毕业设计（论文）基于DSP及虚拟仪器技术的开放式电子技术综合实验平台研制基于DSP的便携式谐波分析仪

目录1 绪论.11.1 课题背景及意义 .11.2 研究内容 .12 系统设计过程.42.1 系统设计思路概述 .42.2 系统集成方案 .42.3 PROTEL 99 SE 简介.53 模块设计方案.93.1 程控放大电路模块 .93.1.1 放大器概述 .93.1.2 原理图设计 .93.1.3 印制板图设计 .133.2 有源滤波电路模块 .133.2.1 滤波器概述 .133.2.2 原理图设计 .153.2.3 印制板图设计.183.3 A/D 转换模块 .193.3.1 ADC0809 概述.193.3.2 原理图设计.203.3.3 印制板图设计 .213.4 D/A 转换模块.223.4.1 TLC5628 概述.223.4.2 原理图设计 .233.4.3 印制板图设计.253.5 输入模块 .263.5.1 键盘模块 .263.5.2 数码管显示模块 .284 系统集成实现.305 总结与展望.31参考文献：.32致谢.33附录.34安徽建筑工业学院设计（论文）1基于 DSP 及虚拟仪器技术的开放式电子技术综合实验平台研制 基于 DSP 的便携式谐波分析仪电子与信息工程学院 电子信息工程专业 2005 级 指导教师 1 绪论1.1 课题背景及意义实验室的装备水平通常被作为一所高校教学、科研水平的重要标志,因此实验室的建设,应运用新技术、新知识,立足于高水平、高起点。然而目前我校各实验室还是传统测试仪器占主导地位,微机和测试仪器基本上还处于互不相干的状态,因此用代表着仪器发展新潮流的虚拟仪器系统来加强实验室建设,跟踪国际先进水平,增创学科实验教学新优势,是十分必要的。虚拟仪器是计算机技术、仪器技术、测量技术、数/ 模、模/ 数转换技术、软件等技术完美的结合,它己被愈来愈多的技术人员所接受,成为当今测量测试领域里的一支最重要的力量。在虚拟仪器系统中、强调“软件就是仪器”的概念,硬件仅仅是为了解决信号的输入输出,软件才是整个仪器的关键,用户可以根据自己需要定义仪器的功能。与传统仪器相比,虚拟仪器具有功能由用户定义、系统功能和规模可通过修改软件而增减、价格低可重复使用、技术更新快、软件结构大大节省开发和维护费用等。另一方面，随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术（DSP技术）应运而生并得到迅速的发展。在过去的二十多年时间里，数字信号处理已经在通信等领域得到极为广泛的应用。DSP 技术是利用计算机或专用处理设备，以数字形式对信号进行采集、变换、滤波、估值、增强、压缩、识别等处理，以得到符合人们需要的信号形式。数字信号处理系统是以数字信号处理为基础，因此具有数字处理的全部优点：(1) 接口方便。 (2) 编程方便。 (3) 稳定性好。 (4) 精度高。(5) 可重复性好。 (6) 集成方便。DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成。基于此，本课题提出研究基于 DSP 及虚拟仪器的开放式电子技术综合实验平台。1.2 研究内容基于 DSP 及虚拟仪器技术的开放式电子技术综合实验平台研制，平台由前、后台两部分构成，前台由 DSP 与 FPGA 为核心的模块化硬件构成，并嵌入实时信安徽建筑工业学院设计（论文）2号处理算法，基于 PC 的后台软件采用面向信号的组件技术设计。平台提供基本层次模块化应用案例及提高层次系统集成应用案例若干，重点研究典型案例的框架集成及模块开放式设计方法。平台具有较好的开放性，可灵活剪裁、合成，方便二次开发。本次课题选择以下三个典型案例进行研究并实现：（一） 基于嵌入式技术的 ZigBee 无线通信模块设计；1）硬件设计，设计基于单片机、DSP 或 ARM 的 ZigBee 无线通信模块，包括发射与接收模块的设计；2）软件设计，设计基于单片机、DSP 或 ARM 的无线通信模块软件，可采用汇编、C 语言或者基于 LINUX 环境开发（ARM） 。 （二） 、 基于 DSP 的便携式谐波分析仪；1）预处理及外围接口电路设计，预处理电路主要包括传感器接口、放大、滤波、键盘、显示、光耦隔离电路等模块，主要是对原有的各电路方案进行优化、集成。2）基于 TMS320F2812 的 DSP 主板设计，设计基于 TMS320F2812 的主板，板卡具有以下功能模块：16 路 A/D，6 路 PWM，1 路 D/A，外扩内存 64K*16Bit 以上，支持矩阵键盘、液晶接口，支持 RS232 或 CAN 总线通信；3）基于 DSP 的实时谐波分析软件设计，基于 CCS 环境，采用 C 语言为主、汇编为辅开发 DSP 软件，软件包括框架软件和功能模块， 其中功能模块包括：初始化、采集模块、键盘扫描、液晶显示、谐波分析软件、通信模块等。4）基于 PC 的虚拟仪器软件设计，设计基于 RS232 或 USB、PCI 总线的虚拟仪器软件，可采用 C 或者 VC 设计。主要是基于外购 USB 数据采集卡或者自制的TMS320F2812 DSP 主板进行设计，包括：实时测试模块、数据分析、数据管理模块等。（三） 、基于 DSP 的图像处理平台研究及设计1）基于 TMS320VC5402 的 DSP 主板设计，设计基于 TMS320VC5402 的 DSP 主板，要求该板卡具有以下功能：支持 JTAG 仿真方式或者 BOOTLOADER 自启动方式工作。