毕业设计(论文)-基于AT89S52单片机的相位信号发生系统设计.doc
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1、摘 要 摘摘 要要 本设计给出了以单片机 AT89S52 为核心配合 TI 公司的 DA 转换器 7524 和 优质低功耗运算放大器 2335 设计的相位信号发生系统,实现相位在 0359 变 化,频率在 150Hz 可调(经测试可达到 60Hz)。系统由单片机实现控制与显示 功能,通过模数转换芯片 TLC7524CN 把经放大器 OPA2335AID 放大后的两路 正弦波信号,送入示波器进行测量,测量两路信号的相位差分辨率精确到 1, 并加入键盘与 LED 显示功能,使得系统具有智能化,人性化的特色。主要内容 有系统功能和设计方案、硬件构成和软件设计过程、结合软件和硬件的调试分 析设计中出现
2、的问题和解决方案。 关键词关键词:DA 转换器 相位信号的产生 单片机 放大器 Abstract Abstract This design illustrates the signal generation system of phase position, which takes single-chip AT89S52 as the core and employs TIs DA converter 7524 and high- quality, low-power operational amplifier 2335 to realize the change of phase posit
3、ion between 0 and 359 , and the adjustibility change of frequency between 1 Hz and 50Hz (up to 60Hz after test). The controlling and displaying functions of the system are realized by the single-chip. Through the ADC chip TLC7524CN, two sine wave signals which are amplified by the amplifier OPA2335A
4、ID are sent into the oscilloscope to take the measurements. The resolution factor of the phase separation which measures two signals is accurated to 1 . Keyboard and the display function of LED are used into this system to make it more intellifent and human. The main contents consist of system funct
5、ion and design, hardware constitution and software design processes, combining software and hardware design debug analysis the problems and solutions. Key words: DA Converters Generation of Phase Position Signal Singlechip Amplifier 目 录 目目 录录 摘摘 要要I ABSTRACTII 第一章第一章 绪绪 论论.1 1.1 课题研究的现状1 1.2 课题相关概念.
6、2 1.2.1 相位和相位差的概念.2 1.2.2 信号发生器的分类.3 1.2.3 信号发生器技术的发展.4 1.3 课题研究的内容与意义.5 第二章第二章 系统设计方案与实现系统设计方案与实现.7 2.1 频率和相位产生的方案.7 2.2 系统硬件组成.7 2.2.1 主要元器件介绍9 2.2.2 系统硬件资源分配.11 2.2.3 功能模块原理阐述.12 2.3 软件程序设计.14 2.3.1 显示子程序.14 2.3.2 键盘控制子程序.14 2.3.3 主控制程序.14 第三章第三章 系统测试与误差分析系统测试与误差分析.15 3.1 测试环境和测试方法.15 3.2 数据处理分析.
