基于单片机电可调衰减器的设计.docx

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1、 毕业设计（论文） 题目: 基于单片机的电可调衰减器设计 专 业: 电子测量技术与仪器 班级: 10251 学号: 16 姓名: 张 杰 指导老师: 傅 林 成都工业学院 二一三年五月28 / 33 摘 要设计一个大功率电可调衰减器，实现由用户设定的特定功率信号的衰减，该衰减器以单片机实现控制，并且接受上位机的指令执行，从而实现电可调衰减量。 利用LabVIEW2011实现上位机的编程，ALTIUM 9.0实现电路图的绘制，KeilUV4实现单片机程序的编写，MULTISIM实现简单的衰减设计仿真，借助这些软件的仿真功能实现了系统软、硬件的交互仿真，性能测试表明该器件的步进量为0.1dB，衰减

2、动态范围为0110dB，并且可以经过对上位机指令的修改，从而实现扩充衰减的范围。通过仿真后，可根据仿真图做出实际的衰减器。关键词：可调，单片机，衰减器 Abstract Design a high-power electric adjustable attenuator, achieve the specific power signal attenuation, set by the user with single-chip microcomputer to control for the attenuator, instruction execution the and receive

3、the upper machine,so as to realize the electric adjustable attenuation. Using Labview2011 PC programming, ALTIUM 9.0 implementation circuit diagram drawing, KeilUV4 realize single chip microcomputer,MULTISIM attenuation design implement a simple simulation， write with the help of the software of sim

4、ulation function, realized the simulation of the interaction of the software and hardware system, the performance test show that the device step quantity of 0.1 dB, attenuation of 0 110 dB dynamic range, and can after modification of the upper machine instructions, so as to realize the scope of expa

5、nsion of attenuation. After the simulation, can make a practical single-chip microcomputer according to the simulation diagram.Key Words:Adjustable, MCU, attenuator 目录摘要IABSTRACTII第一章 绪论5 1.1 课题背景5 1.1 选题意义5 1.3 题目要求5 1.3.1 基本要求 5 1.3.2 发挥部分 5 1.4 目的5第二章 整体设计思路6第三章 硬件设计7 3.1 衰减器电路设计7 3.1.1 引言7 3.1.2

6、 整体结构及基工作原理7 3.1.3 衰减器形式7 3.1.4 衰减器的选择形式8 3.1.5 衰减器的仿真9 3.1.6 衰减器整体形式分类15 3.2 单片机电路设计20 3.2.1 MCU单元电路图20 3.2.2 单片机程序21 3.2.3 程序调试28第四章 软件设计 29 4.1 软件部分选择29 4.2 VASI的作用29 4.3 VISA配置串口用30 4.4 程序仿真33参 考 文 献35 第一章 绪论1.1课题背景 为了满足对系统衰减的需要，需设计一个衰减器，第一是对于幅值过大的电信号，进行衰减以后，作为下一级的输入信号；第二是衰减器的读数作为自动测试测试系统被测滤波器的衰

7、减量数据。 1.2选题意义任何通信或电子系统，在一些给定的点应该有一个正常范围的电平值，调节到正常电平值的部件就是放大器或衰减器。过低电平点是杂音引入点，过高电平点又将引起过载从而使放大部件出现不能容忍的非线性失真。通过衰减器把过高的电平引入到正常电平和需要的电平，让其更有利于系统正常的运行。1.3课题要求 设计制作一个大功率电可调衰减器，实现由用户设定的特定功率信号的衰减。步进量0.1dB ，最大衰减110dB，可以在220V、12A条件下工作。 1.3.1基本要求 （1）最大衰减110 dB；步进0.1 dB。 （2）实现51单片机控制，并且接受上位机的指令执行。 （3）功率满足要求。 （

8、4）工作频率范围为25Hz30MHz。 （5）输出波形幅度范围05V（峰-峰值），可按步进0.1V（峰-峰值）调整。 1.3.2发挥部分 （1）频率范围高端扩展至GHz。 （2）步进量小于0.01。 （3）考虑其他因素：如温度补偿、特性测试等。1.4目的 通过上位机发出信号给单片机，单片机对衰减网络的控制，从而实现需要的衰减量。 第二章 整体设计思路 通过对设计的理解，进行了分析，利用模块化设计容易满足题目的要求，主要分成三模块：上位机模块，单片机模块，衰减器模块，其中上位机称为软件部分，单片机和衰减器称为硬件部分。分别对每个模块进行仿真，最后使用串口线让上位机和单片机相连接，使用导线让单片机