2）基于多分辨率分析的图像处理方法研究；基于多分辨率分析的图像融合方法研究；基于 Contourlet 变换的图像处理方法研究；多源遥感图像融合方法研究。 安徽建筑工业学院设计（论文）3研究设计基于多分辨率分析的图像处理方法与技术，以 Matlab 语言为主，C 或 VC 为辅设计，可研究彩色空间变换、小波变换、拉普拉斯塔型分解、方向滤波器组等方法，具体内容包括各类图像的融合、去噪、增强和数字水印等图像处理方法。安徽建筑工业学院设计（论文）42 系统设计过程2.1 系统设计思路概述在这次毕业设计中我们小组集体完成基于 DSP 的便携式谐波分析仪的设计，该课题包括预处理及外围接口电路的设计、基于 TMS320F2812 的 DSP 主板设计和基于 DSP 的实时谐波分析软件的设计。在该系统中，我们采用硬件与软件相结合。当小信号经过传感器进入接口电路中时，通过预处理（如放大、滤波、A/D 转换等）送给 DSP 芯片进行谐波分析，也可以在硬件电路上借助于相应软件程序来对信号进行谐波分析，从而实现对输入信号的实时分析计算和显示，在该课题中我负责的是预处理及外围接口电路的设计，并且对硬件系统集成方案进行了优化并实现系统集成。 2.2 系统集成方案实验平台采用开放、灵活的设计方式，并根据电子技术课程特点，将智能仪器仪表与综合实验平台相结合。采用“模块化”的设计思路，以便对各模块出现的问题及时调整和改正，有利于更快更好的完成设计任务,测试系统中融入先进的电子线路，仿真设计方法，虚拟仪器技术，DSP 技术等，系统可以灵活组合，实现不同的系统方案。本次设计包括程控放大器、有源滤波器、A/D、D/A、键盘、显示接口模块、DSP 芯片模块等，不同的模块可以组合成实现不同功能的实验系统。例如：电路 1、2、3、4、7、8 组合；电路 1、2、7、8 组合，等等。充分体现了各模块之间灵活组合。其中一种硬件系统框图如下图 2-1 所示： 图 2-1 硬件系统框图安徽建筑工业学院设计（论文）5通过放大器、滤波器、A/D、D/A 及 DSP 芯片来完成对信号的谐波分析。当小信号经过传感器进入接口电路中时，我们采用了一个放大电路来把这个信号放大到要求的范围，并设计一个滤波器对放大后的信号进行滤波除噪。当得到干净的模拟信号（16 路） ，经过多路开关，选出一路进入 AD 芯片，完成模拟量到数字量的转换，并通过总线送给主控制板进行高速数据分析，同时，由 D/A芯片对放大电路和滤波电路进行实时控制。2.3 Protel 99 SE 简介Protel 99SE 是澳大利亚 Protel Technology 公司推出的一个全 32 位的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，使用该软件设计者可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真，是业内人士首选的电路板设计工具。其中，原理图设计系统是用于原理图设计的 Advance Schematic 系统。这部分包括用于设计原理图的原理图编辑器 Sch 以及用于修改、生成零件的零件库编辑器 SchLib。印刷电路板设计系统是用于电路板设计的 Advanced PCB。这部分包括用于设计电路板的电路板编辑器 PCB 以及用于修改、生成零件封装的零件封装编辑器 PCBLIB。信号模拟仿真系统是用于原理图上进行信号模拟仿真的 SPICE 3f5 系统。可编程逻辑设计系统是基于 CUPL 的集成于原理图设计系统的 PLD 设计系统。Protel99 内置编辑器包括用于显示、编辑文本的文本编辑器和用于显示、编辑电子表格的电子表格编辑器 Spread。原理图的设计步骤一般为：（1）设置原理图设计环境。设计环境对画原理图影响很大，在画原理图之前，应该把设计环境设置好。工作环境设置是使用 Design/Options 和Tool/Preferences 菜单进行的。画原理图环境的设置主要包括图纸大小、捕捉栅格、电气栅格、模板设置等。（2）放置元件。将电气和电子元件放置到图纸上。一般情况下元件的原理图符号在元件库中都可以找到，只需要将元件库中的元件从库中取出，放置在图上。由于元件种类非常多，都被分别放在不同的元件库中，所以应该知道哪类元件在哪些库中。（3）原理图布线。元件一旦放置在原理图上，就需要用导线将元件连接起来，连接时一定要符合电气规则。（4）编辑与调整。编辑元件的属性，这些属性包括元件名、参数、封装图安徽建筑工业学院设计（论文）6等。调整元件和导线的位置等操作。（5）检查原理图。使用 Protel 99SE 的电气规则检查功能检查原理图的连接是合理与正确，给出检查报告。若有错误就需要根据错误情况进行改正。（6）生成网络表。生成原理图的网络表，所谓网络表就是元件名、封装、参数及元件之间的连接表，通过该表可以确认各个元件和它们之间的连接关系。（7）打印输出。打印输出原理图。印制板图的设计流程分为：规则设置、设计准备、网表输入、元器件布局、布线、检查、输出七个步骤。（1）规则设置：画完原理图后就可建立印制板图。在建立新文件中选择文件向导，在此设定印制板的建立规则，如板的大小、各层定义 1、过孔设置等。（2）印制板图设计准备工作：对照原理图找出每个元件的封装，针对不同的封装，要考虑到不同的封装在 PCB 板中要预留不同大小的位置；否则在装配元件是时器件的引脚的插入就可能有困难。