便携式函数信号发生器信号生成功能设计Word文件下载.docx
《便携式函数信号发生器信号生成功能设计Word文件下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《便携式函数信号发生器信号生成功能设计Word文件下载.docx（52页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
1.毕业设计（论文）题目：
便携式函数信号发生器—信号生成功能设计
2.题目背景和意义：
信号发生器是电子测量、电子产品及设备开发调试及电子工程相关课程实验必备的仪器设备之一，除供通信、仪表和信号采集处理、自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。
随着电子仪器设备的数字化、智能化，ARM处理器越来越多的应用到实验仪器设备中，不仅提高了设备的效率，而且增强了功能、减小了体积。
本课题将结合函数信号发生芯片和ARM处理器设计一个可产生多种波形、频率范围宽，信号幅度可调、且便于携带及使用的多功能信号源，可应用于各种需要信号生成的场合。
3.设计（论文）的主要内容（理工科含技术指标）：
本课题需要完成便携式函数信号发生器的信号生成功能的软硬件设计与开发，课题的研究将以ARM处理器LPC2103及信号产生芯片MAX038为核心，结合DA芯片、电子开关芯片、集成运放及ADS1.2开发环境进行，具体内容如下：
（1）熟悉EasyARM2103开发板及课题实现相关芯片使用；
（2）完成设计方案分析及确定；
（3）完成信号生成功能的硬件原理设计及PCB设计；
（4）完成信号生成功能的控制程序设计及调试；
（5）协作完成整个便携式函数信号发生器的联调。
主要技术指标：
（1）信号发生器可产生多种波形，包括正弦波、三角波和方波
（2）产生的信号频率为2-10MHz，幅度为5V（p-p）
（3）信号频率在每个频段内可连续调节；
（4）信号发生器要求体积小、功能强、操作方便且具有便携性；
（5）信号生成功能要求对产生的信号的波形、频段、频率均可进行方便控制；
4.设计的基本要求及进度安排（含起始时间、设计地点）：
本设计要求完成整个便携式函数信号发生器信号生成功能的软、硬件设计，并进行功能调试。
设计工作要求严格按照学校计划安排和各项规范进行，保质保量完成任务书中各项工作，技术指标满足要求并认真撰写学位论文。
毕业设计工作的进度安排如下：
第1周—第2周：
查找资料，做前期的准备工作，学习相关的芯片资料及开发环境使用；
第3周—第4周：
方案设计分析确定，撰写开题报告，准备开题答辩；
第5周—第8周：
进行信号生成功能的硬件原理的设计；
第9周—第10周：
完成信号生成功能的控制软件的设计；
第11周—第12周：
完成信号信号生成功能测试并协作进行整个信号发生器的联调；
第13周—第15周：
撰写毕业论文，进行毕业答辩。
5.毕业设计（论文）的工作量要求
①实验（时数）*或实习（天数）：
300学时
②图纸（幅面和张数）*：
A4，1张
③其他要求：
提供完整的信号生成功能控制程序一套，并完成与课题相关的3000字左右的英文文献资料翻译。
指导教师签名：
年月日
学生签名：
系（教研室）主任审批：
摘要
信号发生器是一种常用的电子设备，在日常生活、工业控制以及科研等领域有十分重要的作用。
本课题针对信号发生器的广泛应用，从而以ARM处理器、MAX038为核心，设计了一种便携式信号发生器，能够产生2Hz~10MHz之间的频率多种函数波形，可用于各种需要进行波形控制的场合。
论文主要完成整个便携式信号发生器生成功能的设计与实现。
论文首先介绍了信号发生器生成功能的设计方案，然后针对课题所需要的相关技术及芯片进行了详细的介绍和分析，包括32位ARM处理器LPC2103、信号发生器技术及ADS1.2开发环境等。
在此基础上进行了信号生成功能的软硬件设计。
在硬件设计方面，在对信号发生器产生多种波形的原理进行分析的基础上，利用LPC2103处理器对MAX038波形种类进行控制，分别采用八选一电子开关CD4051和频段选择DAC0832芯片。
软件设计基于集成开发环境ADS1.2，用C语言编写波形控制程序，用来实现多种波形的输出以及频段和频率的控制，进而控制信号波形的输出状态。
信号生成单元主要以EASYARM2103开发板为基础进行了测试，运行正常，功能符合设计指标要求。
课题的设计与实现表明，利用MAX038与LPC2103相结合设计产生的信号发生器，具有低功耗、性能高、易于控制、体积小、便于携带等优点。
关键词：
信号发生器；
信号生成；
MAX038；
ARM；
LPC2103；
ADS1.2
PortableFunctionSignalGenerator
（SignalGeneratingFunctionDesign）
Abstract
Thesignalgeneratorisacommonlyusedelectronicequipment,playingaveryimportantroleinthedailylife,includingindustrialcontrolandscientificresearchandotherfields.Thesubjectaimsatthewiderangeofapplicationsofthesignalgenerator,ARMprocessor,MAX038asacoreofthewhole,wecandesignaportablesignalgeneratorwhichcangenerateavarietyof2Hz~10MHzwaveform.Itcanbeusedforvariousoccasion.
