系统集成与应用实验设计报告16路模拟信号发生器班级：小组成员:指导教师:目录一、设计任务和要求分析 (2)二、整体方案设计选择 (2)三、理论计算................... ... ... ... .. (6)四、电路设计及仿真..................................... .. (7)五、实验总结 (11)六、附录 (12)一、设计任务与要求分析1.1 设计任务用C8051F020单片机完成16路信号源的输出，并通过单片机内部A/D转换器进行输出信号源的反馈采样，最后通过异步串行接口（UART）将采样结果输出。
利用C8051单片机将波形量化数据放置于内部ROM，通过内部D/A产生信号以及I/O 端口控制多路模拟开关，同时生成16路信号源，注意信号源调理电路中采保部分的选值，并给出理论计算结果。
反馈回采部分采用单片机的12位高精度A/D 转换器，采样频率自定（要求给出理论计算值），并通过UART接口将采样值送出按9600bps的波特率发出（接收对象可以是计算机或其它）。
1.2 任务要求分析我们通过集体讨论与分析，确定了如下的设计流程：图1.系统流程图在进行具体的实验设计之后，我们进行了电路简化，放大滤波通过一个运算放大器来实现，不仅使电路得到了简化，而且也节省了资源。
二、整体方案设计选择2.1 单片机部分单片机选用C8051F020，是完全集成的混合信号系统级MUC芯片具有64个数字I/O引脚；具有12位100kps的8通道ADC，带PGA和多路模拟开关；具有2个12位DAC，具有可编程数据更新方式；64K可在系统编程的FLASH存储器；4352字节的片内RAM;可寻址64K字节地址空间的数据存储器接口：2个UART串行接口。
基于以上优良特性，故选用该单片机。
单片机具有上电复位、掉电复位、外部复位、软件强制复位等多种复位方式。
在应用中外部复位方式得到广泛应用。
外部/RST引脚提供使用外部电路使单片机强制复位的手段。
在外部/RST引脚加一个低电平有效信号，将使单片机复位，最好提供一个外部上拉，或对RST引脚去耦以防止噪声引起复位。
图2 单片机外部电路2.2 电源部分设计电源的选定好与坏对于系统设计来说至关重要，一个好的电源的设计标志着成功的一半。
在这个系统中我们需要用到一个正负5V的双电源，用于给运放LM358供电，尽管LM358可以采用单电源供电，但是输入信号的幅度比较小时，用单电源供电运算放大器的特性会变差，而我们的设计中，输入信号的变化范围较大，，用双电源比较合适。
同时还需要给模拟开关ADG406和构成采样保持电路的CA3140提供正5V的电源电压。
综上所述，我们通过用LM7805，LM7905组成一个正负5V的双电源电路提供正负5V的电源。
此外，C8051F020的供电电压为3.3V，所以我们还需要用LM1117（低压差三端稳压器）将5V电源转换为3.3V给C8051F020单片机供电。
图3. 7805设计参考资料图4. 7905设计参考资料2.3 模拟开关部分在整个设计中，我们的多路模拟开关采用ADG406，单芯片CMOS模拟多路复用器。
ADG406根据4位二进制地址线A0，A1，A2，A3所确定的地址，将16路输入之一切换至公共输出。
所有器件均提供EN输入，用来使能或禁用器件。
禁用时，所有通道均关闭。
ADG406采用增强型LC2MOS工艺设计，具有低功耗，高开关速度和低导通电阻特性，因而适合高速度数据采集系统和音频信号开关应用。
低功耗特性则适合电池供电系统。
接通时，各通道在两个方向的导电性能相同，输入信号范围可扩展至电源电压范围。
在断开的条件下，达到电源电压的信号电平被阻止。
所有通道均采用先开后合式开关，防止开关通道时发生瞬时短路。
设计本身具有低电荷注入特性，当切换数字输入时，可实现最小的瞬变。
我们采用ADG406进行采样时的16路信号的切换以及将16路信号输入单片机AD时的16路信号切换。
图5.ADG406真值表以及转换时间2.4 信号调理部分设计2.4.1采样保持电路采样保持电路采用的是CA3140集成采样保持芯片。
它的输入阻抗高达1210 ，输入偏流约10PA，工作速度较高(SR=9V/us),常用于积分及保持电路等。
它既可以双电源供电（±2V~±18V），又可以单电源供电（4V~36V）。
其工作温度范围为-55℃~-125℃，使用CA3140的注意事项如下:（1）因其输入级为MOSFET,故安装焊接时应符合MOSFET的要求。
（2）CA3140的最大允许差模电压为±8V，故一般应接保护电路，以免因电压过高而击穿，其输入回路电流应小于1mA,因此需在输入及反馈回路中接限流电阻，其值一般不小于3.9KΩ。
（3）其输出负载电阻应大于2kΩ，否则将使负向输出动态范围变小。
2.4.2放大滤波器部分由于C8051F020的AD转换器输出电压为2.4V，且在实际线路输出过程中会受到噪声干扰，所以需要设计放大滤波电路。
我们选用LM358芯片进行放大滤波，不仅可以简化电路，并且成本较低。
三、理论计算3.1 DAC 输出频率通过手册可知，C8051F020内部DAC 最高输出频率为100kHz ，模拟开关最快切换时间为180ns ，采样保持电路的采样时间约为4.5ns ，计算如下：180+4.5=184.5ns所以DA 的采样周期必须比184.5ns 大，这里我们取DA 的输出周期为184.5*3=553.5ns 。
即频率约为：190000hz ，但是却超过了C8051F020内部DAC 最高输出频率为100kHz 。
所以只要低于190000hz 就可以了，为了以后的设计方便，也为了能够在采集一个周期中尽可能多的点，我们取DAC 输出频率为1600Hz. 此时每一路模拟开关的输出频率为100Hz 。
3.2 ADC 回采频率计算依据题目ADC 回采后经串口发送，串口波特率为9600，所以ADC 回采频率受到串口波特率制约，所以取ADC 回采频率与串口波特率一致：96001200b 8ps = 所以ADC 采集每一路模拟信号的频率为1.2kHz 。
3.3 采样保持电容计算采样保持电容大小选取受到切换速度的制约，与模拟开关、输出放大器的性能都有关系，具体计算如下：41s 32i =.8s= 2.880sR C R C ττ--≤⨯≥⨯切换时间110轮换时间1计算得： 79.4710p 0.11F C F μ-⨯<<结果取0.01uf 的电容。
3.4 滤波器的设计计算由于C8051F020的AD 转换器输出电压为2.4V ，而其内部的DA 转换器的输入电压可以达到4.8V ，且在实际线路输出过程中会受到噪声干扰，所以我们采用放大倍数为2倍的低通滤波器。
我们设计的滤波器是无限增益多路型低通滤波器，滤波器的参数分别如下:12325.65,32.92,51.30R k R k R k =Ω=Ω=Ω，120.1,0.015C F C F μμ==所以，增益312p R K R =-=-，固有频率0628.93w ==,阻尼系数为：011231111()/ 1.413w CR RR α=++=。
