基于MAX038的程控信号发生器的
设计
领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计
与实现
分类号:‖ 单位代码:
密级: 学号:妒如白
?‖茧力孥 硕士学位论文 论文
题
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作者姓名
丝儡
学院名称
物丝望垂
专业名称丝垒堕墨当鱼链生墨孚
指导教师
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合作导师
鏊酶錾 弱幺乏口
关于学位论文使用授权的声明
本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和
电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东大学可以将本学位论
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论文作者签名:互、主导师签名
掣口舭坦墨沙口基于的程控信号发生器的设计与实现 陈伟
申请山东大学硕士学位口
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口
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概述?
信号发:器
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
传统信号发生器的设计原理
数字信号发生器的设计原理?
.信号发生器的设计方案
.主要技术指标
.?
设计方案第三章信号发生器的硬件平台设计
嵌入式系统硬件平台微处理器简介 一“微控制器核山东大学硕士学位沦文
波形发生器的电路设计..波形发生器的电路框图结构 波形发生器的电路基本原理外围硬件电路设计.电源电路? .电压控制电路?
.
减法电路??.负载电路解决方案口电路设计及布局要求? 第四章系统的软件设计?.
.嵌入式系统程序设计方法?
.信号发生子程序的软件设计
的程序设计一 口
.系统软件编译环境及工具逻辑
分析
定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析
仪程序时序圈验证东大学硕士学位论文
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高精度且频率幅值可调的信号源在现代电子技术的研究殷应川领域中有 精广泛的应用。随着信息技术的进步,频道的分布益密粕,精度更高。稳定度 更高的通讯信号频率的地位就变的更加重要。本课题以芯片为背景展开, 提出了以处理器为控制器和以公司生产的函数发生
器为核心,进行高精度数字信号发生器的方案设计及实现。 随着计算机领域技术的同新月异,嵌入式系统已经逐渐成为该领域一个不可 替代的熏要组成部分。处理速度快,读写擦除方便,功能强大,是嵌入 巳
式处理器的理想选择。本文设计了山、、和
构成的程控信号发生器;研究了经由程序界面对的控制,继而完成 对输出电压的控制方法;最终实现了对输频率和占窑比的精 确调节;输出信号输出类型包括方波、正弦波和三角波,信号频率输出范围
为.
?,占空比为%%调。本系统通过可视化的程序界面可实现频率 和占空比的精确调节,通过接口电路实现上位机对信号发生嚣的通讯与控 制。 山于具有可视化、高稳定性、精确性的优点,该信号发生器可以各种洌
控场
所的需求,实现精确、稳定的信号输出。
文巾详细介绍了系统采用技术实现数字信弓发生器的平台和系统硬件的 没计;介绍了采用语占编译的系统软件;介绍了采用语言编译的系统控制 界面。经过电路测试和程序调试.该系统性能稳定,调节精确,操作简单,界面 人性,实埘性强。
关键词:,,程控,信呼发生器山东大学硕士学位论文
口山东大学硕士学位论文 ?丘 曲,
