【基于單片機(jī)的磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)8800字（論文）】

基于單片機(jī)的磁場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄27207第1章前言 第1章前言1.1研究背景磁場(chǎng)測(cè)量在國(guó)防安全、軍事技術(shù)、工程、環(huán)境、考古、資源勘查、醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域均有著重要的意義。在這些電子設(shè)備中，放大電路的作用是將微弱的信號(hào)放大，以便于人們測(cè)量和利用。至今，在信息技術(shù)和微電子技術(shù)的不斷發(fā)展中，鑒于地磁信號(hào)特別微弱,輸出阻抗較高,而且一般均包含直流成分，在地磁信號(hào)的采集過(guò)程當(dāng)中還易受到肌電，心電等其他電生理信號(hào)以及周?chē)姶怒h(huán)境的干擾。地磁強(qiáng)度測(cè)試儀以其低噪聲、低非線性失真以及良好的匹配性等特點(diǎn)，成為現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的一種極為重要的放大器類型，在地磁信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，地磁強(qiáng)度測(cè)試儀也同樣占有重要地位。在許多生物電信號(hào)測(cè)試、高精度電位測(cè)量和物理電測(cè)量過(guò)程中，常常需要對(duì)一些高內(nèi)阻、弱信號(hào)傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行放大處理。處理的信息從直流成分到幾十赫茲帶寬內(nèi)，幾乎所有生物電信號(hào)的頻率范圍內(nèi)都混有工頻信號(hào)和工頻諧波干擾，因此設(shè)計(jì)地磁強(qiáng)度測(cè)試儀是很有現(xiàn)實(shí)意義的。1.2研究意義隨著社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展，斬波技術(shù)也得到了迅猛的發(fā)展，技術(shù)也越來(lái)越成熟。而且人們?cè)谌粘Ｉ钪行枰S時(shí)隨地準(zhǔn)確的傳遞多媒體信息，地磁強(qiáng)度測(cè)試儀又是上述通信系統(tǒng)和其它電子系統(tǒng)必不可少的一部分，其得到了廣泛的應(yīng)用。因此，地磁強(qiáng)度測(cè)試儀在地磁檢測(cè)系統(tǒng)中有著非常重要的作用，也有著非常好的市場(chǎng)前景。為此，進(jìn)行地磁強(qiáng)度測(cè)試儀的研究極具現(xiàn)實(shí)意義。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)成本低廉，拓展了直流地磁強(qiáng)度測(cè)試儀在其技術(shù)領(lǐng)域的用途，可以滿足一般生產(chǎn)科研實(shí)驗(yàn)要求，也可應(yīng)用于多種場(chǎng)合，具有推廣性。1.3系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案選用本設(shè)計(jì)由三個(gè)模塊電路構(gòu)成：前級(jí)放大電路(帶AGC部分)、后級(jí)放大電路和單片機(jī)顯示與控制模塊。1.3.1前級(jí)放大部分使用斬波運(yùn)算放大器，采用場(chǎng)效應(yīng)管作AGC控制可以達(dá)到很高的頻率和很低的噪聲，并能提高輸入阻抗。由于場(chǎng)效應(yīng)管放大器的輸入阻抗很高，因此耦合電容可以容量較小，不必使用電解電容器。當(dāng)輸入端為高電平時(shí)，N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管導(dǎo)通，輸出端與電源地接通。在該電路中，P溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管和N溝道MOS場(chǎng)效應(yīng)管總是在相反的狀態(tài)下工作，其相位輸入端和輸出端相反。場(chǎng)效應(yīng)管工作在可變電阻區(qū)，輸出信號(hào)取自電阻與V場(chǎng)效應(yīng)管與對(duì)的分壓。