系統(tǒng)集成電路大作業(yè)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上系統(tǒng)集成與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)報(bào)告16路模擬信號(hào)發(fā)生器班 級(jí)：小組成員: 指導(dǎo)教師: 專(zhuān)心-專(zhuān)注-專(zhuān)業(yè) 目 錄1、 設(shè)計(jì)任務(wù)和要求分析.22、 整體方案設(shè)計(jì)選擇.23、 理論計(jì)算. . . . .64、 電路設(shè)計(jì)及仿真. .75、 實(shí)驗(yàn)總結(jié).11六、附錄.12一、設(shè)計(jì)任務(wù)與要求分析1.1 設(shè)計(jì)任務(wù)用C8051F020單片機(jī)完成16路信號(hào)源的輸出，并通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行輸出信號(hào)源的反饋采樣，最后通過(guò)異步串行接口（UART）將采樣結(jié)果輸出。利用C8051單片機(jī)將波形量化數(shù)據(jù)放置于內(nèi)部ROM，通過(guò)內(nèi)部D/A產(chǎn)生信號(hào)以及I/O端口控制多路模擬開(kāi)關(guān)，同時(shí)生成16路信號(hào)源，注意

2、信號(hào)源調(diào)理電路中采保部分的選值，并給出理論計(jì)算結(jié)果。反饋回采部分采用單片機(jī)的12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器，采樣頻率自定（要求給出理論計(jì)算值），并通過(guò)UART接口將采樣值送出按9600bps的波特率發(fā)出（接收對(duì)象可以是計(jì)算機(jī)或其它）。1.2 任務(wù)要求分析我們通過(guò)集體討論與分析，確定了如下的設(shè)計(jì)流程：圖1.系統(tǒng)流程圖 在進(jìn)行具體的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)之后，我們進(jìn)行了電路簡(jiǎn)化，放大濾波通過(guò)一個(gè)運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)，不僅使電路得到了簡(jiǎn)化，而且也節(jié)省了資源。二、整體方案設(shè)計(jì)選擇2.1 單片機(jī)部分單片機(jī)選用C8051F020，是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)MUC芯片具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳；具有12位100kps的8通道ADC，

3、帶PGA和多路模擬開(kāi)關(guān) ；具有2個(gè)12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；64K可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲(chǔ)器；4352字節(jié)的片內(nèi)RAM;可尋址64K字節(jié)地址空間的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器接口：2個(gè)UART串行接口?；谝陨蟽?yōu)良特性，故選用該單片機(jī)。單片機(jī)具有上電復(fù)位、掉電復(fù)位、外部復(fù)位、軟件強(qiáng)制復(fù)位等多種復(fù)位方式。在應(yīng)用中外部復(fù)位方式得到廣泛應(yīng)用。外部/RST引腳提供使用外部電路使單片機(jī)強(qiáng)制復(fù)位的手段。在外部/RST引腳加一個(gè)低電平有效信號(hào)，將使單片機(jī)復(fù)位，最好提供一個(gè)外部上拉，或?qū)ST引腳去耦以防止噪聲引起復(fù)位。圖2 單片機(jī)外部電路2.2 電源部分設(shè)計(jì)電源的選定好與壞對(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要，一個(gè)好的電

4、源的設(shè)計(jì)標(biāo)志著成功的一半。在這個(gè)系統(tǒng)中我們需要用到一個(gè)正負(fù)5V的雙電源，用于給運(yùn)放LM358供電，盡管LM358可以采用單電源供電，但是輸入信號(hào)的幅度比較小時(shí)，用單電源供電運(yùn)算放大器的特性會(huì)變差，而我們的設(shè)計(jì)中，輸入信號(hào)的變化范圍較大，用雙電源比較合適。同時(shí)還需要給模擬開(kāi)關(guān)ADG406和構(gòu)成采樣保持電路的CA3140提供正5V的電源電壓。綜上所述，我們通過(guò)用LM7805，LM7905組成一個(gè)正負(fù)5V的雙電源電路提供正負(fù)5V的電源。此外，C8051F020的供電電壓為3.3V，所以我們還需要用LM1117（低壓差三端穩(wěn)壓器）將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V給C8051F020單片機(jī)供電。 圖3. 780

