毕业设计论文占空比和振幅任意可调的低频信号发生器

毕业设计（论文）专用纸占空比和振幅任意可调的低频信号发生器学 校：昆明理工大学津桥学院 系 部：计算机科学与电子信息工程系专 业：电子信息科学与技术 年 级：2008级 学生姓名： 学 号： 指导教师： Duty cycle and amplitude of any adjustable pulse signal generatorUniversity： Oxbridge Kunming University of Science and Technology Department： Computer Science and Electronic Information EngineeringSpecialty: Electronic Information Science and Technology Class: EI-081 Students Name: Zuo Yu StudentsNumber:200816022132 Faculty Adviser: Li Heng 目录摘要Abstract前言第1章 绪论1.1 论文研究的目的及意义1.2 论文研究的背景1.3 课题研究的主要内容第2章 系统的总体设计2.1 硬件设计2.1.1 单片机的介绍及选型2.1.2 脉冲信号2.1.3 数码管驱动及键盘控制芯片CH4522.1.4 DA转换芯片TLC56152.2 系统的组成2.3 系统的开发环境第3章 系统的硬件设计3.1 电源设计3.2 IIC键盘设计3.3 DA转换器的控制方式设计3.4 LCD设计3.3 单片机的最小系统设计第4章 PCB板的绘制4.1原理图绘制4.2 PCB制作 第5章 系统的软件设计5.1 占空比可调的设计5.2 关于振幅可调的设计结论谢辞参考文献附录一附录二附录三附录四占空比和振幅任意可调的低频信号发生器摘要在现代社会中，自动化技术已经渗透到社会生活的各个领域中。在超声波测量技术中,超声换能器(发射换能器和接收换能器) 是超声波检测技术的核心部件。高精度、宽频率范围、高稳定性的激励源对于发射换能器及超声检测系统性能的改善和提高起着至关重要的作用。传统的波形发生器通常由晶体管、运放IC 等分离元件制成。与此相比,基于集成芯片的波形发生器具有高频信号输出、波形稳定、控制简便等特点。其中，信号发生器是自动化领域中的一个典型应用。因为现代的自动化控制中基本都会利用信号来控制设备的工作。利用信号的产生进行仪器的控制已经是自动控制中的一个重要的手段，那么一个幅度、频率、占空比以及波形可调的信号发生器的设计和完成更具有使用价值。只要将这个信号发生器设计的基本思路掌握，不但可以融会贯通所学的专业知识还可以在以后工作中利用到，作为用来控制其他设备或设计的一个参考。在一些数电或模电的实验中，通常只需要一些简易的信号源，而现有的大多数信号发生器复杂且价格较高。本设计采用51单片机为基础，制作占空比和振幅任意可调的脉冲信号发生器，实现脉冲的占空比、振幅的调节。硬件部分采用51单片机为核心，配以串行DA转换电路、IIC按键显示电路、LCD液晶显示模块，实现相关功能。关键词：51单片机，DA，脉冲信号，发生器，IICDuty cycle and amplitude of any adjustable pulse signal generatorAbstractIn modern society, automation technology has penetrated into every field of the society. In ultrasonic measurement technology, ultrasonic transducer (launch transducer and receive transducer) is the core component of ultrasonic inspection technology. High precision, wide frequency range, high stability of the incentive for launch and the ultrasonic transducer source detection system to improve the performance of and improve play a crucial role. The traditional waveform generator usually by the transistor, the op-amp IC separation etc element is made. By contrast, the waveform generator based on integrated chip of high frequency signal output waveform stability, easy control, etc. Among them, the signal generator in