圖1.1場(chǎng)效應(yīng)示意圖1.3.2可控增益放大部分直接選擇可控增益放大器AD603實(shí)現(xiàn)，用電壓控制增益，便于單片機(jī)控制。AD603由一個(gè)可通過(guò)外部反饋電路設(shè)置固定增益GF（31.07~51.07）的放大器、0~-42.14dB的斬波精密無(wú)源衰減器和40dB/V的線性增益控制電路構(gòu)成。在1MHz斬波，最大不失真輸出為1Vrms時(shí)，輸出x信噪比為86.6dB。其內(nèi)部有梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯形網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號(hào)經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；而這個(gè)參考電壓可通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算被控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出控制電壓得到，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的控制。此外AD603能提供30MHz以上的帶寬，兩級(jí)級(jí)聯(lián)后得到40dB以上的增益，這種電路有優(yōu)點(diǎn)電路集成度高，條理清晰，控制方便，易于數(shù)字化處理。圖1.2增益電路圖1.3.3功率放大部分采用高速、地磁強(qiáng)度測(cè)試儀AD811作為后級(jí)放大。帶寬可以從30MHz到180MHz的調(diào)整V型和BW引腳之間連接一個(gè)電阻。電壓轉(zhuǎn)換速率為2500V/us。輸入阻抗為1.5兆歐，輸出阻抗為11歐姆。采用±15V電源、負(fù)載為200歐姆時(shí)，輸出的電壓峰峰值可以達(dá)到25V，有較強(qiáng)的后級(jí)驅(qū)動(dòng)能力，因此常用于功率放大電路中。采用AD811實(shí)現(xiàn)的另一種簡(jiǎn)單功率放大電路如圖3-25所示，通過(guò)采用兩片AD811組成橋式功率放大，驅(qū)動(dòng)后級(jí)負(fù)載。AD811的單位增益帶寬為140MHZ，擺率為2500V/uS，輸出電流可達(dá)100mA，采用集成運(yùn)放電路簡(jiǎn)單，干擾較少，很容易實(shí)現(xiàn)放大器的穩(wěn)定性和帶內(nèi)幅度穩(wěn)定的要求；該方案硬件、軟件簡(jiǎn)單，精度也很高。圖1.3橋式功率放大電路1.3.4有效值檢測(cè)部分采用集成真有效值變換芯片AD637，斬波寬允許測(cè)量200mV均方根、頻率最高達(dá)600kHz的輸入信號(hào)以及1V均方根以上、頻率最高達(dá)8MHz的輸入信號(hào)。AD637可以對(duì)輸出電平信號(hào)的以dB形式指示，可以測(cè)出任意波形交變信號(hào)的有效值。AD637的輸入電路受到保護(hù)，可以承受高于電源電平的過(guò)載電壓。如果電源電壓?jiǎn)适?，輸入信?hào)不會(huì)損壞輸入端。芯片AD637外圍器件少、頻帶寬，輸出有效值用A/D采樣來(lái)進(jìn)行單片機(jī)處理。取樣回來(lái)的輸出電壓經(jīng)過(guò)二極管和電容進(jìn)行峰值檢波，并經(jīng)過(guò)高精度運(yùn)算放大器進(jìn)行衰減和保持后輸入A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)進(jìn)行顯示，這樣精度可以得到保證，不過(guò)會(huì)有一定的管壓降，使用檢波用肖特基二極管大概會(huì)有0.2V壓降，完全可以通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行顯示上的補(bǔ)償。1.4系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)要求1.4.1地磁強(qiáng)度測(cè)試儀的基本原理該地磁信號(hào)強(qiáng)度測(cè)試儀的基本工作原理是利用STM32單片機(jī)作為微控制器。通過(guò)有效值檢波電路，將輸出電壓的有效值經(jīng)過(guò)AD轉(zhuǎn)換電路，把輸出模擬電壓有效值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給微控制器處理并顯示。