山东省电子设计大赛E题1.docx
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山东省电子设计大赛E题1
杨济民教授点评：
该作品采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心，待测信号经过放大、A/D转换进入单片机，由液晶显示测量结果，结果显示清晰，人机界面友好。
采用AD9854来实现正弦波形产生，频率范围宽，输出的正弦信号精度高、稳定性好，可同时输出各种调制信号。
该作品功能齐全，报告格式完整，元器件选择合理，工作稳定，测量结果准确，较好地实现了题目要求，是一个优秀的参赛作品。
缺点是自动量程转换功能实现的不好。
摘要：
本系统分电压测量和信号产生输出两大部分，电压测量部分以模拟电路为主，配合放大模块、A/D转化模块、显示模块；通过凌阳单片机进行数据处理，在误差允许范围内显示测量电压值。
信号产生以直接数字式频率合成器（DirectDigitalFrequencySynthesis,简称DDS或DDFS）为核心，经过AT89S52对DDS芯片内部进行控制，使之输出标准正弦波形，利用编程实现频率预置、步进，达到电压输出频率的可调节步进。
通过调试与测量完成了题目的基本部分和全部发挥部分的要求并有自己的创新。
简易数字显示交流毫伏表
烟台大学
刘计平秦庆磊石伟光
关键词：
SPCE061A单片机，AT89S52单片机,毫伏表，频率合成器
Abstract：
Thissystemconsistsofthepartsofthevoltagemeasurementandthesignalgenerationoutput.Thevoltagemeasurementmainlyfocusesonanalogelectriccircuit,withusingamplifiermodule,A/Dconversionmoduleanddisplayingmodule.InthecertainrangewhereerrorsareallowedtodealwithdatathroughSPCE061Amicrocontroller,thesignalgenerationregardsdirectDigitalFrequency,orDDS/DDFSasthecentre,whichiscontrolledbyAT89S52tooutputsinewaveform.Thenitcansetupfrequencyandsteptoadjustthestepofvoltageoutputfrequency.Throughtodebuggingandmeasurethesystemperformsthebasicandexpandingdemands.wehavesomeadditioninnovation.
Keywords：
SPCE061A，AT89S52，millivoltmeter,DDS
正文3
1、系统方案选择和论证4
1.1基本方案论证4
1.1.1测量部分方案选择4
1.1.2输出部分中各模块的方案选择4
1.1.3最终方案设计思想及框架示意图5
5
1.2总体设计方案5
2、系统的硬件设计与实现（单元电路设计）6
2.1系统硬件的主要组成部分与理论分析计算6
2.1.1本系统硬件部分主要有：
6
2.1.2理论分析与公式计算7
2.2系统各模块单元的理论分析与实际电路设计7
2.2.1测量部分7
2.2.2输出部分10
2.2.3毫伏表的基本电路部分13
2.2.4稳压电源部分电路设计14
2.2.5外围辅助电路14
3、系统的软件设计15
3.1主流程图15
3.2软件子流程图16
3.2.1测量部分16
3.2.2输出部分软件流程图17
4、调试（系统测试）过程18
4.1测试仪器与设备18
4.2测试过程18
4.2.1分模块调试：
19
4.2.2整机系统调试：
19
4.3结果分析19
4.3.1测试数据:
19
4.3.2测试数据分析:
20
4.3.3误差分析21
4.4创新与发挥21
5、总结22
结束语22
参考文献22
附录：
23
附录1、元器件明细表23
附录2、PCB印制电路板图24
附录3部分程序清单26
正文
1、基本要求
（1）电压测量
