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毕业设计 基于单片机和 CPLD 的任意波形发生器的设计
共113页
摘 要
在超声技术日益发展的今天，一个高质量的超声信号源成为各种超声产品的主动力。传统模拟超声信号源的智能化控制尚不完善,只能直接产生适当频率的电信号，用以驱动特定的超声波换能器。这对于信号源的合理利用是一个较大的弊端。本文介绍了一种采用单片机与复杂可编程逻辑器件(CPLD)相结合的方法设计的新型任意波形发生器(AWG)。其中波形合成采用了直接数字合成(DDS)技术。本系统能输出频率和幅度可调的多种标准函数波以及任意波形。信号频率范围覆盖超低频和高频，同时极大地提高了频率的分辨率和准确度，因此可以用它代替常用的模拟超声信号源。
本系统采用单片机（AT89S52）对整机的输入、输出过程和波形数据采集进行控制。高速的 CPLD（EPM7128S）将波形数据从存储器（AT28C256）中读出并送给波形生成 DAC（AD7524）进行转换，形成所要的波形。并通过改变幅度控制 DAC（DAC0832）的输入值来调节输出波形的峰值。用户通过面板上的矩阵键盘和 1602 液晶模块进行人机交互。串行 E2PROM（AT24C02）实现了波形数据掉电保存功能。任意波形数据既可由输入的模拟信号经 A/D 转换后获得，也可采用具备 RS-232 接口的手写板直接输入。
本文由七章组成。第一章、第二章主要论述系统设计所必须的理论知识，讨论了 DDS 技术的基本组成结构、工作原理和特点。第三章、第四章和第五章分别介绍系统各模块的设计方案。第六章介绍整个系统的调试过程。第七章评价了系统的价值和意义，总结了课题的进展，并对系统的功能拓展进行了展望。

关键字：AWG，超声波信号源，DDS，单片机，CPLD

目 录
第一章 绪论 ...................................................... - 1 -
第一节 AWG 的发展状况.......................................... - 1 -
第二节 AWG 的主要性能指标和产品............................... - 2 -
第三节 立题的依据及实际意义.................................................. - 3 -
一、 功率超声信号源..................................................... - 4 -
二、 检测超声及水声设备信号源................................... - 5 -
第四节 课题的主要工作............................................... - 7 -
第二章 基于 DDS 技术的任意波形发生器................................................... - 8 -
第一节 频率合成技术......................................................... - 8 -
第二节 DDS 技术............................................................ - 10 -
第三节 DDS 主要性能指标及特点.............................................. - 14 -
第四节 基于 DDS 技术的任意波形发生器................................... - 16 -
一、 产生任意波形的方法.................................................. - 17 –
二、 本课题的设计方案........................................... - 18 -
第三章 整机控制模块的设计................................................ - 20 -
第一节 单片机的选择..................................................... - 20 -
第二节 键盘电路的设计............................................... - 22 -
第三节 液晶显示电路及菜单的设计.......................... - 25 -
一、 LCM1602 及其接口电路................................ - 25 -
二、 液晶菜单的编制.......................................... - 26 -
第四节 电存储功能的设计.......................................... - 28 -
第五节 模拟信号采集模块的设计................................................ - 30 -
第六节 手写板数据采集模块的设计.................. - 31 -
一、 手写板的工作原理.................................... - 31 -
二、 联想手写板的通信数据格式............................. - 32 -
三、 单片机与手写板的硬件接口........................ - 34 -
四、 单片机与手写板的软件接口.................. - 35 -
第四章 波形发生模块的设计............................................. - 36 -
第一节 主要模块的理论分析与计算........................... - 36 -
一、 频率控制模块.................................... - 36 -
二、 幅度控制模块........................................ - 37 -
三、 相位差控制模块.................................................... - 38 -
第二节 查找表的设计....................................................... - 38 -
一、 基于 E2PROM 的查找表设计................. - 39 -
二、 基于 RAM 的查找表设计................................. - 39 -
三、 基于 CPLD/FPGA 的查找表设计.................................. - 39 -
第三节 器件选择与电路设计.................................. - 40 -
一、 CPLD 的选用...................................... - 40 -
二、 系统时钟电路的设计....................... - 42 -
三、 存储器的选用............................. - 42 -
四、 与单片机接口电路的设计............................ - 44 -
五、 波形生成及幅度控制电路的设计............................... - 46 -
第四节 低通滤波器的设计与仿真...................... - 48 -
一、 低通滤波器的选择............................. - 48 -
二、 低通滤波器的仿真设计............ - 50 -
第五章 其它模块的设计............................. - 52 -
第一节 电源模块的设计........................... - 52 -
第二节 PCB 板的设计.......................... - 54 -
一、 制作方案的确定....................... - 54 -
二、 采用的设计策略................ - 55 -
第三节 整机布局与电路安装.......... ............ - 57 -
第六章 整机调试 ..... ....................... - 59 -
第一节 硬件调试工具的介绍.............. ................... - 59 -
一、 ISP 技术与编程器......... ..................... - 59 -
二、 调试模块的制作....... ................. - 61 -
第二节 软件调试工具的介绍......... ............... - 62 -
一、 单片机开发工具 MedWin............ ................. - 62 -
二、 CPLD 开发工具 Quartus II...... .............. - 63 -
第三节 调试过程........................... ........... - 65 -
一、 调试要点......... ............... - 65 -
二、 调试心得与经验............. ................. - 66 -
三、 试验结果与分析................... ........ - 67 -
第七章 总结与展望 ....... ............ - 73 -
参考书目 ...... .............................. - 75 -
致谢 ....... ............................... - 76 -
附录一 整机控制模块原理图 ........ ....................... - 77 -
附录二 整机控制模块 PCB 图 .......... .......... - 78 -
附录三 整机控制模块 PCB 板 ....... ...................... - 79 -
附录四 波形生成模块原理图 ........ ................. - 80 -
附录五 波形生成模块 PCB 图 ...... .................................... - 81 -
附录六 波形生成模块 PCB 板 ....... ................... - 82 -
附录七 线性直流饲服稳压电源 .. .................... - 83 -
附录八 整机内部效果图 .......... ..................... - 84 -
附录九 整机外部效果图 ... .................................. - 85 -
附录十 液晶显示菜单效果图 .... ........................ - 86 -
附录十一 整机控制模块的源程序（部分）......... - 87 -