简易数字毫伏表的设计(完整论文)

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目录

摘要 ................................................................. I Abstract ........................................... 错误！未定义书签。 第一章 引言 .......................................................... 1 第二章 系统设计思想 .................................................. 2

2.1测量方案 ...................................................... 2 2.2 输出部分中各模块的方案选择 .................................... 2 2.3 最终整体方案设计 .............................................. 2 2.4 总体设计方案 .................................................. 3 第三章 系统的硬件设计 ................................................ 5

3.1 系统硬件的主要组成部分与理论分析计算 .......................... 5

3.1.1系统硬件部分 ............................................. 5 3.1.2理论分析与公式计算 ....................................... 5 3.2 系统各模块单元的理论分析与实际电路设计 ........................ 5

3.2.1测量部分 ................................................. 5 3.2.2输出部分 ................................................. 8 3.2.3毫伏表的基本电路部分 .................................... 14 3.2.4稳压电源部分电路设计 .................................... 14

第四章 系统的软件设计 ............................................... 16

4.1主流程图 ..................................................... 16

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4.2软件子流程图 ................................................. 17

4.2.1测量部分 ................................................ 17 4.2.2输出部分软件流程图 ...................................... 18

第五章 调试（系统测试）过程 ......................................... 19

5.1测试仪器与设备 ............................................... 19 5.2 测试过程 ..................................................... 19

5.2.1分模块调试： ............................................ 19 5.2.2整机系统调试： .......................................... 19 5.3结果分析 ..................................................... 19 总结 ................................................................ 21 结束语 ............................................. 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................ 23

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潍坊学院专科毕业设计（论文） 简易数字交流毫伏表设计

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(Direct Digital Frequency Synthesis,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。

此系统以FPGA为核心，辅以必要的外围电路（包括信号调理、AD转换、DA转换、输入输出和电源模块），采用模块化的设计理念，利用VHDL语言进行编程，具有良好的扩展性和移植性。本系统具有交流电压测量和交流电压输出两大功能。交流电压测量时，将外部输入电压信号经信号调理模块调节到AD电路输入范围，经AD转换后送入FPGA核心模块计算电压的有效值，实现毫伏表的功能，并将结果在LCD显示；交流电压输出时，利用FPGA 的高速数据并行处理的能力，根据DDS原理，经DA输出稳定的频率可调的正弦波电压。经测试，交流电压测量的误差控制在±5%以内，较好地实现了题目的基本要求和发挥要求，同时交流信号输出的频率高达10MHz。

本文是简易数字交流毫伏表的一个新型设计方法的尝试。也符合了利用单片机实现队数据进行较为精确测量的新趋势。 关键词：AT89S52单片机,毫伏表，频率合成器

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Design of simple digital communication millivoltmeter

ABSTRACT

This system voltage measurement and signal output of two parts, the voltage measurements of analog amplifier module, cooperate, A/D conversion module, display module, Through the sunplus microcontroller, within the permitted error display measuring voltage. With Digital signals directly to the Digital Frequency synthesizer (as some bio-synthesis, referred to as DDFS) as the core of DDS or, on DDS chip inside AT89S52 control, using standard output waveform, programming, preset, step Frequency voltage output reached Frequency adjustable step. Through measuring and testing the basic topic completed and all play a part of the requirements and have their own innovation.

This system works based on the FPGA with some outer circuits, which include signal processing, A/D converter, D/A convention, input/output and source modules. This system is designed by the principle of module and VHDL program. So it has the advantages of expansibility and replantation. This system has the functions of measuring and supplying alternate current. When the outer input signal is measured, it is send to the A/D circuit through the signal processing module. Then through the A/D converter, the signal is send to the core of the FPGA module to calculate the virtual value of the voltage. Then the function of milli-voltage meter is realized and the result can be displayed on the LCD. When outputting the source, with the help of the FPGA's parallel processing ability and the principle of DDS, it can output stable frequency-adjustable sine wave voltage. Through the measurement, the error of the result is in the range of ±5%.So it realizes the basic requirement and the superior requirement well. And the frequency of the sine wave voltage is up to 10 MHz.

This simple digital communication is a new design of millivolt table method. With the lakers using single chip computer is accurate measurement data of the new trend. KEYWORDS：AT89S52 ，Millivoltmeter , DDS

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第一章 引言

近年来随着数字化设备在社会领域的渗透, 单片机的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月益更新。在数字设备显示设计中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，仅单片机方面知识是不够的，还应根据具体硬件结构，以及针对具体应用对象特点的软件结合，以作完善。

数字显示器是接收和处理数字信号的显示器，作为一种先进的显示器类型，数字显示器正在呈现加速发展的态势。

数字显示器的先进性首先体现在信号的保真度上，在传输的过程中，数字信号的损失几乎为零，因此数字显示器的显示效果更加逼真；其次，数字显示器具有单一模式的回路结构，因而系统更简单、更可靠；第三，数字显示器中没有了可见扫描线的干扰，因此能够显现更清晰的动态图像、游戏、照片等，能获得图形作业所需的高水准图像效果。同时数字显示器可以更有效地实现与显示效果直接相关的性能，如色彩修正，肤色补偿，色彩再校准等[1]。

在现代便携式智能仪器或手持设备中，数字显示设备已经成为一种行业标准。这需要设计者在选取元器件上有特殊考虑。微功耗、小体积应作为选择相关器件的首要要求。让使用者使用时方便快捷是最基本的要求。

