquist 采样定理知,要使信号恢复,必须满足采样频率大于被采样信号最高频率的 2 倍,否则将产生混迭,经 D/A 不能恢复原信号。相对于其他信号波形产生技术,DDS 技术具有输出信号采样频率固定、全数字化、易于控制、可编程、输出相位连续和信号频率转换时间短等特点。2.4 DDS 方案选择方案一:可以使用 DDS 信号产生器芯片使用 AD9850 是 ADI 公司生产的一种 DDS 信号产生芯片,它的功能方框图如图 2-2,它把 DDS 技术和高速数字/模拟转换器结合在一起,形成一个全数字化、可编程的信号产生器。在一个精确的参考时钟源的控
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