对封装库中没有的封装，要依据具体的元件手绘出来，并把它加入元件库中。保证每个元件在调入 PCB 中时都有对应的封装。 （3） 网表输入：首先在原理图绘制完后建立一张网表。在印制板图中将其调出，使用命令 Design/Creat Netlist。这张网表将与印制板图中的网表保持一致，以此来构建元件间的逻辑关系。网表输入时，需要对原理图中各元件的关系进行检查。检查时可能显示元件找不到或元件管脚有错等错误。这时需要回到原理图，对出错元件的封装形式与 PBC 中的封装形式进行比较，改正错误或为元件绘制新的封装。当所有错误都消除后，就可以执行此网络表，也就是将原理图中的所有元件导入印制板图。（4） 元器件布局：网表输入以后，调入元件，所有的元器件都会在工作区的零点，重叠在一起,很多的预拉线交织也在一块。下一步的工作就是把这些元器件推开，按照一些规则摆放整齐，即元器件布局。 在设计中，布局是一个重要的环节。布局结果的好坏将直接影响布线的效果，因此可以认为，合理的布局就是 PCB 设计成功的第一步。布局的方式分为两种，一种是手工布局，另一种是自动布局。在运用中采用自动布局的基础上安徽建筑工业学院设计（论文）7用手工布局进行调整，依据原理图中各个元件的连接关系，将联系紧密的元件安排在一起，使得走线时线路简单。一些特殊元件，如信号和电源的接插件，在布局时要预先把它们安排在板子的外围，方便产品的使用。在布局时还可根据走线的情况对门电路模块进行再分配，将两个模块进行交换，使其成为便于布线的最佳布局。在最终的结果中要注意：布局均衡，梳密有序，不能使板子头重脚轻。元件在二维、三维空间上有无冲突。尤其是双面板，正反两面的元件不能放在同一点，防止打过孔时两元件间发生短路。 插件板插入设备是否方便使用，可能更换的元件是否方便更换。 发热量大的元件（如 FPGA、AD 芯片等）之间是否有足够的空间散热，空气流是否通畅。发热量高的元件尽量分散开来，使单位面积的热量较小。布局中使元件高低有序，尽量利用空气的流动来散热。（5）布线：布线的方式也有两种，手工布线和自动布线。由于单纯的自动布线不太理想，可以使用手工和自动相结合的方式使布线合理、美观。首先进行一次自动布线，看整个板子线路的基本走法，这时会发现所定义的电源、地线的线宽没有实现，甚至个别端点的连线没有成功。这时就要撤消连线，手工布线。先将没有布通的电源、地线按设定宽度连好，然后在自动布线中选择网络（Auto Route/Net） ，用光标点击需接地的元件将地线网络布通。再用此方法将其他较难布的网络布通。接着在自动布线中选择全部（Auto Route/All）,将所有的线路都布通。最后，针对布线不合理的线路再手工修改，使顶层线路尽量走水平方向，而地层线路尽量走垂直方向，两层线路之间尽量保持垂直，减少层间耦合和干扰，同时使最终的线路合理美观。在 PCB 设计中，布线是完成产品设计的重要步骤之一，前面的各项工作都是为了它成功实施而做的。PCB 布线有单面布线、双面布线和多层布线。在本设计中采用的是两层板。布线的方式有自动布线和手工布线，在自动布线前，可以先将要求比较严格的线进行手工布线。一般先进行探索式布线，快速把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，可以根据需要断开已布通的线，试着重新再布线，以改进总体效果。电源、地线是噪声产生的主要原因。在绘制印制板图是可以通过适当的调整从而将噪声最大限度减少，如：电源、地线间加去耦电容；加宽线宽，其基本标准为：地线宽 电源线宽信号线宽；数字线频率高，模拟线敏感性强，对于信号线来说，安徽建筑工业学院设计（论文）8高频信号应远离敏感的模拟元件；数字地与模拟地在 PCB 板中可有一个短接点；对于电源、地线而言，走线面积越大越好，以利于减少干扰。走线方式：尽量走短线，特别是对小信号电路，线越短电阻越小，干扰越小，同时耦合线长度尽量减短。走线形状：同一层上的信号线改变方向时因该走斜线，且曲率半径大些的好，避免直角拐角。（6） 检查：检查的项目有线线间距、过孔设置、去耦电容的摆放和电源层设置等。检查出错误必须修改布局并依此重新布线。（7） 设计输出：印制板设计可以输出到打印机。打印机可以把印制板图分层打印，便于设计者再次检查，也可以制成光绘文件交给制板厂家。安徽建筑工业学院设计（论文）93 模块设计方案3.1 程控放大电路模块3.1.1 放大器概述在过程控制及测试仪表中,被测量或被控制对象的有关参数往往是一些连续变化的模拟量,而且变化范围很宽。程控放大器能够把这样的信号变换成与测量或控制电路相匹配的输入电压。程控放大器是指可由软件直接改变增益的放大器，它和 ADC 相配合，可以自动适应所输入的模拟信号电平，正是由于这一独特的优点，程控放大器越来越多地应用在自动控制、智能测试等各个领域。3.1.2 原理图设计除去一些特殊电信号（比如心电）外，大部分电信号都可被称为一般电量信号，比如电流、电压等。当把一般电量信号输入到该放大电路时，放大电路要能够很好的对其幅度进行放大，同时失真不能太大。由前面的器件介绍可知，集成运放 TLE2027 是一种低噪音、低漂移、高速精密的集成运算放大器芯片，它使用范围是电源供电电压为19V,差分输入电压为 1.2V，共模输入电压为+13V-13V，输出电流为50mA。可以看出 TLE2027 非常适合本放大电路。