Thepaperismainlytocompletethedesignandrealizetheentirefunctionofsignalgenerator.Atfirst,Thepapermainlydescribesthedesignofthesignalgenerator;
thenmakesadetaileddescriptionandanalysisoftheissueswhichisrelatedtotechnologyandchip,includinga32-bitARMprocessorLPC2103,signalgeneratortechnologyandADS1.2developmentenvironment;
wedesignhardwareandsoftwarebasedonthesignalgeneration.Intermsofhardware,weanalysistheprincipleofsignalgenerator,andwecanuseLPC2103processortocontroltheMAX038waveformtypes.SelectingeightelectionelectronicswitchandDAC0832chip.ThesoftwaredesignisbasedontheintegratedADS1.2developmentenvironment,waveformcontrolprogramiswritteninClanguage,achievingavarietyofwaveformsofoutputaswellasthebandandfrequencycontrol,thencontroltheoutputstateofthesignalwaveform.
SignalgeneratorisbasedonEASYARM2103developmenttotest,normaloperation,AndItsfunctionmeetsdesignrequirements.DesignandImplementationofthetopicsindicatethatmakeuseofMAX038andLPC2103generateasignalgeneratorwhichconsumelowpower,highperformance.Itiseasytocontrolanditssizeissmallandsoon.
KeyWords:
SignalGenerator;
MAX038;
ARM;
LPC2103;
ADS1.2
1绪论
1.1前言
信号发生器是一种常用的电子设备，广泛应用于电子电路、自动控制、科学实验等领域，根据所需参数的来设计电测试信号的仪器，能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波（含方波）、正弦波的仪器称为函数信号发生器。
论文的名称是便携式函数信号发生器—信号生成功能设计，主要针对信号生成功能的软硬件设计与开发，以ARM处理器LPC2103及信号产生芯片MAX038为核心，结合DA芯片、电子开关芯片、集成运放及ADS1.2开发环境进行，设计了一种可产生多种波形、频率范围宽，信号幅度可调、且便于携带及使用的多功能信号源[1]。
1.2课题研究的意义
信号发生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。
早期的函数信号发生器集成电路。
如L8038，BA205，XR2207/2209，它们的功能，精度不高，频率上限只有3000kHz，无法产生更高频率的信号，套接方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者相互影响。
目前市场上的的波形发生器多为纯硬件的搭接而成，通常是单函数发生器而且频率不高，其工作不很稳定，不易调试，且许多功能都用不上。
因此有必要研制一种价格低廉且切合实际需要的函数信号发生器，这样既能节约成本又能顺利完成自己的工作要求，对学校及各个科研单位的实验室建设具有重要意义。
根据当前的现状，在函数信号发生器的基础上，利用ARM处理器的工作原理，和其具有功耗低、体积小、速度快、精度高等优点，结合MAX038设计出一种可以产生多种波形、频率范围宽、信号幅度可调且可通过PC机软件进行操作与控制的多功能信号源，可用于多种信号生成的场合，具有较好的实际意义。
1.3相关技术现状
在本课题的研究及设计过程中综合运用了信号产生技术、ARM技术、串口通信技术和EDA技术现对课题实现的相关技术现状做简要的介绍。
1.3.1信号产生技术发展现状
传统的函数信号发生器只能产生频率范围小，波形单一等基本波形。
而且购买的信号发生器价格昂贵，功能少。
在科学研究和生产实践中，如工业过程控制，生物医学，地震模拟机械振动等领域都需要常用到信号发生器。
而完全由硬件电路构成的信号发生器其性能难以让人满意，而且由于所需的RC很大，大电阻、大电容在制造上有困难，参数的精度亦难以保证。
体积大，漏电，损耗显著更是其致命弱点。
目前信号的产生一般采用两种方式：
一是采用直接数字频率合成（DDS）方式即通过可编程技术从一个标准参考时钟产生多种频率，主要优点是信号源的相对带宽较宽、频率分辨率高、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号，控制灵活方便，具有较高的性价比。