5、5設(shè)計(jì)參考資料 圖4. 7905設(shè)計(jì)參考資料2.3 模擬開(kāi)關(guān)部分在整個(gè)設(shè)計(jì)中，我們的多路模擬開(kāi)關(guān)采用ADG406，單芯片CMOS模擬多路復(fù)用器。ADG406根據(jù)4位二進(jìn)制地址線(xiàn)A0，A1，A2，A3所確定的地址，將16路輸入之一切換至公共輸出。所有器件均提供EN輸入，用來(lái)使能或禁用器件。禁用時(shí)，所有通道均關(guān)閉。ADG406采用增強(qiáng)型LC2MOS工藝設(shè)計(jì)，具有低功耗，高開(kāi)關(guān)速度和低導(dǎo)通電阻特性，因而適合高速度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和音頻信號(hào)開(kāi)關(guān)應(yīng)用。低功耗特性則適合電池供電系統(tǒng)。接通時(shí)，各通道在兩個(gè)方向的導(dǎo)電性能相同，輸入信號(hào)范圍可擴(kuò)展至電源電壓范圍。在斷開(kāi)的條件下，達(dá)到電源電壓的信號(hào)電平被阻止。所有通道

6、均采用先開(kāi)后合式開(kāi)關(guān)，防止開(kāi)關(guān)通道時(shí)發(fā)生瞬時(shí)短路。設(shè)計(jì)本身具有低電荷注入特性，當(dāng)切換數(shù)字輸入時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最小的瞬變。我們采用ADG406進(jìn)行采樣時(shí)的16路信號(hào)的切換以及將16路信號(hào)輸入單片機(jī)AD時(shí)的16路信號(hào)切換。 圖5.ADG406真值表以及轉(zhuǎn)換時(shí)間2.4 信號(hào)調(diào)理部分設(shè)計(jì)2.4.1采樣保持電路采樣保持電路采用的是CA3140集成采樣保持芯片。它的輸入阻抗高達(dá) ，輸入偏流約10PA，工作速度較高(SR=9V/us),常用于積分及保持電路等。它既可以雙電源供電（±2V±18V），又可以單電源供電（4V36V）。其工作溫度范圍為-55-125，使用CA3140的注意事項(xiàng)如下:（

7、1）因其輸入級(jí)為MOSFET,故安裝焊接時(shí)應(yīng)符合MOSFET的要求。（2）CA3140的最大允許差模電壓為±8V，故一般應(yīng)接保護(hù)電路，以免因電壓過(guò)高而擊穿，其輸入回路電流應(yīng)小于1mA,因此需在輸入及反饋回路中接限流電阻，其值一般不小于3.9K。（3）其輸出負(fù)載電阻應(yīng)大于2k，否則將使負(fù)向輸出動(dòng)態(tài)范圍變小。2.4.2放大濾波器部分由于C8051F020的AD轉(zhuǎn)換器輸出電壓為2.4V，且在實(shí)際線(xiàn)路輸出過(guò)程中會(huì)受到噪聲干擾，所以需要設(shè)計(jì)放大濾波電路。我們選用LM358芯片進(jìn)行放大濾波，不僅可以簡(jiǎn)化電路，并且成本較低。三、理論計(jì)算3.1 DAC輸出頻率通過(guò)手冊(cè)可知，C8051F020內(nèi)部DA