所以截至频率为0/2100w Hz π=。
四、电路设计及仿真4.1 电源设计及仿真图6.双电源设计电路图图7.双电源仿真结果图4.2 放大滤波设计及仿真设计及仿真由于C8051F020的AD 转换器输出电压为2.4V ，而其内部的DA 转换器的输入电压可以达到4.8V ，且在实际线路输出过程中会受到噪声干扰，所以我们采用放大倍数为2倍的低通滤波器。
我们设计的滤波器是无限增益多路型低通滤波器，滤波器的参数分别如下:12325.65,32.92,51.30R k R k R k =Ω=Ω=Ω，120.1,0.015C F C F μμ==所以，增益312p R K R =-=-，固有频率02312628.93w R R C C ==,阻尼系数为：011231111()/ 1.413w C R R R α=++=。
所以截至频率为0/2100w Hz π=。
图8.低通滤波及放大电路图9.低通滤波及放大电路仿真图4.3采用保持电路的设计图10.采样保持电路原理图4.4模拟开关电路设计图11.模拟开关电路原理图4.5抗干扰设计图12.耦合电容设计图13.地隔离的设计4.6 整体电路设计图14.整体电路原理图4.7 pcb设计图15.pcb版图五、实验总结这次课程设计我们先从C8051F020芯片的引脚功能和工作原理入手。
将里面所涉及到的功能用我所学的系统集成以及模数电、测控电路的知识进行运用。
在实现电路的稳压功能时，用到了7805和7905，LM1117这三种芯片。
在设计电路的过程中，我们发现芯片的选择是非常重要的一个环节，芯片的参数以及功能和成本都是我们需要考虑的问题。
同时这次课程设计让我们小组成员进一步巩固了对Multisim软件仿真和AD 的使用和操作，在设计中遇到了很多问题，我们通过上网查资料以及同学和老师的帮助，大都得到了解决。
除此之外，小组成员也感受到了合作的力量，积极分工，在做好自己的工作的同时，协助其他成员。
在此，感谢老师的悉心指导和他同学的无私帮助！附录：程序源码：#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 Constants//-----------------------------------------------------------------------------#define SYSCLK 22118400 // Internal oscillator frequency in Hz#define SAMPLE_RATE_DAC 100000L // 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 used in// the set_DACs routine.unsigned int PHASE_ADD = FREQUENCY * PHASE_PRECISION / SAMPLE_RATE_DAC;////////////自加////////////////unsigned long AD;//AD转换的值unsigned char temp_l;unsigned char temp_h;bit ReceiveBit;/*接收标志位*/unsigned char temp;////////////////////////////int code SINE_TABLE[256] = {0x0000, 0x0324, 0x0647, 0x096a, 0x0c8b, 0x0fab, 0x12c8, 0x15e2,0x18f8, 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, 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, 0x73b5, 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,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, 0xac65, 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, 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, 0xb8e4, 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);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 watchdog timerWDTCN = 0xad;OSCILLATOR_Init (); // Initialize oscillatorDAC0_Init (); // Initialize DAC0PORT_Init ();Timer3_Init (SYSCLK / 1200 );ADC_Init();UART0_Init();AMX0SL =0x00; //选择通道AIN0TIMER4_Init(SYSCLK/SAMPLE_RATE_DAC);// Initialize Timer4 to overflow// <SAMPLE_RATE_DAC> times per// secondEA = 1; // Enable global interrupts ES0 =1;//串口中断使能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(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;/*使能交叉开关*/P2MDOUT =0xff;//XBR0 = 0x04; /*使能UART0*/// XBR1 = 0x00;// //XBR2 = 0x40; /*使能交叉开关和弱上拉*/ // P0MDOUT |= 0x01; /*使能TX0作为推挽输出*/ // P1MDOUT |= 0x40; /*时能P1.6 (LED)作为推挽输出*/// P3MDOUT |= 0xdf;XBR0 = 0x04;/*使能UART0*/}//函数功能: 定时器3初始化//入口参数: int countsvoid Timer3_Init (int counts){TMR3CN = 0x00;TMR3RLL = -counts; //初始化重载值TMR3L = 0xffff; //设置自动重载值TMR3CN |= 0x04;}//函数功能: ADC0初始化void ADC_Init(void){ADC0CN |=0x84;/*ADC0使能，定时器3溢出使能模/数转换*/REF0CN |=0x03;/*内部电压基准提供从VREF脚输出，ADC0电压基准取自VREF0*/ADC0CF |=0x50;/*转换周期和增益为1*/AMX0CF |=0x00;/*单端输入*/EIE2 |=0x02;/*ADC0转换结束中断*/}//函数功能: AD中断服务程序void ADC_ISR (void) interrupt 15{AD0INT=0;//清A/D中断标志temp_l=ADC0L;temp_h=ADC0H;AD=temp_h*256+temp_l;}void UART0_Init (void){SCON0=0x50; //串口方式1TMOD=0X20; //选用定时器1作为波特率发生器TH1=0xF4;TL1=0xF4;PCON=0x80;//波特率为9600TR1=1; //定时器启动}void UART0_ISR (void) interrupt 4{//if(TI0) //是发送中断还是接收中断// {//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 value that is written to DAC1 during this ISR call is// actually transferred to DAC1 at the next Timer4 overflow.////-----------------------------------------------------------------------------void TIMER4_ISR (void) interrupt 16{static 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//-----------------------------------------------------------------------------//-----------------------------------------------------------------------------// OSCILLATOR_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 counterOSCXCN = 0x67; // Start external oscillator with// 22.1184MHz crystalfor (i=0; i < 256; i++) ; // Wait for osc. to start upwhile (!(OSCXCN & 0x80)) ; // Wait for crystal osc. to settleOSCICN = 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 the the VREF buffer.////-----------------------------------------------------------------------------void DAC0_Init(void){DAC0CN = 0x94; // Enable DAC0 in left-justified mode// managed by Timer4 overflowsREF0CN |= 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.////-----------------------------------------------------------------------------void TIMER4_Init (int counts){T4CON = 0x00; // Stop Timer4; Clear overflow flag (TF4);// Set to Auto-Reload ModeCKCON |= 0x40; // Timer4 counts SYSCLKsRCAP4 = -counts; // Set reload valueTMR4 = RCAP4; // Initialzie Timer4 to reload valueEIE2 |= 0x04; // Enable Timer4 interruptsT4CON |= 0x04; // Start Timer4}//-----------------------------------------------------------------------------// Set_DACs//-----------------------------------------------------------------------------//// Return Value : None// Parameters : None//// Calculates the update values for the two DACs using SINE_TABLE. The DACs // will actually be updated upon the next Timer4 interrupt. Until that time,// the DACs will hold their current value.////-----------------------------------------------------------------------------void Set_DACs(void){static unsigned phase_acc = 0; // Holds phase accumulatorint SIN_temp; // Temporary 16-bit variablesunsigned char index; // Index into SINE tablephase_acc += PHASE_ADD; // Increment phase accumulator index = phase_acc >> 8;SIN_temp = SINE_TABLE[index]; // Read the table value// Add a DC bias to change the the rails from a bipolar (-32768 to 32767)// to unipolar (0 to 65535)// Note: the XOR with 0x8000 translates the bipolar quantity into// a unipolar quantity.DAC0 = SIN_temp ^ 0x8000;}//-----------------------------------------------------------------------------// End Of File。