a、测量电压的频率范围100Hz～500KHz。
b、测量电压范围100mV～100V（可分多档量程）。
c、要求被测电压数字显示。
d、电压测量误差±5%±2个字。
e、输入阻抗≥1MΩ，输入电容≤50pF（本项可不做测试，在电路设计中给予保证）
f、具有超量程自动闪烁功能。
（2）输出
a、输出正弦波电压，电压值1Vrms，波形无明显失真。
b、输出电压值误差≤±10%。
c、输出电压频率范围10Hz～200KHz。
d、输出电压频率可预置。
e、输出电压频率误差≤±5%。
（3）设计并制作该仪表所需要的直流稳压电源。
2、发挥部分
（1）将测量电压的频率范围扩展为10Hz～1MHz。
（2）将测量电压的范围扩展到10mV～200V。
（3）交流毫伏表具有自动量程转换功能。
（4）电压输出频率可步进调节，频率步进值可预置为1Hz、10Hz、100Hz、1KHz。
（5）其他。
1、系统方案选择和论证
1.1基本方案论证
本设计硬件电路分为测量部分、输出部分四大部分，测量部分又分为控制模块、放大模块、A/D转化模块、显示模块，输出部分分为控制模块、信号产生模块、放大模块、滤波模块、显示模块。
1.1.1测量部分方案选择
方案一
主要采用AT89S52单片机为核心处理，配合放大电路、A/D电路采集数据，通过液晶显示。
采用AT89S52单片机作CPU，AT89S52单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，实现模数转换功能，外接A/D转换器和D/A转换器外围电路。
语音功能还要通过外接语音芯片电路，实现起来比较烦琐。
AT89S52单片机为8位微处理器，在数据处理方面显然逊色于16位机。
方案二
主要采用凌阳16位单片机为核心处理，同时经过放大处理，A/D数据转换，由凌阳配套液晶显示。
采用凌阳16位单片机SPCE061A作为控制核心，SPCE061A单片机在2.4V-3.6V工作电压范围内的CPU时钟频率范围为0.32-49.152MHz，同时增加了内积运算功能，提高了数据处理能力，还配有独特的音频处理功能，丰富的音频函数使语音更加多样化。
通过AD620运算放大器放大信号，再由TLC2543芯片进行A/D转换，达到题目所需效果。
综上所述，本模块采用凌阳SPCE061A16位单片机为核心处理，充分利用凌阳单片机的优点，使测量数据更加准确，放大电路及A/D数据采集电路为了减小误差使用了AD620、TLC2543两种芯片，让电路更加稳定具有更好的保护措施。
1.1.2输出部分中各模块的方案选择
方案一
采用AT89S52单片机为控制器，控制DDS芯片AD9854主电路产生正弦波形，在控制中利用OCMJ4X8C液晶显示出操作步骤，利用AD9854宽频带产生所需正弦波形，通过编程来实现大大减少了硬件中所带来的不稳定因素、及数据误差。
在调试中频率转换时间短、频率分辨率高、频率稳定度高、输出信号频率和相位可快速程控切换等，使得操作更加方便、高效。
方案二
采用AT89S52单片机控制DDS芯片AD9851来产生正弦信号，该芯片电路简单，容易实现，调试也相对简单，但频率范围有一定限制，达不到题目要求。
综上所述，方案一适合本题设计要求，采用AD9854来实现正弦波形充分利用到了它的高精度和高稳定性。
1.1.3最终方案设计思想及框架示意图
1.2总体设计方案
综上所述，我们总体设计方案如下：
（1）测量部分
a、控制模块选用凌阳SPCE061A16位单片机。
b、放大模块选择AD公司的AD620芯片实现。
c、A/D转换模块选择TI公司的TLC2543芯片，从分利用其在仪表中的应用特性。
d、显示模块选择与控制模块相配套的凌阳公司的LCD液晶显示模组。
测量部分系统框图如图（1—1）：
图（1—1）测量部分系统框图
（2）输出部分
a、控制模块采用凌阳SPCE061A16位单片机。
b、信号产生部分采用DDS，选用AD公司的AD9854芯片。
c、放大模块采用AD811视频放大芯片实现。
d、滤波模块有普通的电感电容组成。
e、显示模块使用OCMJ（奥可拉中文集成模块）C系列液晶显示器。
输出部分系统框图分别如图（1—2）
波形
控制字
输出
图（1—2）输出部分系统结构框图
（3）毫伏表的基本电路部分采用分立元件实现
（4）稳压电源部分选用分立元件自制的稳压电源