8、C最高輸出頻率為100kHz，模擬開(kāi)關(guān)最快切換時(shí)間為180ns，采樣保持電路的采樣時(shí)間約為4.5ns，計(jì)算如下：180+4.5=184.5ns所以DA的采樣周期必須比184.5ns大，這里我們?nèi)A的輸出周期為184.5*3=553.5ns。即頻率約為：hz，但是卻超過(guò)了C8051F020內(nèi)部DAC最高輸出頻率為100kHz。所以只要低于hz就可以了，為了以后的設(shè)計(jì)方便，也為了能夠在采集一個(gè)周期中盡可能多的點(diǎn)，我們?nèi)AC輸出頻率為1600Hz.此時(shí)每一路模擬開(kāi)關(guān)的輸出頻率為100Hz。3.2 ADC回采頻率計(jì)算依據(jù)題目ADC回采后經(jīng)串口發(fā)送，串口波特率為9600，所以ADC回采頻率受到串口波

9、特率制約，所以取ADC回采頻率與串口波特率一致：所以ADC采集每一路模擬信號(hào)的頻率為1.2kHz。3.3 采樣保持電容計(jì)算采樣保持電容大小選取受到切換速度的制約，與模擬開(kāi)關(guān)、輸出放大器的性能都有關(guān)系，具體計(jì)算如下：計(jì)算得：結(jié)果取0.01uf的電容。3.4 濾波器的設(shè)計(jì)計(jì)算由于C8051F020的AD轉(zhuǎn)換器輸出電壓為2.4V，而其內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可以達(dá)到4.8V，且在實(shí)際線(xiàn)路輸出過(guò)程中會(huì)受到噪聲干擾，所以我們采用放大倍數(shù)為2倍的低通濾波器。我們?cè)O(shè)計(jì)的濾波器是無(wú)限增益多路型低通濾波器，濾波器的參數(shù)分別如下:，所以，增益，固有頻率,阻尼系數(shù)為：。所以截至頻率為。四、電路設(shè)計(jì)及仿真4.1 電

10、源設(shè)計(jì)及仿真圖6.雙電源設(shè)計(jì)電路圖圖7.雙電源仿真結(jié)果圖4.2 放大濾波設(shè)計(jì)及仿真設(shè)計(jì)及仿真由于C8051F020的AD轉(zhuǎn)換器輸出電壓為2.4V，而其內(nèi)部的DA轉(zhuǎn)換器的輸入電壓可以達(dá)到4.8V，且在實(shí)際線(xiàn)路輸出過(guò)程中會(huì)受到噪聲干擾，所以我們采用放大倍數(shù)為2倍的低通濾波器。我們?cè)O(shè)計(jì)的濾波器是無(wú)限增益多路型低通濾波器，濾波器的參數(shù)分別如下:，所以，增益，固有頻率,阻尼系數(shù)為：。所以截至頻率為。圖8.低通濾波及放大電路圖9.低通濾波及放大電路仿真圖4.3采用保持電路的設(shè)計(jì)圖10.采樣保持電路原理圖4.4模擬開(kāi)關(guān)電路設(shè)計(jì)圖11.模擬開(kāi)關(guān)電路原理圖4.5抗干擾設(shè)計(jì)圖12.耦合電容設(shè)計(jì)圖13.地隔離的設(shè)計(jì)

11、4.6 整體電路設(shè)計(jì) 圖14.整體電路原理圖4.7 pcb設(shè)計(jì)圖15.pcb版圖五、實(shí)驗(yàn)總結(jié) 這次課程設(shè)計(jì)我們先從C8051F020芯片的引腳功能和工作原理入手。將里面所涉及到的功能用我所學(xué)的系統(tǒng)集成以及模數(shù)電、測(cè)控電路的知識(shí)進(jìn)行運(yùn)用。在實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)壓功能時(shí)，用到了7805和7905，LM1117這三種芯片。在設(shè)計(jì)電路的過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)芯片的選擇是非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，芯片的參數(shù)以及功能和成本都是我們需要考慮的問(wèn)題。 同時(shí)這次課程設(shè)計(jì)讓我們小組成員進(jìn)一步鞏固了對(duì)Multisim軟件仿真和AD的使用和操作，在設(shè)計(jì)中遇到了很多問(wèn)題，我們通過(guò)上網(wǎng)查資料以及同學(xué)和老師的幫助，大都得到了解決。除此之外，小