9、和衰减器相连接。下面为总的设计图： 图（2-1）图（2-1）：通过上位机发出的指令控制微控制器的管脚，微控制器的输出信号直接影响衰减器的衰减量，同时对衰减器进行信号的输入，则可实现对信号的衰减。但是将衰减器和微控制器分离开来，这样就算没有控制器，通过手动也可以控制衰减器的衰减值。微控制器和上位机通过串口连接，通过上位机发送命令控制具体的衰减量，现在的笔记本电脑已经没有串口了，可以购买USB转串口线得以解决这个问题。 第三章 硬件设计 3.1衰减器硬件电路设计 3.1.1引言 程控步进衰减器是一种由外部控制的，可任意调整衰减量的无源微波器件，它的适用频率宽，精度高，重复性好，可调范围大，广泛使用

10、于微波合成信号源、矢量网络分析仪器、频谱分析仪等自动化测试仪器中，也可使用于各种需要实现微波信号电平调节的系统中。 3.1.2整体结构及基本工作原理 直通线 直通线 输入 输出 衰减片 衰减片 图（3-1）共16级由N个衰减单元组成，衰减量最高为（1、2、4、4）*10N（如：99=40+40+10+4+4+1）可组合为任意的衰减量。a)衰减器内部使用继电器选择直通或者衰减。继电器的直通时的电阻几乎为零，对于1000欧姆以上的负载，可以忽略不计。此种配制高频响应差。b）边缘线型传输线结构（边缘线型传输线最早由美国HP公司提出，广泛用于各类微波机械开关，微波步进衰减器等微波部件中）c）宽带高精度

11、衰减片结构衰减片按设计方案划分主要有集总参数和分布参数两大类。集总参数衰减片又分为T 型和型两种,其设计方法相对简单, 衰减量的控制可以通过控制分立电阻实现, 但其高频频响差, 很难应用到微波频段。微波宽带衰减器大多采用分布参数、薄膜电路设计。利用真空镀膜、化学刻蚀的方法, 将薄膜电阻做在很薄的陶瓷墓片或白宝石基片上。 d）与c)配置的衰减器可实现在DC18GHZ的宽带范围内，实现步进任一整数衰减，具有频带宽、误差量大、步进量小、衰减平坦度好等特点。整个衰减器直通插入损耗小于3dB,端口驻波小于2.0，衰减切换时间小于20ms。 3.1.3衰减器形式 固定衰减器的几种电路形式： 不平衡型 平衡

12、型 a）L型： R1 R1 U1R2 U2 U1 R2 U2RC1 RC2 RC1 R1 RC2 图（3-2a） 图（3-2b） L型衰减器主要用于阻抗变换 b）T型： R1 R1 R1 R1 U1 R2 U2 U1 R2 U2 RC1 RC2 RC1 R1 R1 RC2 图（3-3a） 图（3-3b） T型衰减器用于对信号的衰减c)型： R1 R1 U1 R2 R2 U2 U1 R2 R2 U2RC1 RC2 RC1 R1 RC2 图（3-4a） 图（3-4b） 型衰减器主要用于衰减d）桥T型： R1 R1 R2 R2 R2 R2 U1 R3U2 U1 R3 U2 RC1 RC2 RC1 R

13、2 R2 RC2 图（3-5a） R1 图（3-5b) 桥T型衰减器适用于对信号的衰减 上图中L型为不对称衰减器，主要用于阻抗变换，其中T型，型，桥T型为对称衰减器主要用于衰减。一端接地的称为不平衡衰减器，两端不接地的称为平衡衰减器。RC1为信号源内阻；RC2为负载电阻； 3.1.4衰减器的选择形式a）选择型的电路形式,选取平衡形式。如上图(3-4b)所示。+= 电压衰减倍数N=(U1/U2)，特性阻抗Zc b）硬件设计流程：先将每个衰减单元单独计算并仿真，观察是否能达到具体的衰减要求。达到要求后，再将这些衰减单元连接起来。c）计算： 衰减范围为（0.1110）分贝的设计与计算。衰减单元分别为

14、40dB，40dB，20dB,10dB，4dB，4dB，2dB,1dB，0.4dB,0.4dB，0.2dB,0.1dB，假定负载为1000欧姆。 对于型衰减器有： N= U1/U2 ， 公式3-1 R1=Zc *(N*N-1)/4N， 公式3-2 R2=Zc *(N+1)/(N-1)， 公式3-3 N为输入与输出的电压比； 3.1.5衰减器的仿真 各衰减单元的仿真如下： a）信号功率衰减为40dB，功率衰减为40=10lg(U1/U2). 由公式3-1： N= U1/U2 =10000， 假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 2499999.975， 由公式3-3：R2=1000.20