the field of automation is a typical application. Because the modern automation control of basic will use signal to control devices. Use of signal generation instruments control has is automatic control one of the important means, so a amplitude, frequency, occupies empties compared and waveform adjustable signal generator design and complete is more use value. As long as this signal generator design the basic thought of the master, not only can comprehensively major knowledge can also use in the future, as is used to control the other equipment or design of a reference. In some Numbers electricity or die in the experiment of electricity, usually only need some simple source, while the current most signal generator complex and the price is higher.This design USES the 51-series microcomputer as the basis, make occupies emptiescompared and amplitude arbitrary adjustable pulse signal generator, realize the pulse of empty, the adjustment of the amplitude than.The hardware of the 51 single-chip microcomputer as the core, match with serial DA conversion circuit, IIC buttons show circuit, LCD module, realize the related functions.Keywords: 51 SCM, DA, pulse signal, generator, IIC前言信号发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。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。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、熔炼、淬火、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。基于单片机的信号发生器设计，该课题的设计目的是充分运用大学期间所学的专业知识，考察现在正在使用的信号发生器的基本功能，完成一个基本的实际系统的设计全过程。通过单片机控制一个有特殊功能的信号发生芯片，可以产生一系列有规律的幅度和频率可调的波形。这样一个信号发生装置在控制领域有相当广泛的应用范围。信号发生器是电子实验室的基本设备之一，目前各类学校广泛使用的是标准产品，虽然功能齐全、性能指标较高，但是价格较贵，且许多功能用不上。本文介绍一种由集成电路设计的简易信号发生器，该仪器结构简单，虽然功能及性能指标赶不上标准信号发生器，但满足一般的实验要求。其成本低、体积小、便于携带等特点，亦可作为电子产品维修人员的重要随身设备之一。第一章 绪论1.1论文研究的目的及意义随着电子测量及其他部门对各类信号发生器的广泛需求及电子技术的迅速发展，促使信号发生器种类增多，性能提高。尤其随着70年代微处理器的出现，更促使信号发生器向着自动化、智能化方向发展。现在，许多信号发生器带有微处理器，因而具备了自校、自检、自动故障诊断和自动波形形成和修正等功能，可以和控制计算机及其他测量仪器一起方便的构成自动测试系统。当前信号发生器总的趋势是向着宽频率覆盖、低功耗、高频率精度、多功能、自动化和智能化方向发展。在科学研究、工程教育及生产实践中，如工业过程控制、教学实验、机械振动试验、动态分析、材料试验、生物医学等领域，常常需要用到低频信号发生器。但市面上能看到的仪器在频率精度、带宽、波形种类及程控方面都已不能满足许多方面实际应用的需求。加之各类功能的半导体集成芯片的快速生产，都使我们研制一种低功耗、宽频带，能产生多种波形并具有程控等低频的信号发生器成为可能。