【正文】 9 頁 共 42 頁圖 1 總原理圖南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 20 頁 共 42 頁附錄二 PCB 圖圖 2 PCB 圖南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 21 頁 共 42 頁附錄三 元器件清單元器件 大小和數量CD4051 1 個MAX038 1 個MAX414 3 個MAX517 2 個AT89C52 1 個可變電阻 1K 2 個 2K 1 個 5K1 個 10K 1 個晶振 1 個開關 1 個4*4 鍵盤 1 個電容 1000p 1 個 100p 3 個 20p 2 個 22p 1 個電容 100u 1 個 10u 1 個 1u1 個 8 個 個電容 380p 1 個 10p 2 個電阻 5K 1 個 10K 2 個電阻 50Ω2 個 20K 3 個 4 個 200Ω1 個南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 22 頁 共 42 頁附錄四 程序清單includedefine unsigned int uint define unsigned char uchar sbit RS=P2^0。在論文的完成過程中，還得到其他學院多位老師和同學的熱情幫助，在此表示感謝！感謝評審論文的各位專家、老師為本文提出的寶貴的意見。老師淵博的學識，謙虛、嚴謹的治學態(tài)度、靈活的思維方式、認真的工作作風和對學生的關心都令我佩服不已，諄諄教誨使我受益匪淺，這必將在今后的學習和工作中給我鼓勵和鞭策，為以后步入社會、適應工作奠定良好的基礎。 以上功能基本上符合畢業(yè)設計任務書中所要求的任務。還能實現(xiàn)穩(wěn)幅輸出的功能。（3）占空比在 10%～90%范圍內，可通過鍵盤進行步進粗調和微調，以及占空比 50%可以一鍵調節(jié)。 設計結果 經過反復調試，本設計主要完成了以下功能：（1）能產生正弦波、方波、三角波、等幾種周期性波形，并且可通過調節(jié)變形成其它相關波形。對數據統(tǒng)計時，特別在 1KHz 以下的頻率，示波器顯示的數據中最后一位或兩位一般都不穩(wěn)定，采取估讀的方式來讀取數據，這樣獲得的數據和真是值南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 16 頁 共 42 頁之間存在一定的誤差。波形發(fā)生器的頻率數據統(tǒng)計時我們采用粗調增加的方式讀取數據，每一頻段都讀取 25 個數據進行統(tǒng)計。當負載變化時（負載變化范圍：100Ω～∞） ，輸出電壓幅度變化在誤差允許范圍內（≤177。 數據處理 硬件電路完成后，對數據進行整理，用數字示波器顯示的頻率和振幅作為真實值(A0)，波形發(fā)生器 LCD12864 顯示的頻率和振幅作為測量值 (Ax)，對兩者進行觀察、記錄、統(tǒng)計、分析，我們發(fā)現(xiàn)，誤差總是呈現(xiàn)一定的規(guī)律變化。為了防止發(fā)生這種情況，在鍵掃描程序中不僅要檢測是否有按鍵按下，在有鍵按下的情況，作一次鍵處理，而且在鍵處理完畢后，還應檢測按下的鍵是否松開，只有當按下的鍵松開以后，程序才往下執(zhí)行。鍵盤掃描中應防止誤按按鍵的情況。（3）延時消除鍵抖動，就是說一旦發(fā)現(xiàn)有鍵按下，就延時 25ms 以后再測按鍵的狀態(tài)。（2）在 D/A 轉換控制占空比的過程中，由于要取得雙極性輸出，需要用到兩個運算放大器，在這過程中會損耗部分電壓，這就使得理論計算得到的電壓在輸入 MAX038 的 DADJ 引腳時不準確。 系統(tǒng)軟件調試系統(tǒng)軟件調試是通過程序調節(jié)從而使電路系統(tǒng)更好的工作，以期得到更接近準確的數據，從而使電路工作輸出更精確，更接近實際。（3）MAX038 的模擬電源和數字電源需要分開，供電時加上電容去耦，同樣模擬地和數字地的處理也要慎重，PCB 板上要用低阻地平面分別將模擬地和數字地連接，再在某點連接兩地。系統(tǒng)調試及數據處理 電路調試整個系統(tǒng)硬件的調試過程中，主要做了以下硬件調試：（1）在顯示電路中，加上了一個 10K 的精密可調電阻，這樣可以調節(jié)液南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 14 頁 共 42 頁晶模塊的亮度。按鍵掃描程序流程圖如圖 所示。南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 13 頁 共 42 頁 Y N開始采集參數設置啟動采集采集結束？獲取采集參數顯示圖形、數據循環(huán)采集？結束YN開始掃描鍵盤消抖是否有鍵按下？