15、， 仿真图 仿真图1（3-6） b）信号功率衰减为20dB，功率衰减为20=10lg(U1/U2). 由公式3-1： N= U1/U2=100， 假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 24997.5， 由公式3-3：R2= 1020.202，仿真图 仿真图2（3-7） C）信号功率衰减为10dB，功率衰减为10=10lg(U1/U2). 由公式3-1： N=U1/U2=10， 假设：Zc=1000， 由公式3-2： R1= 2475， 由公式3-3：R2= 1222.222， 仿真图 仿真图3（3-8） d）信号功率衰减为4dB，功率衰减为4=10lg(U1/U2). 由公式3-1：N

16、=U1/U2=2.51189， 假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 528.446，由公式3-3：R2= 2322.848， 仿真图 仿真图4（3-9） e)信号功率衰减为2dB，功率衰减为2=10lg(U1/U2). 由公式3-1：N=U1/U2= 1.58489， 假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 238.483， 由公式3-3：R2= 4419.446， 仿真图 仿真图5（3-10） f)信号功率衰减为1dB，功率衰减为1=10lg(U1/U2). 由公式3-1：N=U1/U2= 1.25893， 假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 116.151， 由公

17、式3-3：R2= 8724.095， 仿真图 仿真图6（3-11） g)信号功率衰减为0.4dB，功率衰减为0.4=10lg(U1/U2). 由公式3-1：N=U1/U2= 1.09648， 假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 46.118， 由公式3-3：R2= 21729.685，仿真图 仿真图7（3-12）h）信号功率衰减为0.2dB，功率衰减为0.2=10lg(U1/U2). 由公式3-1： N=U1/U2= 1.25893，假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 23.035 由公式3-3：R2= 43435.816仿真图 仿真图8（3-13）i）信号功率衰减为0.1

18、dB，功率衰减为0.1=10lg(U1/U2). 由公式3-1： N=U1/U2= 1.58489，假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 11.512， 由公式3-3：R2= 86873.766， 仿真图 仿真图9（3-14） j）信号功率衰减为0.04dB，功率衰减为0.04=10lg(U1/U2). 由公式3-1：N=U1/U2= 1.25893，假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 4.604， 由公式3-3：R2= 217216.216， 仿真图 仿真图10（3-15） k）信号功率衰减为0.02dB，功率衰减为0.02=10lg(U1/U2). 由公式3-1：N=U1

19、/U2=1.04713，假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1=2.305， 由公式3-3：R2=433900.433，仿真图 仿真11（3-16） L）信号功率衰减为0.01dB，功率衰减为0.01=10lg(U1/U2). 由公式3-1：N=U1/U2=1.00231，假设：Zc=1000， 由公式3-2：R1= 1.154， 由公式3-3：R2= 866800.866，仿真图 仿真图12（3-17） 以上的几个基本衰减单元，选取其中的几个衰减单元，可以组成对0.01dB120dB之间的任意衰减！3.1.6衰减器整体形式分类 整体衰减电路分为110dB,11dB，1.1dB，0.11四

20、个等级衰减单元构成。 衰减器的电路图： 衰减总图（3-18） a）110dB单元电路 衰减图（3-18-1） b）11db单元电路 衰减图（3-18-2） c）1.1db单元电路 衰减图（3-18-3） d）0.11db单元电路 衰减图（3-18-4） 3.2单片机电路设计 3.2.1 MCU单元电路图单片机电路图 ULN 2003：是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。继电器：是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开

21、关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。MAX232芯片：是美信(MAXIM)公司专为RS-232标准串口设计的单电源电平转换芯片，使用+5v单电源供电。3.2.2单片机程序 将P1与P2口作为输出控制口，通过串口与上位机通讯 单片机程序部分： a)下位机对上位机传输的数据的验证/#ifndef _Check_H_#define _Check_H_extern unsigned int CRC16(unsigned char *Data, unsigned char Length);extern unsigned char XOR(unsigned char *P,unsign

22、ed char Length);#endif/filel name: Check.c/（1）、预置1个16位的寄存器为十六进制FFFF（即全为1），称此寄存器为CRC寄存器；/（2）、把第一个8位二进制数据（既通讯信息帧的第一个字节）与16位的CRC寄存器的低8位相异或，把结果放于CRC寄存器，高八位数据不变；/（3）、把CRC寄存器的内容右移一位（朝低位）用0填补最高位，并检查右移后的移出位；/（4）、如果移出位为0：重复第3步（再次右移一位）；如果移出位为1，CRC寄存器与多项式A001（1010 0000 0000 0001）进行异或；/（5）、重复步骤3和4，直到右移8次，这样整个8位