7、15 3.3 小结.17 第四章第四章 总结与展望总结与展望.19 致致 谢谢.21 参考文献参考文献.23 附附 录录.25 第一章 绪 论 1 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 课题课题研究的研究的现现状状 相位信号发生器测量技术的研究由来已久,最早的研究和应用是在数学的 矢量分析和物理学的圆周运动以及振动学方面,随之在电气及电力方面也相应 得到重视和发展。随着电子技术和计算机技术的发展,相位信号发生器测量技 术得到了迅速的发展,目前相位信号发生器测量技术已较完善,测量方法及理 论也较成熟,相位信号发生器测量仪器已系列化和商品化,广泛应用于测量 RC、LC 网络、放大器相频特性以及依靠信号
8、相位传递信息等方面的电子设备。 现代相位信号发生器测量技术的发展可分为三个阶段1:第一阶段是在早期 采用的诸如李沙育法、阻抗法、和/差法、三电压法等,这些测量方法通常采用 比对法和平衡法,虽然方法简单,但测量精度较低;第二阶段是利用数字专用 电路、微处理器等来构成测试系统,使测量精度得以大大提高;第三阶段是充 分利用计算机及智能化测量技术,从而大大简化设计程序,增强功能,使得相 应的产品精度更高、功能更全。同时,各种新的算法、测量手段和新的设计方 法及器件也随之出现。 在相位信号发生器测量技术方面,美国一直处于领先地位,主要的研究机 构及公司有 NBS、HP、ADYU 公司及 DRANETZ
9、实验室,俄罗斯在此领域也 具有较高的水平。商品化的通用相位计的水平为低频段达 Hz 数量级,甚高频 可达 100GHz,相位分辨率可达 0.001,相位测量范围为 0360, 180180,少数可达 720。在相位准确度方面,低频为0.002,高频为 0.2,微波为0.5。 随着电子技术的迅速发展,国外从 60 年代后期开始设计和制造基于过零交 叉检测原理的低频相位计,并开始用于工频相位的测量。在国内,60 和 70 年代 是相位测量研究的黄金时代,有众多的研究所、工厂及其它行业部门均进行了 相位测量技术的研究并取得了一定的成果,如国家计量科学院、国防科工委、 电子部十、十四、十七研究所、天津
10、无线电一厂、南京电讯仪器厂等单位,初 步奠定了我国相位测量的基础,研制了一批专用、通用的相位计产品。1964 年 我国第一台相位测量仪器 US2 型交流相位差计问世,其极限误差为 30。1979 年 12 月国家计量总局正式批准进行相位量值传递。从 80 年代开始,将微处理 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 2 器广泛地用于各个技术领域,多种型号的电子相位计投入市场,取代了以往的 相位计。 在 70 年代中期以后,由于资金、技术、管理、市场等因素的原因,国内相 位测量技术的发展进入了低潮,研究相位测量的单位和技术人员越来越少。目 前,国内生产商品化相位计的主要厂家仅有天津中环电子仪器公司,相位
11、计量 机构是中国计量科学研究院和国防科工委。总的来说,我国的相位测量技术与 国外有较大的差距,主要体现在产品种类较少,配套产品少;产品测试功能单 一;仪器精度、数字化和自动化程度不高;相位计量标准不完备。 目前国外提出了改进测相位测量精确度的方法,包括有: (1)用专用数字处理芯片,利用正余弦表格及傅立叶变换方法来计算相位差, 可大大提高测量精度。 (2)采用新器件及设计方法提高相位测量精度及展宽工作频率范围。 (3)采用新的算法来进行相位测试。 (4)采用高精度相位测量设备,通过相位输出信号,利用桥路与输入信号相 位进行比较,从而测出相位差。 现代电子测量仪器与智能测量技术、计算机技术紧紧结
12、合在一起,每一次 计算机技术和电子技术的革命都带来电子测量仪器的革命。因此,只有不断的 采用新技术和新方法,才能使相位计的性能和精度得以不断的提高。 1.2 课题课题相关概念相关概念 1.2.1 相位和相位差的概念相位和相位差的概念 (1) 相位是信号的三种特性之一(另两种分别为频率、幅度),它说明谐波振 荡在某一瞬时的状态。在数学上定义为正弦或余弦函数的幅角,其数学模型为: u(t)=E sin(t+) (2-1) 式中 是初相角,t+ 就是相位角,通常称为相位。 (t)=t+ (2-2) 由(2-2)式可以看出相位是时间 t 的线性函数。 令 1(t)、2(t)表示角频率为 1、2 的两个