由电路框图可知系统需要采用三级放大，可以设计成第一级和第二级都为精确放大，第三级是用数字电位器 X9313 控制的可变放大，在第三级放大中为了增加了电路使用的灵活性设计了两种控制方式：即可以通过开关使用手动控制也可以由控制芯片来控制。 为了实现对一般电量信号的放大，设计的放大电路原理图如图 3-1 所示。下面将分别进行介绍。 安徽建筑工业学院设计（论文）10图 3-1 程控放大电路原理图1）精确放大部分精确放大部分电路的增益由两级组成，并且两级放大电路的增益都由各自的反馈电阻控制。两级电路的增益计算分别如下：第一级放大电路的增益为：Au1=Rf1/R2=20K/1K=20（倍） 第二级放大电路的增益为：Au2=Rf2/R4=10K/1K=10（倍） 精确放大部分电路总增益为Au=Au1Au =2010=200（倍）2当一般电量输入到该放大电路时，它将被放大约 200 倍，放大后的信号将进入第三级放大电路进行放大。精确放大部分电路原理图如图 3-2 所示 图 3-2 精确放大部分电路原理图安徽建筑工业学院设计（论文）112）可变放大部分该放大部分电路的增益是由电路中的反馈电阻控制，由于反馈电阻为数字电位器，所以该电路的增益是不确定的，但是可以计算出它的最大增益为： Au3max=50 k/R6= 50 k/1K=50（倍）可变放大部分原理图如图 3-3 所示： 图 3-3 可变放大部分电路原理图在该部分我对可变放大部分进一步进行了优化，为了使电路更灵活，不但能通过数字电位器对放大倍数进行控制也能通过模拟电位器来控制放大倍数，因此在原理图中加了模拟电位器部分，通过跳线来选择，如图 3-4 所示。 图 3-4 优化后的电路原理图3）控制部分X9313 有三个控制信号：、和。在片选信号置低电平有效CSINCDUCS安徽建筑工业学院设计（论文）12后,在抽头位置控制脚上每出现一次由高至低的下跳变,抽头就在原位置上产INC生一个步长的变化。 至于变化是增加还是减少,要取决于此时控制脚的电DU平,高电平增加,低电平减少。手动控制方式是用跳线来实现的，如图 3-5 所示，首先将跳线的 1 和 2 脚接通（即选中 X9313），然后通过接通跳线的 5 和 6 脚给 X9313 送去下降沿的脉冲，再通过跳线的 3 和 4 脚的接通与断开来决定X9313 是向上还是向下滑动。接插件 J3 是预留的被其它芯片控制的接入端口，J5,J6,J7 是选择手动还是芯片控制的端口，当用短路帽接通 1 和 2 引脚，则选中手动控制方式，当用短路帽接通 2 和 3 引脚，则选中由芯片来控制 X9313,这样设计的好处是手动方式和芯片控制方式不可能同时起作用，提高了电路的容错性同时也增加了电路使用的灵活性。控制部分的原理图如图 3-13 所示：图 3-5 控制部分原理图4）退耦电路部分退耦最早用于多级电路中，为保证前后级间传递信号而不相互影响各级静态工作点而采取的措施。在电源中，退耦表示当芯片内部进行开关动作或输出发生变化时，需要瞬时从电源线上抽取较大电流，该瞬时的大电流可能导致电源线上电压的降低，从而引起对自身和其他器件的干扰，为了减少这种干扰，需要在芯片附近设置一个储电的“小水池”以提供这种瞬时的大电流能力。退耦电路如图 3-6 所示。图 3-6 退耦电路在运放的输入端与地之间加接了一个 0.1uF 和 10uF 的退耦电容，可以降低电源的噪声，提高电源的稳定性。对于退耦电容的放置规则是：尽可能的接近安徽建筑工业学院设计（论文）13它所作用的芯片引脚。3.1.3 印制板图设计原理图设计好后绘制印制板图在理论上就不存在太大问题了，由于电路不是很复杂，所以采用双层板。在 PCB 环境下添加所有要用到的封装库；新建 PCB Library 文件，绘制库中没有的封装，即根据所用元件的封装尺寸画好外框及焊盘，设置焊盘的大小和焊盘间距。画好后添加到库中，等待调用。绘制元件封装时，不能盲目的直接画，要上网查阅关于该元件的相关资料，有些元件的封装是贴片形式，有些则是双列直插形式。程控放大电路的 PCB 板如下图 3-6 所示：图 3-6 放大电路的印制板图3.2 有源滤波电路模块3.2.1 滤波器概述滤波器是具有频率选择作用的电路或运算处理系统。按所处理信号形式不同，滤波器可分为模拟滤波器与数字滤波器两类；按功能滤波器可分为低通、高通、带通与带阻四类。滤波器主要特性参数包括：(1) 特征频率 滤波器的频率参数主要有：通带截频为通带2/ppf与过渡带的边界点，在该点信号增益下降到一个人为规定的下限。阻带截频为阻带与过渡带的边界点，在该点信号衰耗(增益的倒数)下降到一个2/rrf人为规定的下限。转折频率为信号功率衰减到(约 3dB)时的2/ccf1 2/安徽建筑工业学院设计（论文）14频率，在很多情况下，也常以作为通带或阻带截频。当电路没有损耗时，cf固有频率，就是其谐振频率，复杂电路往往有多个固有频率。2/00f(2)增益与衰耗 滤波器在通带内的增益并非常数。对低通滤波器通带增益一般指时的增益；高通指时的增益；带通则指中心频率处的PK 0 增益。对带阻滤波器，应给出阻带衰耗，衰耗定义为增益的倒数。通带增益变化量指通带内各点增益的最大变化量，如果以 dB 为单位，则指增pKpK益 dB 值的变化量。(3)阻尼系数与品质因数 阻尼系数是表征滤波器对角频率为信号的阻尼0作用，是滤波器中表示能量衰耗的一项指标，它是与传递函数的极点实部大小相关的一项系数。它可由式（1）所示的传递函数的分母多项式系数求得: 021jjaa（1）的倒数称为品质因数，是评价带通与带阻滤波器频率选择特性的一个重1/Q要指标，Q为： 0Q（2）式中的为带通或带阻滤波器的 3dB 带宽，为中心频率，在很多情况下中0心频率与固有频率相等。