（5）系统总体设计框图
系统总体设计框图如图（1—3）：
图（1—3）系统总体设计框图
2、系统的硬件设计与实现（单元电路设计）
2.1系统硬件的主要组成部分与理论分析计算
2.1.1本系统硬件部分主要有：
（1）测量控制电路（凌阳SPCE061单片机）、放大（A/D620集成电路）及A/D转换（TLC2543集成芯片）、凌阳LCD液晶显示模组；
（2）输出控制电路（AT89S52单片机）、DDS电路（AD9854芯片）、放大电路（A/D811集成芯片）、滤波电路；
（3）毫伏表主电路基本部分电路；
（4）稳压电源电路；
（5）外围辅助电路（4*4键盘、电路转接口等）。
2.1.2理论分析与公式计算
由于被测电压为交流，且范围在10mV~200V，经过电路分压做到多档位控制，并利用继电器用到自动转换量程，不会出现大误差。
AD9854的频率控制字长为48位，其输出信号可编程控制的频率精度Δf为：
Δf＝300×106／248＝1．066×10－6
AD9854的相位控制字长为14位，其输出信号可编程控制的相位精度Pmin为：
Pmin＝π／214＝1．917×10－4
通过公式计算所有数据均在题目要求内，并达到指定技术指标。
2.2系统各模块单元的理论分析与实际电路设计
2.2.1测量部分
（1）测量部分控制器单元模块设计
微控制器的最小板系统原理图如下图（2—1）所示
图（2—1）凌阳SPCE061单片机及外围电路原理图
SPCE061单片机功能强大，其片内含有8路10位A/D转换器和2路D/A转换器和丰富的中断资源，还具有较高的数据处理速度，一定的语音数据处理能力，以及低功耗，超小型，低成本等的特点，非常适合应用于便携式智能仪表。
输入/输出接口（简称为I/O口）是单片机与外设交换信息的通道。
输入端口负责从外接收检测信号、键盘信号等各种开关量信号。
输出端口负责向外界输送由内部电路产生的处理结果、显示信息、控制命令、驱动信号等。
此单片机有两个16位通用的并行接口：
A口和B口。
这两个口的每一位都可通过编程单独定义成输入或输出口。
B口除了具有常规的输入/输出功能外，还有一些特殊功能。
（2）测量部分放大及A/D转换电路
a.AD620放大电路实现
AD放大电路图如图：
图（2—2）AD620放大电路图
图（2—3）所示为AD620仪表放大器的脚位图。
其中1、8接脚要跨接一电阻來调整放大倍率，4、7接脚需提供正负相等的工作电压，由2、3接脚输入的放大的电压即可从接脚6输出放大后的电压值。
接脚5则是参考基准，如果接地则接脚6的输出即为与地之间的相对电压。
AD620引脚示意图如下：
图（2—3）AD620脚位示意图
b.TLC2543A/D转换电路
TLC2543是TI公司的12位串行模数转换器，使用开关电容逐次逼近技术完成A/D转换过程。
由于是串行输入结构，能够节省89S52系列单片机I/O资源；且价格适中，分辨率较高，因此在仪器仪表中有较为广泛的应用。
TLC2543芯片电路如下图：
图
（1）TLC2543原理图图
（2）TLC2543的引脚排列
接口时序资料
可以用四种传输方法使TLC2543得到全12位分辩率，每次转换和数据传递可以使用12或16个时钟周期。
一个片选（
）脉冲要插到每次转换的开始处，或是在转换时序的开始处变化一次后保持
为低，直到时序结束。
图（）显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期和在每次传递周期之间插入
的时序，图（）显示每次转换和数据传递使用16个时钟周期，仅在每次转换序列开始处插入一次
时序。
图（2—4）16时钟传送时序图（使用
，MSB在前）
c、放大转换电路原理图
根据AD620放大芯片与TLC2543A/D转换芯片各自的原理功能及引脚特点制作电路图如下：
图（2—5）放大及AD转换电路
（3）测量显示模块
凌阳公司的一款128*64点阵的液晶模组，驱动芯片采用的是凌阳SPLC501。
该液晶模组接口简单，应用方便，且可以完成很多液晶特效功能。
此液晶模组为128*64点阵，面板采用STN（SuperTwistedNematic）超扭曲向列技术制成并且由128Segment和64Common组成，LCD非常容易通过接口被访问。
其原理图如下：
图（2—6）凌阳显示模组原理图