13、简谐振荡的相位,则有: (t)=1(t)-2(t)=(1-2)t+(1-2)=t+(1-2) (2-3) 由(2-3)式可知相位差也是时间 t 的线性函数。 第一章 绪 论 3 若 1=2 即两个同频信号,则有: (t)= 1(t)- 2(t)=1-2 (2-4) 显而易见,两个同频信号的相位差为常数,由其初相位角之差确定,即我 们通常所说的静态相位差。 假设,我们选定一个信号为参考信号,认定它的初相角为零,譬如:1=0 即: u1(t)=Esin(t) (2-5) u2(t)= Esin(t+) (2-6) 由(2-5)式确定的信号叫做基准信号,(2-6)式确定的信号则称为被测信号。 这时,
14、相位差 =1-2=- (2-7) 这里的负号表示 1 滞后 2 或 2 超前 1。 这种“静态”相位差,在国防、科研和工业生产中是很有用的。例如:工频电 压加在具有感性的负载上,则电压与电流的相位不同,具有差值,一个交变信 号通过电路或滤波器都要产生相移,等等。 (2) 物理学中的相位差 两个频率相同的交流电相位的差叫做相位差,或者叫做相差。这两个频率 相同的交流电,可以是两个交流电流,可以是两个交流电压,可以是两个交流 电动势,也可以是这三种量中的任何两个。 例如研究加在电路上的交流电压和通过这个电路的交流电流的相位差。如 果电路是纯电阻,那么交流电压和电流电流的相位差等于零。也就是说交流电
15、 压等于零的时候,交流电流也等于零,交流电压变到最大值的时候,交流电流 也变到最大值。这种情况叫做同相位,或者叫做同相。如果电路含有电感和电 容,交流电压和交流电流的相位差一般是不等于零的,也就是说一般是不同相 的,或者电压超前于电流,或者电流超前于电压。 加在晶体管放大器基极上的交流电压和从集电极输出的交流电压,这两者 的相位差正好等于 180。这种情况叫做反相位,或者叫做反相。 1.2.2 信号信号发发生器的分生器的分类类 信号发生器按其输出频率的高低,可分为超低频信号发生器、低频信号发 生器、高频信号发生器、超高频信号发生器和视频信号发生器;按产生波形的 淮安信息职业技术学院毕业设计论文
16、 4 不同,可分为正弦波信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器等;按调 制方式的不同,可分为调频、调幅、调相和脉冲调制信号发生器。此外,还有 可以产生多种波形的信号发生器。 (l)低频信号发生器:低频信号发生器能产生频率范围在 20200kHz 以内( 也有频率更宽的 1Hz1MHz 的低频信号发生器)、输出一定电压和功率的正弦 波信号。低频信号发生器是用来产生标准低频正弦波信号的仪器,因此,它应 该满足以下的要求。 输出波形应尽可能的接近正弦波,非线性失真不应超过 12; 在信号发生器产生的整个频率范围内,输出信号的幅度应不随频率而变 化; 信号频率能在一定范围内连续调节或分段连续调节,
17、而且输出频率要有 较高的稳定性和准确度; 输出信号电压应能连续调节,并且能准确地读出输出电压数值。 (2)高频信号发生器:高频信号发生器可以输出正弦波电压或功率以及调幅 波电压或功率。信号的频率范围一般在几百千赫以上。目前,高频信号发生器 一般分为普通高频信号发生器和超高频信号发生器两大类。普通高频信号发生 器频率范围为 100kHz50MHz,超高频信号发生器频率范围为 10350MHz。 高频信号发生器应具有以下性能。 高频信号发生器仪器本身应采取严密的屏蔽措施,以保证仪器内部信号 不对外泄漏,同时保证外部信号对内部不产生干扰; 信号的输出频率要有较高的稳定性,并有精确的频率微调装置; 信
18、号输出的幅度变化受信号频率变化的影响较小。 1.2.3 信号信号发发生器技生器技术术的的发发展展 信号发生器是一种历史悠久的电子测量仪器,早在二十世纪二十年代就开 始出现随着通信和雷达技术的发展,四十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成为定量分析的测试 仪器,同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。 五十年代初,美国维夫特克公司(Wavetet)以低频信号源的形式推出了以 RC 电路 第一章 绪 论 5 为基础的函数发生器,它具有多功能、多波形的特点。1964 年出现了一台全晶 体管的信号发生器。在七十年代以后,随着微处