輸出按鍵值YN退出圖 A/D 轉換程序流程圖 圖 鍵盤掃描子程序 按鍵掃描子程序設計在開始掃描發(fā)現(xiàn)有鍵按下時，先進行消抖，防止由于按鍵振動導致誤判。然后切換到通道 2并進行第一次轉換，操作過程與通道 1 相同，依次再切換到通道 3，4 等通道，最終完成所有通道的轉換。其主程序的流程圖如圖 所示。先輸入功能鍵然后按照要求執(zhí)行程序。 按鍵設置在行、列線的交點上，行、列線分別連接到按鍵開關的兩端。圖 LCD12864 顯示電路南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 11 頁 共 42 頁 4*4 矩陣鍵盤輸入電路 輸入電路模塊采用 4*4 矩陣鍵盤輸入，如圖 所示。PSB 接高電平，表示這里采用的是并行數據控制方式。LCD12864 的 D0～D7 接單片機 P0 口，RS、 RW 和 LCDEN 分別接 、 和 口。 LCD12864 顯示電路采用帶字庫的點陣圖形液晶模塊 LCD12864，可以顯示漢字、字符和圖形等。 信號輸出模塊設計輸出信號采樣電路模塊設計由一片 MAX414 和 TLC549 構成，分別與單片南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 9 頁 共 42 頁機 、 和 腳連接，如圖 所示，其中 MAX414 將輸出 模擬信號 圖 D/A 轉換電路圖 輸出信號采樣電路南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 10 頁 共 42 頁放大，模擬輸入信號（ANALOG IN）經過 TLC549 內部采樣/保持器至 8bit 逐次比較式 A/D 轉換器。另 MAX517A 為調節(jié)占空比輸出，所以要用雙極性接法，運算放大器采用的是MAX414 是美信公司的 4 路輸出精密運算放大器。此外，CD4051 還設有另外一個電源端 VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的 CMOS 電路所提供的數字信號能直接控制這種多路開關，并使這種多路開關可傳輸峰－峰值達 15V 的交流信號 D/A 轉換電路D/A 轉換電路由 2 片 MAX517 及外圍電路組成，分別與 MAX038 的 IN引腳和 DADJ 引腳相連，如圖 所示，其中與 DADJ 相連的 D/A 轉換器是雙極性輸出。表 輸出頻率范圍與 F的對應關系波段 C電容值 頻率范圍1 100μF ～2Hz2 10μF 2Hz～20Hz3 1μF 20Hz～200Hz4 200Hz～2KHz南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 8 頁 共 42 頁5 2KHz～20KHz6 1000pF 20kHz～200KHz7 100pF 200kHz～2MHz8 20pF 2MHz～20MHz圖 CD4051 模擬開關電路CD4051 模擬開關電路如圖 所示。 CD4051 模擬開關電路單片機通過控制模擬開關 CD4051 來選擇 FC的電容量，從而確定頻率范圍。(3) 另外，要帶動低阻負載，放大電路的電流輸出能力也是個重要參數。因為輸出信號最大基頻為20MHz，起三角波和矩形波的高次諧波成分很高，只有高頻寬才能得到不失真 圖 MAX038 外圍電路圖的輸出波形。由于 MAX038 的輸出信號為恒定的 2V（PP） ， 且輸出電流不高，所以必須依靠輸出級的放大電路來提供足夠的輸出電壓和電流，由放大電路和 A/D 轉換芯南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 7 頁 共 42 頁片組成數據采樣系統(tǒng)則可以實現(xiàn)數據采樣。 單片機最小系統(tǒng)電路 MAX038 波形發(fā)生器電路MAX038 的外圍電路如圖 所示，引腳 A0、A1 接單片機 I/O 口，引腳COSC 接電容選擇電路的 X 引腳，引腳 REF 是輸出正 電壓，用作控制占空比的 D/A 轉換器的基準電壓輸入， IN 引腳是頻率控制引腳，通過一個 25K電阻與 D/A 轉換器輸出端相連。單片機的震蕩電路為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。4*4鍵盤輸入全部用作功能鍵，單片機通過 CD4051 控制頻段范圍，在選擇的頻段范圍內通過設定的按鍵步進調節(jié)就可以得到需要的信號，頻率數值設定在 10～ 20MHz 范圍內直接送到 LCD12864 顯示。綜上所述，選擇方案二，采用環(huán)形變壓器三端穩(wěn)壓器電路。加上三端固定穩(wěn)壓器獲得177。只需使用兩節(jié)電池，既節(jié)省了電池又減小系統(tǒng)體積重量，但該電路供電電流小，供電時間短，無法保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運作。