輸入信號(hào)經(jīng)前級(jí)放大后經(jīng)一個(gè)射隨器進(jìn)入可控增益放大，其放大倍數(shù)由單片機(jī)通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換器調(diào)整AD603的控制電壓Vg。輸出電壓經(jīng)有效值檢波得到峰值電壓并反饋到單片機(jī)，經(jīng)運(yùn)算和線性補(bǔ)償?shù)玫接行е担瑫r(shí)由單片機(jī)推到液晶顯示出來(lái)。經(jīng)微控制器數(shù)據(jù)處理后，通過(guò)D/A輸出的電壓值調(diào)節(jié)程控放大器的放大倍數(shù)，使輸出值達(dá)到預(yù)設(shè)值，從而形成一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)。1.4.2設(shè)計(jì)目標(biāo)本文預(yù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)地磁強(qiáng)度測(cè)試儀，系統(tǒng)指標(biāo)具體要求如下所示：1、輸入阻抗不小于100Ω的情況下進(jìn)一步增大輸入阻抗，單端輸入，輸入電壓范圍:5mV-20mV。2、輸出阻抗不小于800Ω的情況下進(jìn)一步減小輸出阻抗，單端輸出，輸出電壓大于或等于2V。3、3dB通頻帶0-5MHz，在0-5MHz頻率內(nèi)增益起伏至小于或等于1dB;進(jìn)一步展寬通頻帶（0-10MHz），并使得輸出信號(hào)波形無(wú)明顯失真。4、最大增益呈60dB，增益可調(diào)范圍0-30dB。圖1.4整體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)圖第2章地磁強(qiáng)度測(cè)試儀系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1STM32主板電路分析2.1.1STM32的選用1STM32單片機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)STM32系列單片機(jī)對(duì)Cortex-M3內(nèi)核進(jìn)行了運(yùn)用，同時(shí)，在架構(gòu)方面也改進(jìn)了很多，這使得性能得到了提升的同時(shí)還使得代碼密度的Thumb-2指令集和中斷響應(yīng)的緊禍合嵌套向量中斷控制器得到了提高。該系列單片機(jī)片對(duì)512KFlash存儲(chǔ)器進(jìn)行了集成，7可以和PC上位機(jī)之間開(kāi)展指令和數(shù)據(jù)上的通訊，利用兩個(gè)12位的ADC，可以使得聲傳感器收集的信號(hào)由模擬轉(zhuǎn)化為數(shù)字，然后傳送到單片機(jī)IO上進(jìn)行運(yùn)算處理，該單片機(jī)支持低功耗的三種模式：工作模式、睡眠模式和停機(jī)模式，同時(shí)，還有快速的中斷控制器的內(nèi)置以降低中斷間的延遲時(shí)間。這類低功耗的工作模式非常適合在本系統(tǒng)中使用。芯片中有4種不同的封裝，分別為48腳到100腳，依據(jù)不同的封裝器件中的外設(shè)配置也不應(yīng)相同。芯片供電電壓為2V-2.6V，工作時(shí)的溫度為一40度至正150度。這類的單片機(jī)提高了性能，簡(jiǎn)化了復(fù)雜的編程，同時(shí)還提高了性能、降低了功耗和成本。2STM32單片機(jī)的引腳與接口電子技術(shù)之正在高速的發(fā)展，低電壓、高性能、通用性以及價(jià)格低廉作為STM32單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也保持了高集成度和開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)易的特點(diǎn)，讓STM32成為各類中小項(xiàng)目和完整平臺(tái)解決方案的理想選擇。STM32引腳圖如圖2.2所示，并且LQFP這種可靠性高的封裝作為STM32微控制器的封裝，使得單片機(jī)的穩(wěn)定性提高，這種封裝外形尺寸較小，寄生參數(shù)少，大多數(shù)管腳都可以具有復(fù)用功能。圖2.1STM32引腳圖2.1.2時(shí)鐘模塊電路本系統(tǒng)使用有源晶振是比較理想的選擇。當(dāng)輸入時(shí)鐘頻率較低時(shí)，可以使用STM32的內(nèi)部PLL調(diào)整STM32所需的系統(tǒng)時(shí)鐘，使系統(tǒng)運(yùn)行速度更快。