12、組成員也感受到了合作的力量，積極分工，在做好自己的工作的同時(shí)，協(xié)助其他成員。在此，感謝老師的悉心指導(dǎo)和他同學(xué)的無(wú)私幫助！ 附錄：程序源碼：#include <c8051f020.h> / SFR declarations/-/ 16-bit SFR Definitions for 'F02x/-sfr16 RCAP4 = 0xE4; / Timer4 capture/reloadsfr16 TMR4 = 0xF4; / Timer4sfr16 DAC0 = 0xd2; / DAC0 datasfr16 DAC1 = 0xd5; / DAC1 data/-/ Global C

13、onstants/-#define SYSCLK / Internal oscillator frequency in Hz#define SAMPLE_RATE_DAC L / DAC sampling rate in Hz#define PHASE_PRECISION 65536 / range of phase accumulator#define FREQUENCY 1000 / Frequency of output waveform in Hz / <PHASE_ADD> is the change in phase between DAC samples; It is

14、 used in / the set_DACs routine.unsigned int PHASE_ADD = FREQUENCY * PHASE_PRECISION / SAMPLE_RATE_DAC;/自加/unsigned long AD;/AD轉(zhuǎn)換的值unsigned char temp_l;unsigned char temp_h;bitReceiveBit;/*接收標(biāo)志位*/unsigned char temp;/int code SINE_TABLE256 = 0x0000, 0x0324, 0x0647, 0x096a, 0x0c8b, 0x0fab, 0x12c8, 0x1

15、5e2, 0x18f8, 0x1c0b, 0x1f19, 0x2223, 0x2528, 0x2826, 0x2b1f, 0x2e11, 0x30fb, 0x33de, 0x36ba, 0x398c, 0x3c56, 0x3f17, 0x41ce, 0x447a, 0x471c, 0x49b4, 0x4c3f, 0x4ebf, 0x5133, 0x539b, 0x55f5, 0x5842, 0x5a82, 0x5cb4, 0x5ed7, 0x60ec, 0x62f2, 0x64e8, 0x66cf, 0x68a6, 0x6a6d, 0x6c24, 0x6dca, 0x6f5f, 0x70e2,

16、 0x7255, 0x73b5, 0x7504, 0x7641, 0x776c, 0x7884, 0x798a, 0x7a7d, 0x7b5d, 0x7c29, 0x7ce3, 0x7d8a, 0x7e1d, 0x7e9d, 0x7f09, 0x7f62, 0x7fa7, 0x7fd8, 0x7ff6, 0x7fff, 0x7ff6, 0x7fd8, 0x7fa7, 0x7f62, 0x7f09, 0x7e9d, 0x7e1d, 0x7d8a, 0x7ce3, 0x7c29, 0x7b5d, 0x7a7d, 0x798a, 0x7884, 0x776c, 0x7641, 0x7504, 0x7

17、3b5, 0x7255, 0x70e2, 0x6f5f, 0x6dca, 0x6c24, 0x6a6d, 0x68a6, 0x66cf, 0x64e8, 0x62f2, 0x60ec, 0x5ed7, 0x5cb4, 0x5a82, 0x5842, 0x55f5, 0x539b, 0x5133, 0x4ebf, 0x4c3f, 0x49b4, 0x471c, 0x447a, 0x41ce, 0x3f17, 0x3c56, 0x398c, 0x36ba, 0x33de, 0x30fb, 0x2e11, 0x2b1f, 0x2826, 0x2528, 0x2223, 0x1f19, 0x1c0b,