23、数据全部进行了处理；/（6）、重复步骤2到步骤5，进行通讯信息帧下一个字节的处理；/（7）、将该通讯信息帧所有字节按上述步骤计算完成后，得到的16位CRC寄存器的高、低字节进行交换；/（8）、最后得到的CRC寄存器内容即为：CRC码。/以上计算步骤中的多项式A001是8005按位颠倒后的结果。/多项式为( CRC-16 ): x16 + x15 + x2 + x0 (0x8005)/*/CRC16计算方法1;/功能： CRC16校验/*/unsigned int CRC_Check(unsigned char *P,unsigned char Length)/unsigned int CRC=

24、0xFFFF; /步骤1/unsigned char i;/while(Length-) /数据长度/CRC=(*P+)CRC; /步骤2/for(i=0;i=1;/CRC=0xA001; /else /CRC=1;/return CRC; /返回CRC/* /CRC16计算方法2;/功能： CRC16校验/*code unsigned int CRCTalbe =0x0000, 0xCC01, 0xD801, 0x1400, 0xF001, 0x3C00, 0x2800, 0xE401, 0xA001, 0x6C00, 0x7800, 0xB401, 0x5000, 0x9C01, 0x88

25、01, 0x4400;unsigned int CRC16(unsigned char *Data, unsigned char Length) unsigned int CRC = 0xFFFF;/初使化 unsigned char i; unsigned char temp; for (i = 0; i 4); CRC = CRCTalbe(temp 4) CRC) & 0x0F (CRC 4); return CRC;/*/异或计算方法2;/功能： 异或校验/*/unsigned char XOR(unsigned char *P,unsigned char Length)/unsign

26、ed char temp;/temp=*P; /将第一个数值赋值给临时变量./P+; /指向下一个数据/Length-; /因为将第一个数值赋值给临时变量，故减1；/while(Length-)/temp=temp(*P);/P+;/return temp;/b）下位机对上位机传输的数据验证后进行中断/#include #include Serial1.hunsigned char Receive_Buffer7;unsigned char Receive_OK;void Init_Serial1( void ) SCON = 0x50; /SCON: serail mode 1, 8-bit

27、 UART, enable ucvr TMOD|= 0x20; /TMOD: timer 1, mode 2, 8-bit reload PCON|= 0x80; /SMOD=1;TH1=0xF4; /Baud:9600 fosc=22.1184MHz TL1=0xF4;IE|=0x90 ; /Enable Serial Interrupt TR1=1; / timer 1 run /*/通过串口发送一组指定长度的字符，长度：由Length定义/*void Serial1_SendData(unsigned char *Data,unsigned char Length) ES=0;while

28、(Length0)SBUF=*Data;while(TI=0);TI=0;Data+;Length-;ES=1; /*/串口中断程序/*void serial1() interrupt 4 static unsigned char i=0; if(RI) RI=0; /清除标致/接收的数据格式为0xAA，0xAB,衰减高位，衰减低位， CRCH,CRCL,0xAC;if(SBUF=0xAA&Receive_Buffer0!=0xAA)/当收到0xAA,判断其是不是数据头Receive_Buffer0=SBUF;i=1;else Receive_Bufferi=SBUF;i+;if(i=7)i=

29、0;Receive_OK=0x0F; elseTI=0; c）单片机主程序/Design unit:/:Serial1.H/Description:使用时，要将Serial1.c添加到工程中，用于串口调试转换。/Limitations:晶体震荡器22.1184MHZ单片机型号：STC89C58RD+/ 串口波特率为：57600 /System:Keil V4/Author:/Revision:2012/10/31/#ifndef _SERIAL1_H_#define _SERIAL1_H_ extern unsigned char Receive_Buffer7;extern unsigned

30、 char Receive_OK; extern void Init_Serial1( void );extern void Serial1_SendData(unsigned char *Data,unsigned char Length); extern void serial1();#endif/#include#includeCheck.h#includeserial1.hsfr PortL=0x90;/定义端口低位sfr PortH=0xA0;/定义商品高位/函数声明unsigned int Decoding(unsigned int Attenuation);unsigned char Change(unsigned char Value);void main()unsigned int CRC;unsigned int temp;unsigned int Attenuation;/初使化函数Init_Serial1();/初使化变量Receive_OK=0x00; PortH=0x00;PortL=0x00;while(1)if(Receive_OK=0x0F)/表示接收完成Receive_OK=0x00;/清除标致if(Receive_Buffer0=0xAA&Receive_Buffer1=0xAB&Receive_Buffer6=0xAC)/