核心板包含一個(gè)50MHz的有源晶振作為系統(tǒng)的時(shí)鐘源。為了得到一個(gè)穩(wěn)定、精確的時(shí)鐘頻率，有源晶振的供電電源經(jīng)過(guò)了LC濾波。圖2.1系統(tǒng)時(shí)鐘電路圖2.1.3復(fù)位電路STM32的復(fù)位引腳（Reset）連接高電平超過(guò)兩個(gè)機(jī)器周期，即可產(chǎn)生復(fù)位的動(dòng)作。以12MHz的始終脈沖為例，每個(gè)時(shí)鐘脈沖為1/12μs，2個(gè)機(jī)器周期為2μs。在運(yùn)行中，外界干擾等因素可使STM32的程序陷入死循環(huán)狀態(tài)或跑飛。為擺脫困境，可將STM32復(fù)位，以重新啟動(dòng)。因此，可在STM32復(fù)位引腳上連接一個(gè)可讓該引腳上產(chǎn)生一個(gè)2μs以上的高電平脈沖，即可產(chǎn)生復(fù)位的工作，如圖2.2所示。其中電容兩端并接的按鈕開(kāi)關(guān)的作用是手動(dòng)強(qiáng)制復(fù)位。圖2.2復(fù)位電路隨時(shí)間的增加，電容上面的電壓值慢慢增大，而RST引腳上的電壓值逐漸降低，當(dāng)RST引腳的電壓值降低至低電平時(shí)，89S51STM32恢復(fù)到正常狀態(tài)，稱為上電復(fù)位。2.1.4電源模塊采用3節(jié)5號(hào)電池進(jìn)行供電，由J10接入，其中前后兩組電容用來(lái)去耦濾波，使其供給芯片的電源更加干凈平滑。為了獲得標(biāo)準(zhǔn)的3.3伏電壓，在電路上加入SPY0029三端穩(wěn)壓器和兩個(gè)二極管，是為了防止誤將電源接反造成不必要損失而設(shè)置的。在操作過(guò)程中千萬(wàn)不要將電源接反，因?yàn)榉聪螂妷撼^(guò)一定值，二極管將會(huì)被損壞，達(dá)不到保護(hù)的目的。圖2.3電源模塊2.1.4晶振電路眾所周知，單片機(jī)的正常運(yùn)行離不開(kāi)時(shí)鐘元件產(chǎn)生的時(shí)鐘頻率。而常用的時(shí)鐘元件為晶體振蕩器，其產(chǎn)生的晶振是單片機(jī)所有指令正常執(zhí)行的前提陸智超，趙旦峰，朱鐵林.一種MSK調(diào)制解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)方案[J].黑龍江科技信息.2015(05)。這時(shí)的時(shí)鐘電路需要外界的定時(shí)原件來(lái)加以輔助，外部原件可通過(guò)XT2的進(jìn)出兩個(gè)端口與電路連接，從而產(chǎn)生自激振蕩。這個(gè)外部原件一般都是一個(gè)并聯(lián)諧振電路，其中包含石英晶振和瓷片電容。其電路圖如下3-5所示。陸智超，趙旦峰，朱鐵林.一種MSK調(diào)制解調(diào)器的硬件實(shí)現(xiàn)方案[J].黑龍江科技信息.2015(05)圖2.4單片機(jī)晶振電路2.2系統(tǒng)外設(shè)模塊電路2.2.1蜂鳴器采用壓電式蜂鳴器，壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成，當(dāng)接通電源后（1.5-15V直流工作電壓），多諧振蕩器起振，輸出1.5～2.5kHZ的音頻信號(hào)，阻抗匹配器推動(dòng)壓電蜂鳴片發(fā)聲。圖2.5音頻輸出電路圖2.2.2顯示器模塊最簡(jiǎn)單的顯示器可以使LED發(fā)光二極管，給出一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)量信息，為了實(shí)時(shí)的得到測(cè)量結(jié)果，該系統(tǒng)的人機(jī)接口就是液晶顯示。其內(nèi)部含七對(duì)達(dá)林頓放大管，其主要功能:當(dāng)輸入為高電平時(shí)，輸出為低電平；輸入為低電平時(shí)，輸出為高電平。每個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到CP端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后，8為二進(jìn)制數(shù)個(gè)部移入74LS164中，MR為復(fù)位端，當(dāng)該位為低電平時(shí)，移位寄存器各位復(fù)O。當(dāng)它為高電平時(shí)時(shí)鐘脈沖才起作用。