二是采用传统的波形振荡方式如常见的555、MAX038等芯片采用外接阻容介质来达到频率合成的目的，其优点是电路简单，通过为微控制器就能简单的进行控制[2]。
本次设计的便携式信号发生器根据这些现状不仅能产生三角波、锯齿波、正弦波等多种波形，而且价格低廉、体积小、易于携带，在范围上也得到了一定的扩展。
1.3.2ARM技术
ARM嵌入式处理器是一种32位高性能、低功耗的RISC芯片，它由英国ARM公司设计，世界上几乎所有的主要半导体厂商都生产基于ARM体系结构的通用芯片，或在其专用芯片中嵌入ARM的相关技术，如TI、Motorola、Intel、Atmel、Samsung、Philips、Altera、Nec、Sharp、NS等公司都有相应的产品。
ARM微处理器一般都具有体积小、功耗低、成本低、性能高、速度快的特点，目前ARM芯片广泛应用于工业控制、无线通信、网络产品、消费类电子产品、安全产品等领域，如交换机、路由器、数控设备、机顶盒、STB及智能卡都采用了ARM技术，并在将来取得更广泛的应用。
由于嵌入式实时操作系统具有高度的模块化、扩展性和可靠性，使得嵌入式实时操作系统在目前的嵌入式应用中用得越来越广泛，尤其在功能复杂、系统庞大的应用中显得越来越重要。
在嵌入式应用中使用嵌入式实时操作系统能充分发挥32位CPU的多任务潜力；
提高开发效率，缩短开发周期；
并且开发出来的产品具有高可靠性。
目前来讲，嵌入式操作系统有几十种，常见的嵌入式操作系统有μCLinux、RTLinux、WindowsCE、PalmOS、VxWorks、OSE、eCOS、μC/OS-II等[2]。
ARM架构是面向低预算市场设计的第一款RISC微处理器。
因为ARM的产品是IPCore，没有任何物理意义上的硬件或者软件实体，所以只能在中国注册成为咨询公司，尽管咨询只是其业务中很小的一块。
ARM的核心业务是销售芯片核心技术IP，目前全球有103家巨型IT公司在采用ARM技术，20家最大的半导体厂商中有19家是ARM的用户，包括德州仪器，意法半导体，Philips，Intel等。
20大巨头中唯一没有购买ARM授权的是Intel的老对头AMD，因为Intel便携式处理器采用的是StrongARM，而AMD则收购了Alchemy公司与之抗衡，采用的是MIPS结构。
微处理器核是ARM技术的重中之中，目前面向市场的有ARM7、ARM9、ARM9E-S、StrongARM和ARM10系列。
ARM专利技术收入主要来自两个方面，一个是专利授权费用，客户如果采用ARM专利时一次性付给ARM的费用；
另一部分是按照一定比例收取客户产品的专利使用费，即客户每卖出一片芯片，就收取同等比例的费用。
这两项收入占公司总收入的70%。
目前在中国已经有中兴通讯，中芯国际和上海华虹购买了ARM的内核授权，生产自己的芯片。
ARM中国方面的业务的其它重点还在于对芯片设计公司（fables）的支持，开展大学计划等。
另外ARM还授权科汇宏盛（Impact）和北京旋极为开发工具的授权分销商，2002年的销售额增长在三位数（100%）以上。
与单片机相比，ARM引入了操作系统，这就使它自身有了更多的好处：
（1）方便。
主要体现在后期的开发，即在操作系统上直接开发应用程序。
不像单片机一样一切都要重新写。
前期的操作系统移植工作，还是要专业人士来做。
（2）安全。
这是LINUX的一个特点。
LINUX的内核与用户空间的内存管理分开，不会因为用户的单个程序错误而引起系统死掉。
这在单片机的软件开发中没见到过。
（3）高效。
引入进程的管理调度系统，使系统运行更加高效。
在传统的单片机开发中大多是基于中断的前后台技术，对多任务的管理有局限性。
1.3.3EDA技术
EDA是电子设计自动化（ElectronicDesignAutomation）的缩写，在20世纪90年代初从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。
EDA技术就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。
EDA技术所涉及的领域相当广泛，业界一般将EDA技术分成狭义EDA技术和广义EDA技术。
狭义EDA技术，就是指以大规模可编程逻辑器件为设计载体，以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式，以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具，通过有关的开发软件，自动完成用软件方式设计的电子系统到硬件系统的逻辑编程、逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射、编程下载等工作，最终形成集成电子系统或专用集成芯片的一门新技术，或称为IES/ASIC自动设计技术。
狭义EDA技术也就是使用EDA软件进行数字系统的设计。
广义EDA技术，是通过计算机及其电子系统的辅助分析和设计软件，完成电子系统某一部分的设计过程。
因此，广义EDA技术除了包含狭义EDA技术外，还包括计算机辅助分析CAA技术（如PSPICE、EWB、MATLAB等），印刷电路板计算机辅助设计PCB-CAD技术（如PROTEL、ORCAD等）和其他高频和射频设计和分析的工具等。