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随着计算机及电子技术的飞速发展.科学研究和生产生活对信号源的要求 益增高,信号发生器的性能也有了质的飞跃,稳定性、精确性都有了很大的提
高,
功能也同渐丰富,操作更加人性.简便。
口
国内信号发生器的发展现状
早在年代,信号发生器就已经作为一种测量仪器现在人们的生活中。随 着时代的进步.通讯技术以及收音机的发展,年代出现的信号发生器可用于
测
试雷达以及收音机的
标准
excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载
信号,从而使信号发生器完成了从定性分析到定量
分析
的质的转变。如此同时脉冲信号发生器走进了历史舞台,从而为人们测量脉
冲电
路提供了新的.具。但由于结构笨重复杂,功耗犬,早期的信号发生器不能满足
人们益发展的需求。年,第一台前部由晶体管组成的信号发生器进入了人
们的视野。出于半导体器件的推动.信号发生器在功能和结构上都出现了跨越式
的发展,进而产生了函数发生器。虽然十年代以来,信号发生器发展迅速,但
由于多数由分立原件或模拟电路构成。也带来了可避免的缺点,路结构复杂、
漂移较大、稳定性差,严重阻碍了信号发生器在精密测量领域的应用,同时,山口
以高稳定度石英振荡器作为标准频率源,经过锁相环或其他数字计算机技术,处
理和输出的大量离散频率。一般传统信号器都采用谐振法,通过产生弦振荡来
获得所需频率。】
随着科技的进步,无论是实验室还是日常生产生活中,都需要精度更高,稳
定性更好的信号源来满足我们的需求。数字信号发生器因具有甚至更高的频
率精确度,因此在应用中.占有越来越高的比重。
’
在国内外的市场上已经出现了很多功能丰富、可以发生多种波形信号、频带
宽、位数较高的信号发生器。如公司美国生产的射频信号发生器一
已经广泛的应用于实验室及各种信号发生场所,该信号发生器可以达到
范围的频率输出频率,并且可以实现频率、幅值、相位以及脉冲 调制的任意调整和组合:福禄克公司美国生产的频率合成信号发生器, 可以选到
频率输出范围
公司德国生产的的射频信号山东大学硕士学位论文
发生器.可以输出频率范用为一的信号;公司生产的
和分别可以达到/和/的采样率,并且具有频率以
及幅值调整,移频键控的功能: 公司生产的合成信号发牛器 和可以达到/和/的采样率,在具有如此商采样
率的基础上海具有频率、幅值、脉冲、扫描调制的助能。】 随着微电子技术,计算机技术以及通讯电子技术的快速发展,高性能的信号 发生器以及信号测试仪器也经历着前所未有的快速发展。在信号发生器快速
发展
的今天.我国企业的产品也经历着技术、体积、外观以及性能等各方面的变
革。
如香港创意公司生产的数宁化可编程信号发生器可以达到的聚样频率; 口
科奇公司生产的数字合成信号发生器 叮以达到嵋。的频率输出 范围,调整步距最小可达 州;沈阳宝新仪器仪表公司生产的的信发生器 一可以生成频率范围为 州的信号:金维公司成都生产的
通过波形编译器可以生成各种我们想要的波形.通过简睢的设簧就叮以生 成方波、三角波、矩形波等常见的波形,通过调;数据库巾的数据,还呵以对
建
立的波形进行频率,占空比、幅值、偏置量等各项参数的设定。在实验室以及阿
常生活中。信弓发生器已经越来越多的出现自人们的视野巾,并且起到电路至关
重要和其他仪器无可替代的作用。
本系统的开发目的
数字化,程序化,可视化调节足当今函数发生器的发展趋势。述信号发生
器功能强大,性能稳定,却不具有可视化的程序操作界而,无法宴施信号发生器
口
和机的即时通讯和信号传输。本系统选用为核心处理器,采用模块
搭建系统,系统可分为程序控制部分、电压输出部分、减法电路部分、信号发生
部分,方便系统搭建、查错以及单独部分的功能实现。具有可视化的程序控制界
面,操作方便,针对性强,成本低、高性价比等优点.棚对于现在市场成品,具
有无法比拟的优点。这也是开发木系统的日的及意义所在。山东大学硕士学位论文
论文的主要研究内容
本文的主要内容是基于的程控信号发生器的设计与实现。因此,