圖2.6顯示電路2.3線圈式磁場(chǎng)傳感器測(cè)量2.3.1磁場(chǎng)探頭設(shè)計(jì)要準(zhǔn)確的測(cè)量出所測(cè)點(diǎn)的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)探頭的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要。當(dāng)線圈涉及的區(qū)域過(guò)大時(shí)，耦合到線圈內(nèi)部的磁通量為其體積內(nèi)的平均值，不能準(zhǔn)確反映出所測(cè)磁場(chǎng)的測(cè)量值，所以線圈的截面積要盡可能小，使線圈所限范圍內(nèi)的磁場(chǎng)能被看作是均勻的。但是如果線圈的截面積太小，又會(huì)降低測(cè)量的靈敏度。圖2.7磁通門(mén)探頭的結(jié)構(gòu)2.3.2數(shù)字激磁電路設(shè)計(jì)根據(jù)磁通門(mén)的工作原理，磁通門(mén)的探頭需要給激磁線圈通入一定頻率的交變電流，以使探頭達(dá)到周期性過(guò)飽和，這個(gè)交變電流就是所謂的激磁信號(hào)。通常激磁信號(hào)有正弦波、方波和三角波?？紤]到方波較易實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，所以本系統(tǒng)采用方波激勵(lì)。磁通門(mén)激磁電路包括頻率源和功率放大電路。頻率源用來(lái)產(chǎn)生頻率穩(wěn)定的信號(hào)，系統(tǒng)選用單片機(jī)產(chǎn)生的波形作為頻率源。功率放大電路選用高精度、低噪聲的運(yùn)算放大器。激磁電路如圖所示。圖2.8激磁電路由于激磁頻率是有單片機(jī)的定時(shí)器產(chǎn)生的，故該頻率是程序可調(diào)的。當(dāng)更換探頭時(shí)，能很方便地改變探頭的最佳激磁頻率。2.3.3磁場(chǎng)信號(hào)采集電路由于磁通門(mén)處理電路輸出的是模擬的電壓信號(hào)，為了便于單片機(jī)進(jìn)行數(shù)字化處理，所以需要先將模擬信號(hào)進(jìn)行A/D采樣，轉(zhuǎn)化為數(shù)字電平。AD7705順應(yīng)了集成化、;高精度、多功能、自動(dòng)補(bǔ)償和自動(dòng)校準(zhǔn)的發(fā)展要求，集放大、濾波和A/D轉(zhuǎn)換單元于一體，只需接晶體振蕩器、精密基準(zhǔn)源和少量去耦電容即可連續(xù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。因此本次設(shè)計(jì)中AD7705的數(shù)字電源采用5V供電，既避免了控制信號(hào)的電平轉(zhuǎn)換和兩個(gè)電源之間不必要的干擾，又減少了硬件電路所采用的器件。由于系統(tǒng)的測(cè)量范圍是，而系統(tǒng)分辨率要達(dá)到，如果用內(nèi)部自帶的電壓基準(zhǔn)顯然不夠，所以設(shè)計(jì)運(yùn)用了一塊專門(mén)的電壓基準(zhǔn)芯片LM4040提供高精度的4.09V電壓基準(zhǔn)。圖2.9磁場(chǎng)信號(hào)采集電路2.4磁通門(mén)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)2.4.1放大電路為了產(chǎn)生較大的磁場(chǎng)，需要使用大電流來(lái)激勵(lì)線圈，因此必須對(duì)激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。一般的，采用功率運(yùn)放來(lái)對(duì)信號(hào)進(jìn)行功率放大。放大電路是對(duì)差分信號(hào)進(jìn)行放大，而對(duì)共模信號(hào)進(jìn)行抑制，且其具有抗干擾能力強(qiáng)，漂移小、級(jí)與級(jí)之間易于直接耦合等優(yōu)點(diǎn)。圖2.10差分放大電路上圖中管為差分放大電路提供穩(wěn)定的電流，與管作為差分輸入對(duì)管，而電流源、作為負(fù)載，這種電路結(jié)構(gòu)是實(shí)際電路設(shè)計(jì)中使用最廣泛的一種電路結(jié)構(gòu)，是把差分放大電路的雙端輸出轉(zhuǎn)換成單端輸出的一種行之有效的電路結(jié)構(gòu)。