1.2论文研究的背景信号发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直到1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。自从70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，提高了信号测量的准确度、精度和变换速度，克服了模拟信号处理的诸多缺点，数字信号发生器随之发展起来。图1.1 信号发生器现代信号发生器具有直接数字频率合成技术（DDS），得到精确、稳定、低失真的输出信号；双通道输出，可实现通道耦合，通道复制；具有丰富的调制功能，输出各种调制波形；具有丰富的输入输出；支持即插即用USB存储设备，并可通过USB存储设备存储、读取波形配置参数及用户自定义任意波形，以及进行软件升级等特点。其优势在于功能强大，能够适应各类设备的需求。但缺点在于价格昂贵，功耗高，携带不方便。本设计采用单片机集成DA转换模块输出波形，从而达到为其他设备提供建议信号源的目的。单片机是一种集成在电路芯片，是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。其具有有益的性价比、控制功能强、集成度高、体积小、可靠性高、低电压、低功耗等特点，适合实验及学生科技制作使用。1.3课题研究的主要内容本设计通过51单片机，制作一种能调节占空比、振幅的脉冲信号发生器，通过按键、液晶模块设置脉冲信号占空比和振幅，借用DA转换模块输出波形，从而达到为其他设备提供建议信号源的目的。研究内容：1、 构建程序框架，使LCD液晶模块、IIC按键模块协同工作。2、 研究定时器实现占空比调节方式。3、 研究IIC按键显示模块的控制方法，以及菜单转换、数据录入方法。4、 研究串行液晶的显示控制方式及中文字符的显示。5、 研究串行DA转换器的控制方式。6、 熟悉Protel原理图绘制及PCB制板流程，设计制作PCB电路板7、 熟悉单片机程序调试方法通过软硬件协同设计，实现脉冲的占空比、振幅的调节，并可用仿真软件或示波器进行调试，制作PCB印刷电路板，基本实现产品式开发。第二章 系统的总体构架2.1 硬件的介绍及选型2.1.1 单片机的介绍及选型单片机是70年代中期发展起来的一种大规模集成电路芯片，是CPU、RAM、ROM、I/O接口和中断系统于同一硅片的器件。80年代以来，单片机发展迅速，各类新产品不断涌现，出现了许多高性能新型机种，现已逐渐成为工厂自动化和各控制领域的支柱产业之一。单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（Microcontroller Unit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。早期的单片机都是8位或4位的。其中最成功的是INTEL的8031，因为简单可靠而性能不错获得了很大的好评。此后在8031上发展出了MCS51系列单片机系统。基于这一系统的单片机系统直到现在还在广泛使用。图2.1 STC89C51 DPID-40 封装如图2.1，系统采用STC89C51单片机，STC系列的单片机现在在中国的51单片机市场上占有较大比例。其工作频率040M相当于普通8051的080M，FLASH程序储存4K-64K，RAM数据储存512B1280B，内部集成EEPROM 2K16K及看门狗和专用复位电路，带A/D功能，有ISP和IAP功能，强抗干扰和降低EMI性能。2.1.2 脉冲信号图2.2 脉冲信号脉冲信号是一种离散信号，形状多种多样，与普通模拟信号（如正弦波）相比，波形之间在时间轴不连续（波形与波形之间有明显的间隔）但具有一定的周期性是它的特点。最常见的脉冲波是矩形波（也就是方波）。脉冲信号可以用来表示信息，也可以用来作为载波，比如脉冲调制中的脉冲编码调制（PCM），脉冲宽度调制（PWM）等等，还可以作为各种数字电路、高性能芯片的时钟信号。2.1.3 数码管驱动及键盘控制芯片CH452图2.3 CH452两线串行通讯接口CH452是数码管显示驱动和键盘扫描控制芯片。CH452内置时钟振荡电路，可以动态驱动8位数码管或者64位LED，具有BCD译码、闪烁、移位、段位寻址、光柱译码等功能；同时还可以进行64键的键盘扫描；CH452通过可以级联的4线串行接口或者2线串行接口与单片机等交换数据；并且可以对单片机提供上电复位信号。2.1.4 DA转换芯片TLC5615图2.4TLC5615典型工作电路TLC5615 为美国德州仪器公司推出的产品，是具有串行接口的数模转换器，其输出为电压型，最大输出电压是基准电压值的两倍。带有上电复位功能，即把 DAC 寄存器复位至全零。性能比早期电流型输出的DAC要好。只需要通过3根串行总线就可以完成10位数据的串行输入，易于和工业标准的微处理器或微控制器(单片机) 接口, 适用于电池供电的测试仪表、移动电话,也适用于数字失调与增益调整以及工业控制场合。