18、 0x18f8, 0x15e2, 0x12c8, 0x0fab, 0x0c8b, 0x096a, 0x0647, 0x0324, 0x0000, 0xfcdc, 0xf9b9, 0xf696, 0xf375, 0xf055, 0xed38, 0xea1e, 0xe708, 0xe3f5, 0xe0e7, 0xdddd, 0xdad8, 0xd7da, 0xd4e1, 0xd1ef, 0xcf05, 0xcc22, 0xc946, 0xc674, 0xc3aa, 0xc0e9, 0xbe32, 0xbb86, 0xb8e4, 0xb64c, 0xb3c1, 0xb141, 0xaecd, 0xa

19、c65, 0xaa0b, 0xa7be, 0xa57e, 0xa34c, 0xa129, 0x9f14, 0x9d0e, 0x9b18, 0x9931, 0x975a, 0x9593, 0x93dc, 0x9236, 0x90a1, 0x8f1e, 0x8dab, 0x8c4b, 0x8afc, 0x89bf, 0x8894, 0x877c, 0x8676, 0x8583, 0x84a3, 0x83d7, 0x831d, 0x8276, 0x81e3, 0x8163, 0x80f7, 0x809e, 0x8059, 0x8028, 0x800a, 0x8000, 0x800a, 0x8028,

20、 0x8059, 0x809e, 0x80f7, 0x8163, 0x81e3, 0x8276, 0x831d, 0x83d7, 0x84a3, 0x8583, 0x8676, 0x877c, 0x8894, 0x89bf, 0x8afc, 0x8c4b, 0x8dab, 0x8f1e, 0x90a1, 0x9236, 0x93dc, 0x9593, 0x975a, 0x9931, 0x9b18, 0x9d0e, 0x9f14, 0xa129, 0xa34c, 0xa57e, 0xa7be, 0xaa0b, 0xac65, 0xaecd, 0xb141, 0xb3c1, 0xb64c, 0xb

21、8e4, 0xbb86, 0xbe32, 0xc0e9, 0xc3aa, 0xc674, 0xc946, 0xcc22, 0xcf05, 0xd1ef, 0xd4e1, 0xd7da, 0xdad8, 0xdddd, 0xe0e7, 0xe3f5, 0xe708, 0xea1e, 0xed38, 0xf055, 0xf375, 0xf696, 0xf9b9, 0xfcdc,;/-/ Function Prototypes/-void main(void);void OSCILLATOR_Init(void);void DAC0_Init (void);void DAC1_Init (void)

22、;void TIMER4_Init(int counts);void Set_DACs(void);/自加/void PORT_Init (void);void Timer3_Init (int counts);void ADC_Init(void);void UART0_Init (void);void delayms(unsigned int z);/-/ MAIN Routine/-void main (void) unsigned char temp1=0xff,temp2=0xff;unsigned int ad_now; WDTCN = 0xde; / Disable watchd

23、og timer WDTCN = 0xad; OSCILLATOR_Init (); / Initialize oscillator DAC0_Init (); / Initialize DAC0 PORT_Init (); Timer3_Init (SYSCLK / 1200 ); ADC_Init(); UART0_Init(); AMX0SL =0x00; /選擇通道AIN0 TIMER4_Init(SYSCLK/SAMPLE_RATE_DAC);/ Initialize Timer4 to overflow / <SAMPLE_RATE_DAC> times per / s

24、econd EA = 1; / Enable global interrupts ES0 =1;/串口中斷使能 while(1) temp1=0xff; temp2=0xff; ad_now=AD; temp1&=ad_now; temp2&=(ad_now>>8);SBUF0=temp1;while(!TI0);TI0=0; SBUF0=temp2;while(!TI0);TI0=0; SBUF0=0x0d;while(!TI0);TI0=0; SBUF0=0x0a;while(!TI0);TI0=0; delayms(200); /自加/void delayms