第一級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將DAC0832輸出的電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)V1，第二級(jí)運(yùn)算放大器的作用是將V1通過(guò)反向放大電路放大-（R2/R1）倍。在第二個(gè)運(yùn)算放大器的輸出端連了一個(gè)20K的電位器。通過(guò)電位器來(lái)調(diào)節(jié)波形振幅的大小，同時(shí)在輸出端接到地磁強(qiáng)度測(cè)試儀的輸入端，通過(guò)地磁強(qiáng)度測(cè)試儀觀察產(chǎn)生的波形。2.4.2濾波器設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，由于信號(hào)頻率較低，因此濾波器設(shè)計(jì)成為本電路的關(guān)鍵。為了滿足題目帶寬要求，同時(shí)抑制高頻干擾。在可控增益放大部分之后加入一個(gè)低通濾波器。低通濾波器采用一個(gè)無(wú)源LC濾波器，它是利用電容和電感元件的電抗隨頻率的變化而變化的原理構(gòu)成的。為了使通帶內(nèi)的信盡量平坦，選用通帶比較平坦的巴特沃斯濾波器。2.3.3有效值檢測(cè)模塊幅值的檢測(cè)主要通過(guò)有效值檢測(cè)芯片AD637實(shí)現(xiàn)，它可以測(cè)量任意波形的有效值。AD637是有效值/直流變換芯片，它可測(cè)量的有效值可達(dá)到7V，精度優(yōu)于0.5％，準(zhǔn)確度為±0.05%RDG＋0.25mV，輸入阻抗為100M?，且外圍電路少，頻帶寬。但是該器件不適合測(cè)量高于8Mhz的信號(hào)。AD637通過(guò)檢測(cè)13腳的輸入信號(hào)得到其有效值，再將其有效值通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC5510，轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，送給控制器處理。真有效值檢測(cè)電路圖如圖2.11所示。圖2.11真有效值檢測(cè)電路2.4.4頻率補(bǔ)償電路從傳感器檢測(cè)到的交變磁場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)首先需送入電壓跟隨器，起到緩沖的作用。本文設(shè)計(jì)采用的頻率補(bǔ)償為接入電容與電阻串聯(lián)的方式，其電路圖如圖3.2所示，其中電阻是由NMOS管組成，Vout1接輸入差分放大電路的輸出，Vf接多級(jí)放大器的第二級(jí)。圖2.12頻率補(bǔ)償電路圖2.4.5振蕩電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的振蕩電路采用RC振蕩電路，如圖2.13所示可以將振蕩電路分為三部分:第一部分是正弦振蕩電路，將采用RC環(huán)形多諧振蕩器，在簡(jiǎn)單環(huán)形振蕩電路中引進(jìn)RC電路作為延時(shí)環(huán)節(jié)，形成RC環(huán)形多諧振蕩器。第二部分是產(chǎn)生方波，由正弦波到方波可以通過(guò)與非門(mén)再經(jīng)過(guò)非門(mén)反向得到。第三部分是三角波產(chǎn)生，三角波可以通過(guò)一個(gè)積分電路對(duì)方波進(jìn)行積分得到。圖2.13振蕩電路的總體框圖在數(shù)字電路中常采用多諧振蕩器的矩形波作為系統(tǒng)的時(shí)鐘脈沖，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的狀態(tài)變化，也可以用來(lái)計(jì)數(shù)。RC環(huán)形多諧振蕩器由三個(gè)非門(mén)和電阻、電容元件就可以組成。第3章軟件程序設(shè)計(jì)與仿真3.1EDA概述3.1.1VHDLVHDL已經(jīng)成為系統(tǒng)描述的國(guó)際公認(rèn)標(biāo)準(zhǔn)，得到眾多EDA公司的支持，越來(lái)越多的硬件設(shè)計(jì)者使用VHDL描述數(shù)字系統(tǒng)。各種硬件描述語(yǔ)言中，VHDL