0(4)灵敏度 滤波电路由许多元件构成，每个元件参数值的变化都会影响滤波器的性能。滤波器某一性能指标对某一元件参数 变化的灵敏度记作，yxSxy定义为： xxyySyxdd（3）灵敏度是滤波电路设计中的一个重要参数，可以用来分析元件实际值偏离设计值时，电路实际性能与设计性能的偏离；也可以用来估计在使用过程中元件参数值变化时，电路性能变化情况。该灵敏度与测量仪器或电路系统灵敏度不是一个概念，该灵敏度越小，标志着电路容错能力越强，稳定性也越高。(5)群时延函数 当滤波器幅频特性满足设计要求时，为保证输出信号失真度安徽建筑工业学院设计（论文）15不超过允许范围，对其相频特性也应提出一定要求。在滤波器设计中，常 ( )用群时延函数评价信号经滤波后相位失真程度。越接近常数， ( )( )dd ( )信号相位失真越小。3.2.2 原理图设计在进行滤波器的设计之前，首先应考虑滤波器的频率响应问题。根据频率响应的要求，可以从中选择： 巴特沃斯（Butterworth）特性；贝塞尔（Bessel）特性；切比雪夫（Chebyshev）特性；联立切比雪夫特性。由于巴特沃斯特性的特征是通过区域中没有增益的起伏，衰减区域的倾斜就是截止频率的开始。它的振幅频率特性是没有凸峰的巴特沃斯特性。在相位的角频率微分特性，即群延迟特性方面有波动。切比雪夫特性有陡的过渡带，通带内有一定偏差，且相位特性差。综合考虑，使用巴特沃斯特性。因此，这次设计的四阶巴特沃斯程控低通滤波电路是通过两级 2 阶 LPF 级联而成。其硬件系统框图如 3-7 所示： 图 3-7 滤波器的系统框图其中的程控部分是利用单片机或 DSP 来控制数字电位器 X9313 的档位，即单片机或 DSP 给 X9313 的 1 号管脚提供一个下降沿，X9313 就改变一个档INC位，相当于改变电阻，这样程控部分就实现了。在有源低通滤波器的设计中，经常使用的是正反馈型 2 阶 LPF（增益=1） ，如图 3-8 所示：安徽建筑工业学院设计（论文）16图 3-8 正反馈型 2 阶 LPF（增益=1）电路的原理图因此，这次设计的四阶巴特沃斯程控低通滤波电路用两个 2 阶 LPF（增益=1）级联，其电路原理图如图 3-9 所示：图 3-9 滤波器电路原理图打开 Protel 99SE 软件，进入 Schematic Docement，按照具体的情况设置好原理环境。在画原理图时，一些常用的元气件都可以在 Protel 99SE 自带的库文件中找到，如电阻、电容、二极管等，而有些特殊的元件则需要自己按照要求建立相应的元件库，比如此次设计中用到的数字电位器 X9313，必须先下载 X9313 的资料，按照资料的说明画它的库。按照设计好的方案，在 Protel 99SE 的 Schematic Docement 中画出程控滤波器的原理图，如图 3-10 所示：安徽建筑工业学院设计（论文）17图 3-10 程控滤波器原理图下面分别介绍各个部分：1）滤波电路部分：在这次的有源滤波器的设计中，设计的是一个二级四阶巴特沃斯低通滤波电路，它由二阶低通滤波电路级联而成，其设计的原理图如图 3-11 所示：图 3-12 二级四阶巴特沃斯低通滤波电路原理图设计中的运放使用的是 LM324（如图 3-13 所示） ，它是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器，可工作在单电源下，电压范围是 3.0V-32V 或+16V。它的特点有：1.短跑保护输出 2.真差动输入级 3.可单电源工作：3V-32V 4.每封装含四个运算放大器 5.具有内部补偿的功能 6.共模范围扩展到负电源 7.行业标准的引脚排列 8.输入端具有静电保护功能C17CAPC18CAPC22CAPC21CAPC19CAPC20CAPC23CAPC24CAP1234J2CAP1234J3CAP-12v-12v+12v+12vIN321411U3ALM324567U3BLM324R2RES2R3RES2R1RES2R4RES2.安徽建筑工业学院设计（论文）18图 3-13 LM324 芯片其中 4 脚和 11 脚分别接的是芯片所需的供电电压，可以接入一个输出电压为12V 的稳压电源，1、7、8、14 脚分别是、级放大器的输出端，2、3 脚是级放大器的输入端，5、6 脚是级放大器的输入端，9、10 脚是级放大器的输入端，12、13 脚是级放大器的输入端。LM324 的输入频带宽，可以满足本次设计的需要。2）程控电路部分：对于滤波器的截止频率，既可以通过调节电容的方法，又可以通过调节电阻的方法加以改变。一般来说，能够买到的电容器的容量值只是 E6 系列或 E12系列中所具有的值。半截容量值的电容器需要特别订货，其价格高且交货期长，而且厂家往往不愿意少量制作。但对于电阻器来说，可以购买到 E96 系列或E24 系列的电阻值，并且它们价格低廉、误差小、温度特性稳定。因此这次设计中采用改变电阻的办法来调节滤波器的截止频率，即使用数字电位器 X9313来改变电阻，其电路原理图如图 3-14 所示：图 4-10 程控滤波器电路原理图其中 X9313 是一个数字电位器，当 7 号引脚为低电平，2 号引脚 U/CS为高电平时，1 号引脚从高到低的跳变将增加引脚 W（滑动端）和 L 之DINC安徽建筑工业学院设计（论文）19间的电阻值；当 7 号引脚为低电平，2 号引脚 U/为低电平时，1 号引脚CSD从高到低的跳变将减小引脚 W（滑动端）和 L 之间的电阻值。