论文详细的叙述了以下的主要内容:
信号发生器的波形产生原理:
信号发生器的系统框架及硬件电路设计。系统采用单片机作
为控制电路核心.美倍公司生产的为信号发生苍片,并配以相应的外围
及接口电路,采用接口实现数据的及时通讯。使波形的调节实现及时性、
口
精确性以及稳定性。电路采用绘制。电路设计具有典型性,且模块化,方便
电路模块在其他系统中的移植应用,具有非常高的通用性以及实用性
数字信号发生器系统的软件设计。采用语言对单片机进行编程,编译
环境为 ,实现对单片机系统的控制及机对单片机的串口
通讯,编译环境方便单片机的程序测试与调试。上位机采用 进行界面设计
及实现,通过可视化,人性化的操作界面实现对下位机的及时控制。山东大学硕士学位论文
第二章信号发生器整体设计方案
概述
随着信号发生与测量技术的发展,对于信号发生器的要求也随之提高,数字
信号代替模拟信号,成为数字化测量技术的主流。数字信号相对模拟信号,具有
高精度.高准确度,高速率的优点,数字信号的发展直接的带动了一起的信号处
理能力。使用高精度的数字芯片作为信号发生器的核心部分的设计方法成为目前
的主流方式。
信号发生器方案传统信号发生器的设计原理
口
传统的信号发生器主要山以下部分构成:主振级、调制级、内调制级、振
荡器、监视器和电源等。原理图如下圈所示。
口
在整体的电路中,主振级的作用牛甘当于一个自激振荡器,是信号产‘的基本
部分,发生信号的特性特点都由主搋级束确定。它可以产生‘定频率的正弦信学
经过调制级,信号被处理后町放大,调制。最后经过输出级,调输出信号的电
变化范围。监视器主要用柬检霸号的渊制系数以及载波电平,电源用柬提供山东大学硕士学位论文
各部分所需要的电压,保证系统的电力供应及稳定运行。正弦波产生电路
为使电路产生稳定可靠的振荡,我们需要在放大电路中加入正反馈,使电路
产生我们所需要的特定频率和幅值的正弦波。因此电路基本机构是由反馈电路和
放大电路组成,其中正反馈电路是振荡电路的必要条件.也被称为相位条件。要
产生满足要求的弦波电路,必须满足相位条件、幅值条件,并且为保证输出波
形的稳定性、单一性,还需要具有选频以及稳幅特性。
?
’
正弦波一般由以一四部分构成,详细见下圈。
口山东大学硕士学位论文
口
当满足条件时,电路起振频率为工志。币弦电路一般用
于低频振荡,如果需要更高频率的发生电路.一般采用正弦电路,正弦发 ‘:上
生电路的振荡频率为~?。特点是具有较宽的频率范围、起振难度低,但 相对来说不够稳定,在需要万到几十兆的正弦波信号时有着鞍为广泛的应 。石英正弦发生电路由具有非常稳定的振荡频率,因此常被用于需要高稳定 口
振荡频率的仪器或场所。矩形波发生电路
采用电路和反向的会比较器便可组成矩形波产生电路,电路图如图 所示。
组成积分乜路.并使用滞回比较器为,关,便可形成矩形波产生电路 电路圈如下图所示
通过电阻和稳压管限制输出
幅值,如果二者的稳压值柑等的话,
电昱的正负幅值州等,再通过数据山东大学硕士学位论文
比较器和积分电路的作用.便可以获得我们所需要的矩形信号。 矩形发‘电路的周期等于下半周期和负半周期的和。通过电容的充放电以及 %型幽
。
“扣一%何
电容的三要素,我们可以求得电路的周期为‘
。
州一:帅:也;“?石‰:娟熹碓
因此一:三窖?,通过改变、或者、,我们可以调整电路
.
的振荡周期上述公式的推导是建立在凹 眦的基础上。若凹?“.则产口数字信号发生器的设计原理
在电子测量与信号发生领域,信号发生器作为一种常川仪器得到了广泛的应
用。长期以来,信号发生器王要有模拟屯子技术构成,由传统方法构成的信譬发
生器的性能不能满足人们同益发展的需求。并且电路中电容电阻的制造工艺也
随着要求的增加而变的益困难,稳定性。精确度。功耗等各方面制约着信号发
生器的发展与应用。近年来,随着技术的发展以及新型器件的涌现,信号发生器
迎来了新的发展机遇。美信公司制造的函数发生数字芯片,能够产生准
确度高、稳定性好的的正弦波、三角波和矩形波。机通过串口控制单片机程序.