2.2.2输出部分
（1）输出部分控制单元电路设计
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能：
8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。
另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89S52单片机最小系统外围电路原理图如下：
图（2—）AT89S52单片机及外围电路原理图
（2）信号产生电路（DDS电路）及DDS芯片AD9854工作原理
AD9854是由AD公司生产的单片DDS芯片，它内部集成了48－Bit频率累加器、48－Bit相位累加器、正余弦波形表、12位正交数模转换器以及调制和控制电路，该芯片能够在单片上完成频率调制、相位调制、幅度调制以及IQ正交调制等多种功能，因而具有很高的性能价格比和广阔的应用领域。
a.AD9854的结构
AD9854采用高度集成CMOS技术，其内部含有同相、正交两个高速12－BitD／A转换器，因而可以同时输出同相、正交两路信号。
在高稳定度时钟的驱动下，AD9854可以输出高品质和高稳定度的信号，其频率、幅度、相位均可编程控制，编程速率可达100MHz。
同时，AD9854内部还含有可编程控制的时钟乘法器，其内部时钟速率最大可达300MHz。
图（2—7）所示是AD9854的内部结构。
图（2—7）AD9854功能结构框图
AD9854可以通过内部的一个长39字节的寄存器表存储有关的各种控制字和状态字。
用户可通过I／O与该寄存器表进行通信，I／O缓冲区的内容必须在更新脉冲的作用下才能刷新到寄存器表中，这样可以很好地达到同步。
I／O与外部有并行和串行两种通信方式，工作在并行通信模式时，端口的更新速率最高为100MHz。
b、AD9854频率合成原理
AD9854主要由四部分组成，第一部分为相位累加器，用于决定输出信号频率的范围和精度；第二部分为正弦函数功能表（波形存储器），用于存储经量化和离散后的正弦函数的幅值；第三部分为Ｄ／Ａ转换，可产生所需的模拟信号；第四部分为低通滤波，用来减少量化噪声、消除波形尖峰。
参考频率源是一个高稳定度的晶体振荡器，用以同步芯片中各部件的工作，因此，芯片输出的合成信号的频率稳定度和晶体振荡器是一样的。
从原理上还可看出，它是用高稳定的固定时钟频率来对所要合成的信号进行相位取样的，单位时间内取样量越大，则合成的频率越低。
取样量的大小由可程控的频率设定数据决定。
图（2—8）DDS芯片AD9854频率产生电路原理图
（3）输出部分放大电路
AD811芯片介绍
使用高速单运放AD811完成放大，AD811为电流反馈型宽带运放，其带宽增益积为140MHz，±15V供电，增益为+10的情况下，-3dB带宽达100MHz,非常适合本系统的宽带放大要求，有±12V的输出摆幅，且输出电流最大可达100mA，完全可满足峰峰值要求，外围电路也很简单，避免了采用三极管放大电路容易出现调试困难的情况，为防止自激实际中采用反相3倍电压放大，不影响指标，可靠性大大提高。
AD811封装图如（2—9）：
图（2—9）AD811封装图
（4）滤波电路模块：
滤波电路有普通的电感电容组成，
原理图如右：
图（2—10）滤波模块硬件原理图
（5）输出部分显示模块
利用AT89S52对P3.0，P3.1，P3.2口设置为液晶数据口。
由于AT89S52资源有限，因此对液晶进行控制与通信选用串行通信方式以此节省I/O端口，给系统资源带来了好处。
当PSB脚接低电位时，模块将进入串行模式。
从一个完整的串行传输流程来看，一开始先传输启始字节，它需先接收到五个连续的〝1〞（同步位字符串），在启始字节，此时传输计数将被重置并且串行传输将被同步，再跟随的两个位字符串分别指定传输方向位（RW）及寄存器选择位（RS），最后第八的位则为〝0〞。
在接收到同步位及RW和RS资料的启始字节后，每一个八位的指令将被分为两个字节接收到：
较高4位（DB7~DB4）的指令资料将会被放在第一个字节的LSB部分，而较低4位（DB3~DB0）的指令资料则会被放在第二个字节的LSB部分，至于相关的另四位则都为0。
串行传输讯号请参考下图说明：
图（2-11）
串行接口时序图：
MPU写资料到模块