2.2 软件设计系统采用Keil C51编写，Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面。另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。C51工具包的整体结构，uVision与Ishell分别是C51 for Windows和for Dos的集成开发环境(IDE)，可以完成编辑、编译、连接、调试、仿真等整个开发流程。开发人员可用IDE本身或其它编辑器编辑C或汇编源文件。然后分别由C51及C51编译器编译生成目标文件(.OBJ)。目标文件可由LIB51创建生成库文件，也可以与库文件一起经L51连接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由OH51转换成标准的Hex文件，以供调试器dScope51或tScope51使用进行源代码级调试，也可由仿真器使用直接对目标板进行调试，也可以直接写入程序存贮器如EPROM中。Keil C51生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑，容易理解。在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。2.3 系统工作原理图2.5系统组成框架图如图2.5，系统采用单片机为核心，利用D/A转换芯片输出1KHZ的脉冲信号，以达到低频脉冲信号发生器的功能。电源方面，整个系统所采用的元件，其输入电压典型值均为5V，为保证整个系统的供电，和宽电压的输入，系统采用7805三端稳压IC来组成稳压电源，其所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。非常适合本次设计电源要求。为了实现更好的低频脉冲信号发生器的功能，系统外界输入端，采用数码管及按键管理芯片CH452。采用矩阵传统键盘或独立键盘其需要I/O较多，在单片机有限的端口情况下采用CH452，更好的管理数码管及按键，只需3线即可管理多个数码管及按键。CH452与单片机通讯采用IIC串行通讯协议，它是同步通信的一种特殊形式，具有接口线少，控制方式简单，器件封装形式小，通信速率较高等优点。显示方面，采用LCD12864液晶。该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。这样，通过按键调整脉冲幅值及占空比，液晶显示当前输出信息，更好的实现了低频脉冲信号发生器的功能。系统通过各芯片的协同作用，以实现低频脉冲信号发生器的功能，其具有以下特点。1. 输出1KHZ以下脉冲信号；2. 可调振幅、占空比；3. 占用I/O少，可拓展性高；4. 液晶显示，可显示中文；5. 低功耗，输入电压较宽（7V18V），具有过载、短路保护功能，更好的携带及电池的更换，提高了待机时间，保证了更长时间的使用；6. 体积小巧，成本低。第三章 系统的硬件设计系统的硬件设计包括电源设计、IIC键盘设计、DA转换器的控制方式设计、LCD设计、单片机的最小系统设计，通过查阅各元器件的Datasheet，即可了解元器件的工作原理及其驱动方式。通过绘图软件，将所有模块进行整合，详细请参阅附录。3.1 电源设计电源采用三端电源稳压芯片LM7805，输入电压较宽（7V18V），其具有热过载保护、短路保护、输出晶体管安全工作区保护等特点，电气参数如图3.1所示。图3.1 LM7805电参数LM7805虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。考虑到本次设计所采用的电源较为简单，应用电路采用固定输出稳压电路，如图3.2所示。图3.2 LM7805固定输出稳压电路输入端Power采用接插件连接9V电池，便于携带；SW_Power开关为总电源开关；LED_Power为电源提示LED，当总开关打开后LED将会亮起。3.2 IIC键盘设计IIC键盘采用数码管驱动及键盘控制芯片CH452进行设计，其输入电压为3V5V，本设计电源可为其正常供电。CH452内置64键键盘控制器，基于8*8矩阵键盘扫描；内置按键状态输入的下拉电阻，内置去抖动电路；键盘中断，可以选择低电平有效输出或者低电平脉冲输出；提供按键释放标志位，可供查询按键按下与释放；支持按键唤醒，处于低功耗节电状态中的CH452可以被部分按键唤醒。CH452可通过4线串行接口或2线串行接口与单片机进行交换数据，本设计考虑节省引脚，采用2线IIC总线进行控制。其电路如图3.3所示。图3.3 CH452 IIC总线控制电路CH452与单片机通讯接口分别为SDA（P4.1）、SCL（P4.0）、INT（P3.3）。其SDA为数据的输入和输出，SCL串行接口的数据时钟，INT串行接口的中断输出。3.3 DA转换器的控制方式设计DA转换器采用串行接口数模转换器TLC5615，其输入电压为4.55.5V，本设计电源可为其正常供电。图3.4 TLC5615功能框图TLC5615的内部功能框图如图3.4所示，它主要由以下几部分组成：1. 10位DAC电路；2. 