通过/控制输出电压,最终形成芯片频率和占空比的精确控制,从而构成频率
々空比可在太范围内精确调整的信号发尘器。
信号发生嚣的设计方案
主要技术指标
?一作源:?【东大学硕士学位论文
?工作环境温度:??;
?工作环境湿度;不大于%:
?可输出方波、正弦波和三角波,且占空比频率连续可调; ?频率范围为.?洲:
》可通过界面通过串口通讯控制输出波形的频率和占空比。 .设计方案
基于的程控信号发生器主要由三部分组成,如下图所示。一部分是 程控界面以及串口通讯;第二部分是基于的硬件电压输出控制系统, ?
包括模块、、和山构成的减法电路;第三部分是主要由
芯片信号发生部分。系统的工作原理是由的、引脚控制 选择输出的波形.通过程序界面,调节写入的数值.进而调 节输出电压,再通过减法电路使输出电压的范围达到的范围要求,两路 电压信号分别连接的和引脚来控制的频率和占空
比。结构图如下。
圈碧匿目字山东大学硕士学位睦文
第三章信号发生器的硬件平台设计
嵌式系统硬件平台
嵌入式是指在计算机技术应用的基础上,配以合适的软件硬件基础,对功能. 功耗、体积、成本、可靠性都有严格要求的专用计算机系统。在常见的嵌入
式系
统中,位或者位微处理器有着广泛的应用,但山于运行速度,处理能力以及
功耗等问题,有着不可避免的缺点,在功能要求相对复杂的场所已经满足人
们的
阿常需求。
..傲处理器简介?
“是一款完全集成的混合信号片上系统的,主要特性如下: ?达到的微控制器内核,并且与完全兼容
》非侵入式的系统调试接口
口
?功能控制器,八个端点通道
?位的通道单分,差分.同时带有模拟多路器
?片内集成温度传感器和电压基准
?片内具有两个电压比较器
》高精度可编程的内部振荡器和倍时钟乘法器
?可在系统编程的存储器
》字节片内
巴
通过硬件实现的/、增强型的及串行接口
个通用的位定时器
?
“具有个捕捉和比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器
阵列
片内上屯复位,监视器和时钟丢失检测器
?个/端?’山东大学硕士学位论文
“是可以真正独立工作的片上系统,具有片内上电复位、电压调整 器、看门狗、监视器、时钟振荡器和电压调整器。”?用于非易失控的数据存 储的存储器可在系统内进行重新编程,且可以重新更新内部固件。在对外 设置方面用户可以通过软件进行完全的控制,可以通过软件编程关断外设,
以
达到降低功耗和节约能源的目的。山于片内具有
二线开发
接口,所以可以通过在不占用片内资源的情况下.进行非侵入式的系统调试。 的调试逻辑支持查看和修改寄存器和存储器,并且支持运行、停机、单 步和断点命令。在使用开发接口进行测试调整时,无论是模拟外设还是数字
外
设都可以在全功能的状态下运行。并且可以和用户进行功能共享.在不占用
封装
引脚的前提下进行系统功能调试。
采用一封装,允许的工作温度范围为一?到?,端口和
引脚可以承受信号的电压为,工作电压为..。峰值为,具有
的存储器,为字节,并且片内具有校准的 振荡器,
、./、增强型、端口、电源电雎调整器一应俱全。位的
定时器,可编程的计数器序列、位增强了的处理能力,
口
电压基准,温度传感器,电源电压调整器、模拟比较器保证了芯片的稳定工作
与
运行。原理框图如下图所示。山东大学硕士学位论文
一“微控制器核
口
采用 的专利.微控制器内梭.可阻和一
进行完全的指令兼容.可以使』、的编译器和汇编器进行软件不发,并 且具有所有的外设部件,其中包括一个双工,可以用来增强波特率的 设置,一个增强型的端口,个位的计数器/定时器.字节的存 储和字节的寄存器空间。