的抽象描述能力最強(qiáng)，因此運(yùn)用VHDL進(jìn)行復(fù)雜電路設(shè)計(jì)時(shí)，往往采用自頂向下結(jié)構(gòu)化的設(shè)計(jì)方法。3.1.2開(kāi)發(fā)軟件在設(shè)計(jì)中，本人用的開(kāi)發(fā)軟件是QuartusII。QuartusII作為一種可編程邏輯的設(shè)計(jì)環(huán)境,由于其強(qiáng)大的設(shè)計(jì)能力和直觀易用的接口，越來(lái)越受到數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的歡迎。QuarttusII不僅支持VHDL、Verilog、AHDL語(yǔ)言，原理圖的設(shè)計(jì)，且支持多種語(yǔ)言嵌套使用。能直接調(diào)用這些工具。QuartusⅡ編譯器的主要任務(wù)是對(duì)設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)行檢查并完成邏輯綜合，同時(shí)將項(xiàng)目最終設(shè)計(jì)結(jié)果生成器件的下載文件。3.2主流程仿真設(shè)計(jì)3.2.1A/D轉(zhuǎn)換值處理如圖3-1可知，當(dāng)有溫度數(shù)據(jù)采樣到時(shí)，調(diào)用溫度均值處理程序，以防在采樣過(guò)程中外界干擾而造成采樣數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。然后確定溫度系數(shù)，使采樣轉(zhuǎn)換得到的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成溫度值，并進(jìn)行十進(jìn)制轉(zhuǎn)換，用于顯示和PID計(jì)算。其中均值處理是一個(gè)比較重要的過(guò)程，是A/D轉(zhuǎn)換前必須進(jìn)行的工作。圖3.1A/D處理流程圖3.2.2分頻模塊仿真通過(guò)設(shè)置功能仿真，檢查代碼的正確性。由于STM32內(nèi)部提供的時(shí)鐘信號(hào)頻率大約為50MHz，在這需要將它轉(zhuǎn)化成1Hz的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)供數(shù)字鐘的計(jì)時(shí)顯示；在此采用了級(jí)聯(lián)分頻法。圖3.2分頻模塊波形仿真圖右上圖可以知道，計(jì)數(shù)寄存器count累加到23999時(shí)，重新變?yōu)?，共計(jì)數(shù)了24000個(gè)值。觸發(fā)clk1跳變，使得count1加一，count1累加到499的時(shí)候，下一個(gè)數(shù)據(jù)為0，共計(jì)數(shù)500個(gè)值。所以，sec信號(hào)的頻率為1Hz，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.3鍵盤(pán)模塊仿真鍵盤(pán)模塊的脈沖輸入來(lái)自分頻模塊。其中，輸入端口為兩位二進(jìn)制數(shù)，分別接兩個(gè)按鍵，來(lái)對(duì)預(yù)設(shè)溫度進(jìn)行加減調(diào)控。輸出有兩個(gè)端口，xianshi端口作為保留端口，存儲(chǔ)著當(dāng)前預(yù)設(shè)溫度的數(shù)值，可外接顯示設(shè)備。圖3.3按鍵模塊仿真圖圖中，shuru（1）為頻率減按鍵，shuru（0）為頻率加按鍵，相應(yīng)的預(yù)設(shè)溫度對(duì)應(yīng)相應(yīng)的ADC0809輸出值，由圖2得，當(dāng)預(yù)設(shè)頻率為15.625KHz時(shí)，對(duì)應(yīng)換算后的ADC0809輸出數(shù)據(jù)為97，與計(jì)算相符。鍵盤(pán)輸入模塊工作正常。3.2.4顯示模塊仿真編譯程序，進(jìn)行功能仿真，記錄仿真圖形：圖3.4顯示模塊仿真圖通過(guò)上面的圖可以知道，LED數(shù)碼管是通過(guò)掃描的方式實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)更新，通過(guò)dig，seg寄存器的數(shù)據(jù)可以知道，數(shù)據(jù)能正常顯示，滿足設(shè)計(jì)要求。3.2.5激勵(lì)模塊激勵(lì)模塊的作用是產(chǎn)生一個(gè)激勵(lì)信號(hào)，用來(lái)激勵(lì)傳感頭產(chǎn)生磁通門(mén)信號(hào)，它其實(shí)就是系統(tǒng)時(shí)鐘的一個(gè)分頻信號(hào)。系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為50MHz，因此對(duì)它進(jìn)行3200分頻就能得到頻率為15.625KHz的激勵(lì)信號(hào)。