图（2-12）
2.2.3毫伏表的基本电路部分
本电路是根据毫伏表的基本原理及本题目要求所设计，其原理图如图（2—13）
图（2—13）毫伏表主电路原理图
2.2.4稳压电源部分电路设计
由于本系统复杂，涉及到很多电路、集成芯片多，又各自所需电压不同，为了符合每一部分的电压需要。
我们必须把电压分别转换，我们通过7815、7915本别产生正负15V电压给AD620与AD811供电，用7805产生5V电压给凌阳SPCE061单片机与AT89S52单片机供电，用AME711产生3.3V稳压给DDS芯片AD9854供电。
根与题目要求我们设计的稳压电源电路图如下：
2.2.5外围辅助电路
a、按键电路
采用4*4键盘行列式扫描原理图如图:
图（2—13）4*4键盘原理图
3、系统的软件设计
3.1主流程图
3.2软件子流程图
3.2.1测量部分
测量软件流程图
3.2.2输出部分软件流程图
输出部分（DDS）软件流程图
输出
测量
4、调试（系统测试）过程
4.1测试仪器与设备
测试过程中，用到的主要测试仪器有：
表1：
序号
名称
型号
数量
备注
1
数字万用表
DT9205
1
3CH
2
标准型数字万用表
UT50/UT101系列
1
3
示波器
COS5060CH
1
60MHZ
4
示波器
VP-5564D
1
5
可跟踪直流稳压电源
SS3323
1
6
DDS函数信号发生器
TFG2050
1
50MHZ
7
PC机
1
512M内存
4.2测试过程
系统的调试先分模块进行，最后进行整机调试，以提高调试效率。
调试过程如下：
4.2.1分模块调试：
（1）测量部分调试
由于被测电压频带较宽，频率较高，易产生干扰，放大电路在通电瞬间会产生大的电流，需加保护电路。
（2）信号产生部分调试
由于DDS芯片对电压，电流有要求，而且功耗较大，温度会过高，需加保护措施，及加了风扇进行降温。
4.2.2整机系统调试：
有于各模块对电压、电流的要求不同，在整机调试过程中遇到很多问题，需要多个电源供电，有于测量部分和输出部分对信号带宽要求很宽，易产生干扰。
4.3结果分析
各项指标均达到要求，并且大部分指标优于题目要求，测量数据均值理想。
4.3.1测试数据:
表1电压测量部分测试数据
标准电压
电压频率
实测电压
测量情况
10mV
10KHz
10.5mV
正常
100mV
10KHz
103mV
正常
1V
10KHz
1.01V
正常
10V
10KHz
10V
正常
100V
10KHz
99.6V
正常
200V
10KHz
200.5V
正常
标准电压
电压频率
实测电压
测量情况
10V
10Hz
9.95mV
正常
10V
100Hz
9.95mV
正常
10V
1KHz
10V
正常
10V
10KHz
10V
正常
10V
100KHz
10.1V
正常
10V
1MHz
10.3V
正常
表2输出部分测量数据
输入频率
实测频率
实测电压Vrms
波形情况
10Hz
1.0Hz
1.03
正常
50Hz
5.020Hz
1.03
正常
100Hz
100Hz
1.03
正常
500Hz
501.0KHz
1.01
正常
1000Hz
1005Hz
1.01
正常
5KHz
5.02KHz
1.01
正常
10kHz
10kHz
1
正常
30kHz
30.1kHz
0.97
正常
80kHz
80kHz
0.95
正常
150kHz
151kHz
0.95
正常
200kHz
199.5kHz
0.94
正常
4.3.2测试数据分析:
（1）基本部分
表1基本部分测试数据分析
基本要求
实际性能
测量电压的频率范围
100Hz～500KHz
10Hz-2MHz
测量电压范围
100mV～100V（可分多档量程）
10mV-250V
要求被测电压数字显示
数字显示
电压测量误差
±5%±2个字
±5%
具有超量程自动闪烁功能
能够文字显示
输出正弦波电压
电压值1Vrms，波形无明显失真
电压值1Vrms，波形达到标准
输出电压值误差
≤±10%
≤±1%
输出电压频率范围
10Hz～200KHz
8Hz-20MHz
输出电压频率可预置
可以任意设定
输出电压频率误差
≤±5%
≤±5%
设计并制作该仪表所需要的直流稳压电源
已经制作,性能良好
（2）发挥部分
表2发挥部分测试数据分
升级会员 