一个16位移位寄存器，接受串行移入的二进制数，并且有一个级联的数据输出端DOUT ；3. 并行输入输出的10位DAC寄存器，为10位DAC电路提供待转换的二进制数据；4. 电压跟随器为参考电压端REFIN提供很高的输入阻抗，大约10M；5. 2电路提供最大值为2倍于REFIN的输出；6. 上电复位电路和控制电路。图3.5 TLC5615控制电路如图3.5所示，TLC5615与单片机通讯接口分别为DIN（P1.0）、SCLK（P1.1）、CS（P1.2）。其DIN为串行数据输入端，SCLK为串行时钟输入端，CS为芯片选用通端。DA采用接插件端子，端子一端与TLC5615的OUT端口连接，OUT端口为DAC模拟电压输出端，另一端便于与示波器、脉冲接收端相连，供其接收脉冲信号。3.4 LCD设计LCD采用LCD12864汉字图形点阵液晶限时模块，可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16*16点阵）、128个字符（8*16点阵）及64*256点阵显示RAM（GDRAM）。主要技术参数和显示特性：1. 电源（VDD）：3.3V5V2. 显示内容：128*643. 显示颜色：黄绿4. LCD类型：STN5. 与MCU接口：8位或4位并行/3位串行6. 配置LED背光文本显示RAM提供8*4行汉字的空间，当写入文本显示RAM时，可以分别显示CGROM、HCGROM与CGRAM的字型；ST7920A可以显示三种字型，分别是半宽的HCGROM字型、CGRAM字型及中文CGRAM字型。图3.6 LCD12864 串行控制电路如图3.6所示，LCD12864采用串行控制方式，与单片机通讯接口分别为CS（P2.5）、SID（P2.6）、CLK（P2.7）、PSB（P2.4）、RET（P2.2）。其CS为串行的片选信号，SID为串行的数据口，CLK为串行的同步时钟，PSB为并/串接口选择，RET为复位。电路图中，变阻器功能为调整LCD的背光亮度，调整到人眼舒适亮度。3.5 单片机的最小系统设计单片机采用STC89C51RC，其具有以下特点：1. 工作电压：5.5V3.4V2. 工作频率范围：040MHZ3. 片上集成1280字节RAM4. ISP（在线可编程），无需专用编程器/仿真器。5. EEPROM功能6. 看门狗7. 共3个16位定时器，其中定时器0还可以当成2个8位定时器使用。8. 外部终端4路，下降沿终端或低电平出发中断。图3.7 单片机最小系统电路如图3.7所示，单片机采用5V 供电、12M晶振，RES按键供用户复位使用。第四章 PCB板的绘制本设计采用Protel 99SE电路板设计软件，Protel 99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。Protel 99SE 由两大部分组成：电路原理图设计（Advanced Schematic）和多层印刷电路板设计（Advanced PCB）。其中Advanced Schematic由两部分组成：电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（Schematic Library）。图4.1 Protel 99SE 操作界面4.1 原理图绘制绘制原理图之前，先对各部件的Datasheet进行阅读，了解其硬件接口及其封装，虽然Protel本身包含了庞大的元件库，但在实际应用中总会遇到找不到元件的情况，这时就需要根据元件资料 自己动手在元件库中制作这个元件。还有一种情况是各种元件分散在各个公司的元件库中，不便与使用，所以要把常用元件集中到一个元件库中，这就要自己动手制作，将经常用到的元件复制到这个元件库中，方便以后的使用。图4.2 Protel 99SE 原理图元件库编辑器界面进入Design Protel 99se后在Documents中通过右键 “New” 建立 “Schematic Document”文件，打开后即可进行电路原理图的编辑。先按照已画好的电路草图将所有元件找到拖放到编辑框里。将编辑框缩小，将元件照电路的样子搭好，整体上排列匀称。接下来就可以进行局部的连线了。图4.3 Protel 99SE 原理图编辑器界面4.2 PCB封装PCB封装是指实际零件焊接到电路板时所指示的外观和焊点的位置。是纯粹的空间概念.因此不同的元件可共用同一零件封装，同种元件也可有不同的零件封装。像电阻，有传统的针插式，这种元件体积较大，电路板必须钻孔才能安置元件，完成钻孔后，插入元件，再过锡炉或喷锡（也可手焊），成本较高，较新的设计都是采用体积小的表面贴片式元件（SMD）这种元件不必钻孔，用钢膜将半熔状锡膏倒入电路板，再把SMD元件放上，即可焊接在电路板上了。考虑到本设计制板难度，PCB封装均采用直插式。图4.4 Protel 99SE PCB元件库编辑器界面将PCB封装与各元器件进行绑定后，生成网络表，进入绘制PCB工序，将PCB绘制完成后，即可发到厂家进行制板。图4.5 PCB封装与原理图绑定第五章 系统的软件设计第页