PROTEL是Altium公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电路原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到DXP2004，是个庞大的EDA软件，完全安装有200多兆，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电路原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100%布通率。
在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础[3]。
1.4课题的主要研究内容
本次设计主要任务是以ARM处理器为控制核心，设计一个多功能的信号源，可以产生正弦波，方波，三角波，其频率，幅值可调。
整个系统分为硬件电路部分和软件编程部分。
硬件部分处理器模块主要采LPC2103处理器，信号生成电路主要利用MAX038进行设计，频段选择电路主要采用CD4051进行选择；
频率控制电路主要采用DAC0832芯片进行设计，放大电路主要采用SN10501芯片进行信号放大。
软件部分主要包括有波形种类选择程序，频段选择程序，频率控制程序。
最后将各个模块连接成为一个可靠精确高效的信号源。
该论文的主要研究工作有：
（1）查阅相关资料，熟悉课题的设计思想，并最终确定系统的设计方案。
主要查阅的资料有ARM介绍、MAX038芯片手册、DAC0832芯片资料、CD4051芯片等相关资料。
（2）设计信号生成、频段选择、频率控制、信号放大等硬件电路，这是整个课题实现的基础。
整个硬件设计包括LPC2103ARM处理器电路、电源电路、去耦滤波电路、电源指示灯电路、晶振及复位电路，信号生成电路、频段选择电路、频率控制电路、信号放大电路。
（3）在硬件原理设计的基础上利用Protel99se绘制了整个显示及接口模块的硬件原理图。
（4）在硬件原理设计完成的基础上进行软件程序的设计。
整个软件功能划分为三个程序模块，分别是波形选择程序、频段选择程序和频率控制程序。
（5）在ADS1.2的开发环境中完成程序的编码及调试[4]。
1.5课题研究的重难点
1.5.1课题研究的重点
课题的研究将综合利用ARM处理器技术、EDA技术、信号发生器产生技术，工作重点主要有两个方面：
（1）利用protel软件完成整个硬件部分的电路图设计，是整个设计的硬件基础，因为电路设计包括ARM处理器电路、信号发生器产生电路、频段选择电路、频率范围控制电路以及信号放大电路设计。
在电路设计过程中要保证元器件电路连接正确，只有电路正确才能保证系统正常工作。
（2）在ADS1.2开发环境下用C语言编写信号产生控制程序，以及之后用开发板进行软硬件的联调，这是实现整个设计的关键。
因为在程序设计工程中主要设计波形选择、频段选择、频率控制程序，只有经过调试确保程序无误后才能保证ARM处理器作为整个模块的核心来控制整个模块的工作。
1.5.2课题研究的难点
在课题研究与设计过程中，由于LPC2103的工作电压是3.3V和1.8V，为了解决这个难点，也为了保证LPC2103能正常工作，并不影响整个电路的正常工作，就利用了LM117芯片的工作原理，外加一个0欧电阻，把5V电压转换为3.3V和1.8V，特别是当模拟电压与数字电压在一起输出时，0欧电阻相当于一个电感，隔直阻交来减少两者的影响。
另外，由于CD4051在-5V的电压上工作时，效率会更好，所以需要设计一个电压转换电路用来转换出CD4051所需要的-5V电压。
除此之外，完成信号发生控制模块的调试也是设计的难点。
为了解决这个难点，必须在焊接电路版时应该倍加小心，确保硬件电路焊接无误，然后在程序的设计与烧写过程中，应该保证程序调试无误后在进行烧写。
这样才能保证信号发生器正常工作。
1.6论文的结构安排
论文的组织结构如下：
第一章：
绪论，介绍关于基于ARM处理器的信号控制模块的设计背景、意义、课题的主要研究内容以及课题研究的重难点。
第二章：
系统设计方案，对整个课题的设计方案做了介绍，并对各个模块的设计思路以及相关技术做出了介绍。
第三章：
相关技术介绍，介绍了课题设计过程中所使用的相关技术，包括ARM技术、串口通信技术。
第四章：
系统硬件设计，介绍了硬件设计的总体思路以及各个模块电路的设计原理。
第五章：
软件设计，对软件开发环境以及程序设计的思路和具体步骤做以介绍。
第六章：
系统调试，在ADS1.2开发环境中对系统进行功能调试，包括系统硬件调试和系统软件调试以及软硬件之间的联调，及在调试中遇到的问题及解决方案。
第七章：
结论，总结设计，得出结论，总结设计收获和体会，同时指出整个设计工作的不足之处和需要改进的地方。
2系统设计方案
2.1系统功能概述及技术指标要求
设计要求以ARM处理器和MAX038芯片为核心，在ADS1.2开发环境中，利用MAX038信号发生器信号产生原理，把硬件与软件相结合设计一套完整的信号发生器，其功能概述及主要技术指标要求如下：
（1）信号发生器可产生多种波形，包括正弦波、三角波和方波；
（2）产生的信号频率为2Hz~10MHz，幅度
升级会员 