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CPU进行判断，若是无信号输入，则返回原数据初始化处；若是有数据输入，则CPU开始调用程序对数据进行分析，并把处理后的数据通过显示器输出。

4.2软件子流程图

4.2.1测量部分

测量软件流程图如图4.2

开始初始化模式选择自动档手动档档位搜索档位选择A/D转换计算实际值END 图4.2 测量软件流程图

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4.2.2输出部分软件流程图

输出部分流程图如图4.3

开始初始化10KHz输出任意输出步进输出送控制字END

图4.3 输出部分（DDS）软件流程图

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潍坊学院专科毕业设计（论文） 第五章 调试（系统测试）过程

5.1测试仪器与设备

测试过程中，用到的主要测试仪器有：

表4-1 测量仪器一览表 序号 1 2 3 4 5 6 7 名称 数字万用表 标准型数字万用表 示波器 示波器 可跟踪直流稳压电源 DDS函数信号发生器 PC机 型号 DT9205 UT50/UT101系列 COS5060CH VP-5564D SS3323 TFG2050 数量 1 1 1 1 1 1 1 备注 3CH 60MHZ 50MHZ 512M内存 5.2 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：

5.2.1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。

5.2.2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。

5.3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。 下面是对设计和测量过程中一些误差产生的分析： a、相位截断误差

为了提高频率分辨率，AD9854采用了48－Bit频率控制寄存器，因此其相位累加器的宽度L＝48；另一方面，受ROM存储容量的限制，AD9854不可能嵌入2L

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个幅度表，而是采取了一个折中的方法将ROM表的深度定为2 W（W＝17）。这样，在查表过程中，通常仅取相位累加器的高17位作为索引，从而产生了相位截断误差。但是DDS的输出通常都是正弦信号，因此，它的相位截断具有明显的周期性。尤其是当系统时钟频率是输出正弦波频率的整数倍时，这种周期性就更加明显。这相当于周期性的引入了一个截断误差，最终的影响就是输出信号带有一定的谐波分量。

b、幅度量化误差

在大多数情况下，每个相位对应的幅度值都是一个无限小数，它并不能在ROM中准确地存储。通常ROM表的宽度越大，其存储的数值就越接近真实值。AD9854中ROM表的宽度为12－Bit。与相位截断误差类似，其结果也相当于周期性地引入了一个量化误差，并且当AD9854的系统时钟频率等于正弦波频率的整数倍时，周期性更为明显，因而最终也会带来一定的谐波。 c、D/A输出误差

通常D／A输出信号并不是理想的模拟信号，而是理想信号的一个矩形近似，其频谱是对正弦信号进行周期延拓，而周期则等于DDS的系统时钟周期。例如AD9854的系统时钟为300MHz，若输出一个70MHz的正弦波时，会在230MHz的地方出现谐波分量。 d、参考时钟误差

DDS的基准时钟的性能会很大地影响输出信号的性能。参考时钟的杂散频率会以相同的固定频率偏移传递到DDS的输出。参考时钟的噪声会以同样的方式传递到DDS的输出。DDS输出的参考时钟杂散或噪声的幅度会随着控制字的减小而减小，可以用下式表达：

dBc=-20log(参考时钟频率/DDS输出频率)

如果使用了内置参考时钟倍频器，参考时钟的所有噪声和杂散都会在PLL环路带宽内按照下式放大：

dBc=20log(参考时钟的倍频数，4倍-20倍)

时钟的毛刺和谐波都会有影响。

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总结

本系统完成了题目基本部分和发挥部分的全部内容，在完成的项目中大部分指标优于题目要求，个别指标由于时间有限做得不是非常完善。本系统经测试运行效果良好，达到了预期目的。其性能指标均达到了题目要求，还增添了特色设计音频播放。用SPCE061A 16位单片机实现了该系统不可比拟的优越性，集中体现在实现功能齐全，外围电路简单，时间计算精确，以及可维护性强。其软件编程采用C语言和汇编语言混合编程实现，及两种语言之优点于一体。他们的完美结合简化了编程过程，丰富了编程思想，给开发者带来了极大的方便，使用凌阳单片机开发产品给开发者耳目一新的感觉。

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致谢

感谢我的导师程讲师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。

感谢我的室友们，从遥远的家来到这个陌生的城市里，是你们和我共同维系着彼此之间兄弟般的感情，维系着寝室那份家的融洽。三年了，仿佛就在昨天。三年里，我们没有红过脸，没有吵过嘴，没有发生上大学前所担心的任何不开心的事情。只是今后大家就难得再聚在一起吃每年元旦那顿饭了吧，没关系，各奔前程，大家珍重。愿离开我们寝室的开开心心。我们在一起的日子，我会记一辈子的。

感谢我的爸爸妈妈，焉得谖草，言树之背，养育之恩，无以回报，你们永远健康快乐是我最大的心愿。

在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！

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参考文献

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[4] 胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京：清华大学出版社,1995.100-120 [5] 吴金戎.8051单片机实践与应用[M].北京：清华大学出版社，2002.160-165

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[7] 王海欣，黄海宏.液晶显示器的汉字显示方法[J].液晶与显示，2005

[8] 余华芳，刘健.单片机与液晶显示模块的软硬件接口技术[J].液晶与显示，2003 [9] 张平均，黄家骏.点阵式液晶显示模块的旋转式菜单设计[J].液晶与显示，2005 [10] 陈冬，徐文立.液晶显示多层菜单结构的软件设计[J].电气传动，2001

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