（6）電源模塊的設計方案論證與選擇方案一，采用升壓型穩(wěn)壓電路?？梢燥@示字符、圖片，利用單片機直接驅動液晶顯示模塊，設計簡單，且顯示界面寬大美觀舒適，耗電小。如果需要顯示的內容較多，過多增加數碼管的個數顯然不可行，進行輪流顯示則控制復雜，此外，數碼管需要較多連線，使電路復雜，功耗比較大。TLC549 具有 8 位分辨率模數轉換，最大轉換時間為 17us， 每秒訪問和轉換最多可達 40000 次，功耗低，可以滿足本設計要求。 綜上所述，結合本設計對數據采樣的各項要求和單片機引腳的具體情況，采用 TI 公司的 8 位串行 A/D 轉換芯片 TLC549。（4）信號采樣電路的設計方案 方案一，采用并行 A/D 轉換芯片，并行方式一般在轉換后可直接接收，轉換時間快但使用芯片的引腳比較多。 方案三，按照數字量的位數可以分為 8 位、10 位、12 位、16 位等 D/A 轉換器，位數越大分辨率越大但相應的成本也越高。并行D/A 轉換器的轉換速度快，但占用 I/O 多。電流輸出型D/A 轉換器則用得較少。（3）D/A 轉換器的設計方案與論證 方案一，按照輸出類型的不同可以分為電壓輸出型和電流輸出型器件。其內部電路組成和工作原理如圖 所示。模擬開關在電子設備中主要起接通信號或斷開信號的作用。方案二，采用電子模擬開關，模擬開關是一種三穩(wěn)態(tài)電路，它可以根據選通端的電平，決定輸人端與輸出端的狀態(tài)。綜合以上三種方案，從性能和制作成本考慮，本設計采用方案二，即采用單片機控制鍵盤輸入通過 D/A 轉換控制單片函數信號發(fā)生芯片 MAX038 產生可調頻率、幅度和占空比的波形信號。 方案三，利用專用直接數字合成 DDS 芯片實現(xiàn)函數信號發(fā)生器。 方案二，利用單片集成芯片實現(xiàn)函數信號發(fā)生器。 方案論證下面對以上系統(tǒng)硬件構思進行各模塊實現(xiàn)功能要求的論證：（1）波形發(fā)生電路的設計方案論證與選擇方案一，采用分立元件構成非穩(wěn)態(tài)的多諧振振蕩器，根據具體需要加入積分電路等構成波形發(fā)生器。采用按鍵調控的方法對波形、占空比、頻段、頻率進行選擇和調控，然后得到所需的波形、頻段以及所需的占空比和頻率，而不是傳統(tǒng)的采用可變電阻調節(jié)占空比和頻率的方法。采樣部分采用運算放大器和 A/D 轉換芯片。輸入部分采用運算放大器對微弱信號進行放大使波形易于觀察。(2)技術參數要求：1）頻率范圍：～20MHz2）各種波形的輸出幅度：2V3）波形失真小，正弦波失真度小于 %，占空比調節(jié)時非線性度低于 2%南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計第 2 頁 共 42 頁4）工作溫度范圍低于 70℃圖 系統(tǒng)硬件構思方框圖 總體設計方案 設計思路題目要求設計一個基于單片機和 MAX038 的函數信號發(fā)生器， 函數信號發(fā)生器的輸出為正弦波、方波、三角波。因此，相比之下，該儀器具有結構簡單，成本低，體積小，便于攜帶等特點，足以滿足一般的實驗要求。MAX038是Maxim公司生產的精密高頻單片信號發(fā)生器集成電路，內部電路完善。而目前廣泛使用的是一些標準產品，雖然功能齊全，性能制表較高，但是價格較貴，而且許多功能卻用不上。它能滿足測試系統(tǒng)的多種要求，成為了系統(tǒng)綜合測試中不可缺少的組成部分。CD12864南華大學電氣工程學院畢業(yè)設計iii目 錄系統(tǒng)設計 ..................................................................................................................1 設計目標 ..............................................................................................................1 總體設計方案 ......................................................................................................2 設計思路 .......................................................................................................2 方案論證 ............................................................................................