19、理器的出现,可以利用微处理 器、A/D,D/A 使波形发生器的功能扩大,产生更加复杂的波形。这时期的波形 发生器多以软件为主,实质是采用微处理器对 DAC 的程序控制,就可以得到各 种简单的波形。例如,令微处理器的累加器 A 自身循环增量,每增量一次即向 DAC 送出一个数,使 DAC 有一个输出。因为当 A 的内容达到最大值时,再增 量一次,A 的内容就变为最小值(零),然后可以继续增加。如此周而复始,就可 以从 DAC 输出端获得一个正相的阶梯波。用同样的方法还可以获得方波、锯齿 波、三角波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低,这主要 是由于 CPU 的工作速度决定的,如果想
20、提高频率可以改进软件程序减少其执行 周期时间或提高 CPU 的时钟,但这些方法是有限的,根本的办法还是要改进硬 件电路。当时的信号处理器是专用于信号处理的微处理器,时钟频率只有 12MHZ。A/D 和 D/A 一般在 8 位左右,内部存储也很小。因此,能够产生正弦 的效频宽不会超过 1MHZ,若要获得平滑的低失真度的波形,重复频率不会超 过 10KHZ。当时用数字方法的函数发生器尚处于发生阶段,正式的商品还不多。 到了 1998 年,出现几种真正高性能、高价格的函数发生器。当时 LIP 公司推出 了型号为 HP877OS 的信号模拟装置系统,它是由 HP877OA 任意波形数字化器 和 HPI
21、 波形发生软件组成。HP8770A 可产生最高频率达 50MHZ 的任意波形。 但实际上 HP8770S 也只能产生 8 种波形,而且价格昂贵。不久以后, ANALOGIC 公司推出的型号为 DATA-2020 的多波形合成器,LEEROY 公司生 产的型号为 9100 的任意波形发相邻模块的高速通讯的局部总线。PXI 高度可展 性,可扩展到来 256 个扩展槽。把台式 PC 的性能价格比和 PCI 总线面向仪器领 域的扩展优势结合起来,这种方式也形成未来主流的测控仪器平台之一。 1.3 课题课题研究的内容与意研究的内容与意义义 随着电子仪器仪表设备数字化趋势日益增强,传统模拟仪器仪表已越来越
22、 不能满足用户的需要,不论是其精度,还是其灵活性、体积、重量、便携程度 等各方面都已不能满足要求。信号发生器及电平表等仪器仪表也不例外,急需 采用新的技术开发出能适应信息时代、数字化潮流的新型仪器。传统信号发生 器中的信号均为模拟信号,由电感、电阻、电容等基本元器件构成,基本上可 分为四大类,第一类是频率可变的振荡源,它通过改变电路上充放电的电流来 淮安信息职业技术学院毕业设计论文 6 改变正弦波的振荡频率;这类信号发生器利用斜波扫描电压(电流)控制产生扫频 振荡器;第二类是压控振荡器,这类信号发生器利用斜波扫描电压(电流)控制产 生扫频振荡器;第三类利用间接合成技术,即利用锁相环 PLL 技
23、术。该技术利 用锁相环完成对参考频率源的加、减、乘、除运算,从而得到预期的频率。锁 相环技术具有良好的窄带跟踪特性,可以根据需要选择频率信号。相对于直接 模拟频率合成而言,锁相环具有频谱纯度高,能有效抑制杂散分量且结构简单、 易于集成等特点。但是,锁相环存在高分辨率和快速转换速度之间的矛盾,因 此通常只用于大步进频率合成技术中;第四类技术为直接模拟合成技术,它是 早期使用的一种较为广的技术。直接模拟合成利用倍频(乘法)、分频(除法)、混 频(加减法)和滤波技术,从一个或多个高稳定度和精确度的参考频率源产生所需 的频率。该方法的优点是频率转换时间短(小于 100ns),载频相位噪声好等。但 缺点
24、是实现设备体积大、功耗大且易产生过多的杂散分量,频谱纯度不高,合 成的正弦波的幅度、相位等参数难以控制。 从上述讨论可以看出,这四种信号发生器都具有电路复杂、成本高、频率 步进幅度难以控制、分辨率偏低、生成及调试困难、频率越高越容易受到寄生 参数影响、频率稳定度差、精度低等方面的不足。相位信号发生器技术的出现 非常顺利地解决了上述不足在仪器仪表领域,特别是信号发生器领域产生了举 足轻重的影响。 信号发生器是最重要的测量仪器之一,随着测量对象的多样话和数字技术 的进步,信号发生器获得了广泛的应用和快速的发展。正弦信号发生器作为电 子技术领域中最基本的电子仪器,广泛应用于航空航天测控,通信系统,电
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