INC其封装如图 3-15 所示：图 3-15 X9313 芯片3.2.3 印制板图设计在完成了电路原理图的编辑，经过电路检查（ERC）以后，接着生成网络表（NETLIST）当电气检查通过后需要生成网络表（NETLIST） ，宏命令无误时，就可以执行更新 PCB(Update PCB)，在 PCB 编辑环境中将元件封装和网络放置到电路板上。反复的调整布局，尽量使元件之间紧凑、美观。布线时使用手动布线和自动布线相结合，最终得到滤波电路的 PCB 板，如图 3-16 所示：图 3-16 程控滤波电路的 PCB 板3.3 A/D 转换模块3.3.1 ADC0809 概述本设计使用的模数转换器是 AD 公司生产的 ADC0809 芯片，它是由输入选择、8 位 ADC 和输出驱动这三部分组成。输入选择部分用于选择模拟量输入安徽建筑工业学院设计（论文）20IN0IN7 之一；8 位 ADC 是 ADC0809 的核心部分，它由控制逻辑、逐次逼近寄存器 SAR、开关树组，256R 电阻分压器和比较器组成。由于 ADC0809 的比较器采用斩波稳零比较器，这种比较器分辨率高，失调小，温度漂移小，因此使ADC0809 有较高的精度和稳定性，使用时不需调零。ADC0809 输入输出电平为TTL 电平，它的功耗是 15mW。数字量输出及控制线：11 条，ST 为转换启动信号。当 ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当 EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行 A/D 转换。OE 为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0 为数字量输出线。CLK 为时钟输入信号线。因 ADC0809 的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为 500KHZ， VREF（），VREF（）为参考电压输入。图 3-17 ADC0809 管脚图3.3.2 原理图设计此模块完成数据输入和模数转换。从外部输入的 16 路模拟信号先通过接插件进来，接到两片 MAX354 上进行多路选择，输出的一路信号进入 ADC0809，经过模数转换后输出 8 路并行数字信号，通过排线将其引出；ADC0809 的电源由电源模块提供；它和 MAX354 的控制信号通过排线引出，可以由控制芯片控制。 安徽建筑工业学院设计（论文）21具体的原理图如下图 3-18 所示：图 3-18 A/D 转换电路原理图ADC0809 工作需要外部提供一个基准电压，该部分将在接下来的 D/A 模块详细讲述。3.3.3 印制板图设计 A/D 转换过程中引入的噪声来源较多，主要有热噪声、ADC 电源的纹波、参考电平的纹波、采样时钟抖动引起的相位噪声及量化错误引起的噪声。除由量化错误引起的噪声不可避免外，可采用噪声性能较好的放大器、合理的电路布局、合理的设计采样时钟产生电路、合理设计 ADC 的供电及采用退耦电容等减小噪声。要把电源、地线所产生的噪声干扰降低到最低程度，解决的办法为：电源、地线间加去耦电容；加宽线宽，其基本标准为：地线宽 电源线宽信号线宽；数字地可以连成地网，模拟地不行；数字线频率高，模拟线敏感性强，对于信号线来说高频信号应远离敏感的模拟元件, 数字地与模拟地在 PCB板中用一短接点相连。对于电源地线，走线面积越大越好，以利于减少干扰，对于高频信号线最好用地线屏蔽。A/D 转换的 PCB 板图如下图 3-19 所示：安徽建筑工业学院设计（论文）22图 3-19 A/D 转换电路 PCB 图3.4 D/A 转换模块3.4.1 TLC5628 概述芯片 TLC5628 是一个 8 进制 8 位电压输出数摸转换芯片，具有非常高的输入阻抗。该芯片产生一个变化范围在 1 个或 2 个时钟周期内的输出电压。该参考电压和地之间无电压变化。该器件使用简单，运行时只需要 5V 的单电压源供电。上电复位的功能可以确保重新开启的条件。它的封装如图 3-20 所示：图3-20 TLC5628 的封装安徽建筑工业学院设计（论文）23其各引脚功能如表格 1 所示：表格 1： 引脚功能表引脚名称 序列号输入/输出 引脚功能描述引脚功能描述时钟 5输入串行时钟接口 输入数据在时钟周期的下降沿到来时移位到串行口寄存器DACA 2输出DAC A 模拟输出DACB 1输出 DAC B 模拟输出DACC 16输出 DAC C 模拟输出DACD 15输出DAC D 模拟输出DACE 7输出DAC E 模拟输出DACF 8输出DAC F 模拟输出DACG 9输出DAC G 模拟输出DACH 10输出DAC H 模拟输出DATA 4 输入串行口数据输入 DAC 的数据代码在时钟的作用下连续的输入到串行口寄存器 每一个数据都在时钟信号的下降沿到来时输入GND 3输入接地和电压参考端.安徽建筑工业学院设计（论文）24LDAC 13输入当 LDAC 是高电平时，没有 DAC 输出发生，此时输入数据被读入串行口寄存器。该 DAC 输出仅在当LDAC 从高电平变到低电平时发生变化。LOAD 12 输入串行口控制。当 LDAC 是低电平时，在 LOAD 信号的下降沿到来时，数据移到输出门。