用Modelsim仿真軟件對(duì)激勵(lì)模塊進(jìn)行仿真，得到的仿真時(shí)序圖如圖3.5：圖3.5激勵(lì)模塊仿真時(shí)序由圖3.5可見(jiàn)，產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)的周期為64us，也就是頻率為15.625KHz，符合設(shè)計(jì)要求。3.2.6D/A控制模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)選用的AD7849只有串行接口工作方式，它的工作時(shí)序圖如圖3.6：圖3.6AD7849工作時(shí)序SYNC的上升沿距第16個(gè)SCLK的下降沿最小距離為70ns。CLR為清零輸入，高電平時(shí)它將模擬輸出清零，本文使CLR保持低電平。D/A控制模塊經(jīng)過(guò)QuartusII綜合后得到RTL視圖如圖3.7。圖3.7D/A控制模塊仿真時(shí)序3.3仿真驗(yàn)證敘述及效果分析3.3.1仿真電路根據(jù)電路原理圖，在Multisim里畫(huà)好設(shè)計(jì)好的電路原理圖，畫(huà)好電路原理圖之后運(yùn)用Multisim軟件進(jìn)行仿真。但仿真軟件所設(shè)定的數(shù)據(jù)以及仿真所出的波形只能作為一個(gè)參考，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意修改。仿真原理圖如圖3.8所示。圖3.8仿真電路原理圖取電感L1，L2的值為0.33UH0.1UH，只要開(kāi)環(huán)增益A>1，即可起振。若使振蕩頻率f=8MHz，有公式ω=1/得，此時(shí)電容C=800PF。為保證三極管能夠正常放大，要合理設(shè)置靜態(tài)偏置，取R1=10kΩ，R2=100kΩ，Vb=R2/（R1+R2），Ve=Vb-0.7，Ve=5V，Ve>Vb>Vc，發(fā)射級(jí)正偏，集電極反偏，三極管處于放大區(qū)。為了防止高頻信號(hào)干擾直流電源，故接一濾波電容C5以消除影響。由于頻率較高，如果在輸出端直接接地磁強(qiáng)度測(cè)試儀，由于地磁強(qiáng)度測(cè)試儀電容的影響，振蕩回路頻率將發(fā)生變化。為了減少地磁強(qiáng)度測(cè)試儀對(duì)振蕩回路的影響，故加入射級(jí)跟隨器。旁路電容C4、C6均取0.1uf，起到隔直通交的作用。仿真地磁強(qiáng)度測(cè)試儀顯示如圖3.9：圖3.98MHZ波形顯示加入緩沖級(jí)之后的仿真結(jié)果，可以看出正弦波明顯變得平滑，失真度變小，且輸出電壓峰峰值接近2V，但頻率未變，基本滿足實(shí)驗(yàn)要求。修改參數(shù)可以使震蕩頻率達(dá)到20MHZ，但是信號(hào)質(zhì)量不好，有嚴(yán)重的失真。原理圖如下圖3.10。圖3.1020MHZOTA振蕩器原理圖仿真地磁強(qiáng)度測(cè)試儀顯示如下。圖3.11地磁強(qiáng)度測(cè)試儀顯示圖3.1220MHZ信號(hào)質(zhì)量圖3.138MHZ信號(hào)質(zhì)量當(dāng)電容C很小時(shí)，輸出頻率可以達(dá)到很高（20MZH），但是輸出波形產(chǎn)生了越來(lái)越明顯的失真，如上圖所示。這說(shuō)明OTA正弦波振蕩器在很高振蕩頻率狀態(tài)下的反饋電壓中高次諧波分量較多，導(dǎo)致輸出波形差李靜，劉輝華.超低電壓正交壓控振蕩器設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī).2014(02)李靜，劉輝華.超低電壓正交壓控振蕩器設(shè)計(jì)[J].微電子學(xué)與計(jì)算機(jī).2014(02)3.3.2仿真運(yùn)行結(jié)果圖3.14仿真波形如圖3.14所示，經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)三極管靜態(tài)工作點(diǎn)、反饋元件、和震蕩回路可調(diào)電容，得出以上比較好的輸出波形。但這個(gè)仿真工具和實(shí)際會(huì)有所差別，所調(diào)試出的數(shù)據(jù)只能當(dāng)參考用，在實(shí)際調(diào)試時(shí)應(yīng)多加注意。結(jié)論通過(guò)廣泛查閱和研究分析文獻(xiàn)資料，根據(jù)各種情況提出了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案，