25、(unsigned int z)unsigned int x,y;for(x=0;x<z;x+)for(y=0;y<121;y+);void PORT_Init (void) XBR2 = 0x40;/*使能交叉開(kāi)關(guān)*/ P2MDOUT =0xff;/ XBR0 = 0x04; /*使能UART0*/ XBR1 = 0x00;/ /XBR2 = 0x40; /*使能交叉開(kāi)關(guān)和弱上拉*/ P0MDOUT |= 0x01; /*使能TX0作為推挽輸出*/ P1MDOUT |= 0x40; /*時(shí)能P1.6 (LED)作為推挽輸出*/ P3MDOUT |= 0xdf;XBR0 = 0x0

26、4; /*使能UART0*/函數(shù)功能: 定時(shí)器3初始化/入口參數(shù): int countsvoid Timer3_Init (int counts)TMR3CN = 0x00; TMR3RLL = -counts; /初始化重載值 TMR3L = 0xffff; /設(shè)置自動(dòng)重載值 TMR3CN |= 0x04; /函數(shù)功能: ADC0初始化void ADC_Init(void)ADC0CN |=0x84;/*ADC0使能，定時(shí)器3溢出使能模/數(shù)轉(zhuǎn)換*/REF0CN |=0x03;/*內(nèi)部電壓基準(zhǔn)提供從VREF腳輸出，ADC0電壓基準(zhǔn)取自VREF0*/ADC0CF |=0x50;/*轉(zhuǎn)換周期和增益

27、為1*/AMX0CF |=0x00;/*單端輸入*/EIE2 |=0x02;/*ADC0轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷*/函數(shù)功能: AD中斷服務(wù)程序void ADC_ISR (void) interrupt 15AD0INT=0;/清A/D中斷標(biāo)志 temp_l=ADC0L; temp_h=ADC0H; AD=temp_h*256+temp_l;void UART0_Init (void)SCON0=0x50; /串口方式1TMOD=0X20; /選用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器TH1=0xF4; TL1=0xF4;PCON=0x80;/波特率為9600TR1=1; /定時(shí)器啟動(dòng)void UART0_ISR (v

28、oid) interrupt 4/if(TI0) /是發(fā)送中斷還是接收中斷/ /SBUF0=AD;/while(!TI0);/TI0=0;/ /-/ Interrupt Service Routines/-/-/ TIMER4_ISR - Wave Generator/-/ This ISR is called on Timer4 overflows. Timer4 is set to auto-reload mode/ and is used to schedule the DAC output sample rate in this example./ Note that the valu

29、e that is written to DAC1 during this ISR call is/ actually transferred to DAC1 at the next Timer4 overflow./-void TIMER4_ISR (void) interrupt 16static unsigned char ch_i;ch_i+;if(ch_i=16) ch_i=0;Set_DACs();P2=ch_i; T4CON &= 0x80; / Clear Timer4 overflow flag /-/ Initialization Routines/-/-/ OSC

30、ILLATOR_Init/-/ Return Value : None/ Parameters : None/ This routine initializes the system clock to use an 22.1184MHz crystal/ as its clock source./-void OSCILLATOR_Init (void) int i; / Delay counter OSCXCN = 0x67; / Start external oscillator with / 22.1184MHz crystal for (i=0; i < 256; i+) ; /

31、Wait for osc. to start up while (!(OSCXCN & 0x80) ; / Wait for crystal osc. to settle OSCICN = 0x88; / Select external oscillator as SYSCLK / source and enable missing clock / detector/-/ DAC0_Init/-/ Return Value : None/ Parameters : None/ Configure DAC0 to update on Timer4 overflows and enable

32、 the the VREF buffer./-void DAC0_Init(void) DAC0CN = 0x94; / Enable DAC0 in left-justified mode / managed by Timer4 overflows REF0CN |= 0x03; / Enable the internal VREF (2.4v) and / the Bias Generator/-/ TIMER4_Init/-/ Return Value : None/ Parameters :/ 1) int counts - calculated Timer overflow rate/ range is positive range of integer: 0 to 32767/ Configure Timer4 to auto-reload at interval specified by <counts> using / SYSCLK as its time base