此时，在 DAC 的输出端，立刻产生一个输出电压。REF1 14输入参考电压输入到 DAC 的 A/B/C/D。该电压限定了模拟输出电压的变范围。REF2 11输入参考电压输入到 DAC 的 E/F/G/H。该电压限定了模拟输出电压的变范围。VDD 6输入提供正电压。3.4.2 原理图设计此次设计中的数模转换（D/A）模块为了使电路灵活同样用排线将其所有控制口单独引出，又控制芯片产生数据给数模转换模块，经过数模转换模块后达到我们想要的波形，比如正弦波、方波、三角波等。得到了如图 3-21 所示的数模转换电路的原理图：图 3-21 D/A 转换电路原理图在本系统中设计了两种方案，一种是用 OP07 作为电压跟随器来为芯片TLC5628（ADC0809）提供基准电压，另一种是用基准芯片 LM4040C20 为TLC5628(ADC0809)提供基准电压，两种设计方案可以通过使用 0 欧电阻作为跳线加以选择。方案一如图 3-22 所示：安徽建筑工业学院设计（论文）25图 3-22 基准电压设计方案一采用两片 OP07 设计两个电压跟随器为 TLC5628 提供基准电压。电位器可以调整输入到 TLC5628 芯片引脚的基准电压的大小。方案二如图 3-23 所示，图 3-22 基准电压设计方案二安徽建筑工业学院设计（论文）26采用两片基准芯片 LM4040C20 来实现。+5V 供电，电容 C25,C26 的作用是起滤波作用的。对于两种方案，可以通过 0 欧电阻作为跳线来选择。3.4.3 印制板图设计 通过老师的指导，把手工布线和自动布线相结合，在绘制 PCB 时不但要紧凑、美观，还要注意人们的习惯，例如，电源的摆放就要考虑到一个习惯问题。最终得到的 D/A 转换电路的印制版图如下图 3-23 所示。图 3-23 D/A 转换电路的 PCB 图 3.5 输入模块3.5.1 键盘模块作为应用系统,许多时候要求有控制键盘,以便实现简单的人机对话(如输入各种控制命令和必要的数据),这就需要键盘接口.键盘电路的特点一是随机性,系统操作人员对键盘的操作是随机的,所操作的键也是随机的;二是抖动性,这是键盘的机械性决定的。安徽建筑工业学院设计（论文）27该矩阵式键盘由行线和列线组成，按键设置在行、列结构的交点上，行列线分别连在按键开关的两端。列线通过上拉电阻接至正电源，以使无键按下时列线处于高电平状态。由于键盘要单独制板，所以设计时添加的 10PIN 的接插件，其中包括四个行输出 row1row4，四个列输入 col1col4 和电源入口+5V。原理图如下图 3-24 所示。图 3-24 键盘原理图印制板图如图 3-25 所示安徽建筑工业学院设计（论文）28图 3-25 键盘的 PCB 图3.5.2 数码管显示模块此模块为 LED 七段数码管显示部分，由于发光二极管通常需要十几毫安到几十毫安的驱动电流才能正常发光，因此可用 CD4511 来对 LED 进行驱动。CD4511 是 BCD锁存/7 段译码/驱动器，从 D、C、B、A 输入待显示的 BCD 码，当 LE-=0 时输入数据（BCD 码） ，当 LE-=1 时数据锁存。数据输入后立即引脚ag 输出用于驱动共阴极 LED 显示器的字段的信号，当 LT-=0 时，进行灯测试，使 LED 显示“8” ，当 BI-=0 时，显示器消隐显示，既显示器“暗” 。由于本系统中无须此操作，故 LT- 和 BI-均在硬件设计中接高电平。模块所用的 LED 是共阴极的，LED 的 1、6 脚接地，当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮相应的段被显示。在 U13A 和 U19A 的 LED 数码管上分别接了小数点显示位 dp1 和 dp2，为了防止空接脚对其他信号的干扰，把其他的 LED 数码管不用的 dp 引脚接数字地。LED 显示部分模块附加了双排的 IDC28 封装的数字接插件，使得显示模块可独立与主芯片进行扩展。原理图如下图 3-26 所示。安徽建筑工业学院设计（论文）29图 3-26 LED 显示模块原理图PCB 图如下图 3-27 所示。图 3-27 LED 显示模块原理图安徽建筑工业学院设计（论文）304 系统集成实现在本次毕业设计中，除负责预处理及外围接口电路外，并对整个系统的硬件集成方案进行了研究，在整个设计过程中，设计时采用划分模块的方法，可以对各模块出现的问题及时调整和改正，有利于更快更好的完成设计任务。各模块间是单独存在的，并没有采用硬连接，这个大大的提高了整个电路的灵活性，具有通用性和面向对象的智能性、开放性。在整个硬件系统中，除了预处理及外围接口电路外，还为 TMS320F2812 主板、TMS320C5402 主板、和 Zigbee 模块设计了接口电路，最后将所有模块集成在一块电路板上构成一个通用的测试平台。在这一设计过程中关键是要有全局的概念，各模块的尺寸要有很好的把握，设计之前要先规划、布局。这样才能使最终的 PCB 板紧凑、美观。最后的集成板如下图所示：图 3-28 集成模块图安徽建筑工业学院设计（论文）315 总结与展望几个月来，经过小组三个人的不断努力，终于完成了毕业设计，达到了任务书上的要求，取得了一定的经验成果。完成设计的过程中，我们一路坎坷，进程并非顺利，但是大家团结一致，解决一个个问题，最终各自都完成了自己的设计部分，每个人都受益非浅。通过这次的设计，使我们从一开始对系统设计的一无所知，到了有了深刻的了解。使我们掌握系统开发的最基本知识，系统模块划分的设计思想，对系统设计的认识上升到一个新的高度。这对我们以后不论继续学习还是走向工作岗位有着非常大的帮助。这次毕业设计过程中我温习了 Protel 99Se 及 Word 等软件，并能熟练的使用这些软件。就我自己而言，从一开始对电路设计不知从何下手到最终的制版成功，在这一过程中，我学到了很多书本上没有的知识，知道了当我们遇到了一个实际的系统设计项目时，首先应该从哪些方面入手，在设计电路系统时应该如何设计；知道了如何才能顺利成功地制板；明白了理论上的设计与实际电路还的有着很大的区别的，在设计产品时要以理论为基础，将理论与实际相结合，而不能盲目、凭空想象，遇到不会的问题要及时上网搜索相关的文献资料，我学会查资料，这点对于我来说是可以受用一生的！由于时间等条件的限制，设计中还存在不足和缺陷，可能是第一次设计所以在布局时可能不是很紧凑，经过老师指正虽然有所改善但可能还不是最好，布线也同样，在我以后的学习和工作中，我会尽量注意，避免犯错。在本次毕业设计中，我顺利完成了任务，实现了预处理及外围接口电路的设计，实现了基于 X9313 的程控放大器、程控有源滤波器、基于 ADC0809 的A/D 模块、基于 TLC5628 的 D/A 模块、LED 显示模块、LCD 接口、键盘接口，并且实现了对接口电路和两种 DSP 主板的集成，所有的模块之间并没有采用硬连接，可以单独使用，所以大大提高了各电路的灵活性，使该系统具有一定的通用性。在今后的设计中可以在此基础上进行改善，使系统能做成一个实验箱，我相信，通过对课题的更进一步研究，能更进一步提高产品的精确性和实用性。安徽建筑工业学院设计（论文）32参考文献：1郑乐丹. 高校实验室虚拟仪器建设探索. 陕西工学院学报, 第 18 卷,第 4 期,2002 年 12月2 周又平,梅长彤,徐慧. 虚拟仪器教学实验平台在电子技术类课程的应用. 现代教育技术, 2006,23(3):73-753邹旋. 通用低频测试系统平台研究. 安徽建筑工业学院毕业论文, 20084胡冯根. 电子测量与信号系统综合实验平台研制. 安徽建筑工业学院毕业论文，20085高翠云,李岳民. 通用低频测试系统软硬件平台及可测试性研究. 中国仪器仪表, 2007（3）：38-406 祝学云,刘伟明. 检测技术综合实验仪的研制. 验室研究与探索, 2004,23(3): 45-467张学军,张瑛 .电子综合实验系统研制. 中国教育技术装备. 2005.2 : 1-3 8刘志勤,易亚星. 积木式微机原理实验箱的设计. 实验技术与管理. 2002 ,19(6)9杨振野等编著. 一种便于携机的多功能心电前置放大器. 生物医学工程学杂志，1997：14（4）400-401。10孟延等编著. 一种多用途心电心音信号采集系统的设计，北京医学工程，第十七卷，第三期，1998 年 9 月。11夏路易，石宗义编著. 电路原理图与电路板设计教程 PROTEL 99SE，北京希望电子出版社 2002 年 6 月出版。12Jeckeln E C, Ghannouchi F M, Sawan M A. 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A compact second-order LTCC band-pass filter with two finite transmission zerosJ .IEEE Trans Microwave Theory Technol, 2003,51, 51 (2) :337-341 . 安徽建筑工业学院设计（论文）33致谢 在毕业设计中，指导老师 liu 老师为我们提供了极大的帮助和关爱。从始至终 liu 老师一直帮我们提供相关资料并为我们解决疑难问题，并提出相关见解，设计的整个过程无不浸透着老师的汗水。liu 老师的这种勤勤恳恳、孜孜不倦、忘我的工作精神是我们学习的榜样，值得效仿的对象。在此，向我的指导老师 liu 老师致以诚挚的感谢! 感谢 LIU 老师的无私帮助与鼓励!感谢系领导关怀及 DSP 实验室 F 老师的大力支持!感谢我们本组的每一位同学，感谢他们在毕业设计过程中对我的无私帮助和密切配合，我们共同的努力才有今天的成绩。 最后，向批阅毕业设计的老师说一声谢谢！您们辛苦了！安徽建筑工业学院设计（论文）34附录原理图：图 1 放大电路原理图图 2 滤波电路原理图：安徽建筑工业学院设计（论文）35图 3 A/D 电路原理图图 4 D/A 电路原理图安徽建筑工业学院设计（论文）36 图 5 键盘原理图安徽建筑工业学院设计（论文）37图 6 LED 显示模块原理图 图 7 TMS320C5402 模块的插座原理图安徽建筑工业学院设计（论文）38 图 8 TMS320F2812 模块的插座原理图安徽建筑工业学院设计（论文）39PCB 图： 图 1 放大电路 PCB 图图 2 滤波电路 PCB 图安徽建筑工业学院设计（论文）40图 3 A/D 电路 PCB 图安徽建筑工业学院设计（论文）41图 4 D/A 电路 PCB 图图 5 键盘 PCB 图图 6 LED 显示模块 PCB 图安徽建筑工业学院设计（论文）42 图 7 TMS320C5402 模块的插座 PCB 图图 8 TMS320F2812 模块的插座 PCB 图安徽建筑工业学院设计（论文）43图 9 液晶模块的插座 PCB 图安徽建筑工业学院设计（论文）44图 10 硬件集成 PCB 图