相对于原有的结构,一因为采用流水线结构,在运行速度上有了很 人的提高,在结构中,扫了指令和指令外,其他所有指令都需要 个设置个系统周期时钟,并且晟大的系统时钟频率为,这严重 影响了结构的处理效率和运行速度。而在一内核中,大音分的指令执行 所需要的系统周期时钟为或个,只有为数不多的条指令执行所需系统周期 时钟大:?个。一指令条数和执行所需系统岗期数的关系见下表格。山东大
学硕士学位论文
指令数,如
,执行周期数系列在一的基础上增加了改进,无论在内核还是在外设 方面,都有了很大性能的提高,在应用中有了更快的运行速度.更稳定的性
能。
在综合性能上,相对有了很大的提升。中断系统在扩展的基础上可以向提 供多达个系统电源,并且可以支持大量的无论数字还是模拟的外设中断微控
制
器。在控制中,对一个中断的驱动系统只需要提供较少的干预,因此系统具 有更高的运行速度和效率。这在实际应用中,如果遇到一个多任务系统时,
是非
常有效率的帮助。有上电复位电路、监视器、看门狗定时器、 软件强制复位、控制器、外部复位输脚、电压检测器、读,写错误 保护电路复位和时钟丢失检测器等个复位。在这个复位源中.除了、 复位和外部复位输入引脚之外,其他的复位都可以通过软件操作而被禁止。 片内时钟和复位电路如下图所示。
东大学硕士学位论文
.波形发生器的电路设计
.
波形发生器的电路框图结构
本系统设计的基于的程控信号发生器是山、、
,、、电源电路、控制电路构成的。通过调节跳线端的位置控制 的和端的商低电平柬选择波形:通过程序界面通过串口通讯 将调节电压所需要的数值写入,从而控制产生可控电压,经
过由构成的减法电路后,达到引脚控制电压的要求,分别接到 和端,分别控制波形的频率和占空比。
其波形发生电路原理圈结构图如下图所示。
避竺雨阖剖硒
一?一】??.蒯自
皇皇些堕堡:波形发生器的电路基本原理
口
可以产生精密的方波、正弦波、三角波等波形,只需要少数的外部 器件就可以纽成高精度,高稳定性的高频精密波形发生器。通过控制引脚电
流
的电压控制信号来控制信号发生频率,通过在
或者在引脚输入?
引脚输入? 的电压控制信弓可以在%到%的范【?内控制信号的占 空比。通过拄制输入和引脚的电』三信号,我们就可以得到确定频率 和占空的信号。输出波形的类型可以通过和两个端门的高低电平来选择。山
东大学硕士学位论文
通过与?。兼容引脚,的内部振荡器可以输出占空比为% 的波形同步系统中的器件,并且外部的乙时钟可以用来同步内部振荡器。 的主要特性如下:
?能产生正弦波、三角波、锯齿波、矩形波和脉冲波等波形: 》频率发生范围: 一;
》
占空比调节范围:%一%;
》频率、占空比通过、管脚分别调节;
》低失真正弦渡: %:
?低阻抗输出缓冲器:.:》频率扫描范围:比;
》低温度漂移:却/:
芯片引脚及引脚说明
芯片引脚见右图。引脚说明如下山东大学硕士学位论文
拟地。注意这盘个引脚内音未连接,必须将这血个引脚连接到靠近器
件的一个真实的地。口
模拟信号主要涉及弱小信号,而数字电路对乜平的限制要相对较高,所
以对电源的要求比起模拟电路来就低一些。在有的系统中,既存在数字电路,叉
存在模拟电路,而数字电路的噪声会对模拟电路产生,”重的影响,从而使模拟电
路的小信号的指标产生严重下滑,为避免此类问题的发生,再电蹄的设计中。一
般分别设置模拟地和数字地。在低频模拟电路中,为了抑制地线干扰的产生,一
般采用一点接地,并且地线设置时一般尽量短,尽量;.来防止地线的公共阻抗
和各个部件之间的相互干扰:在高频数字电路中,地线所产生的电感效应会对电
路产生,重的影响.而一点接地会导致地线的加.从而影响系统的性能和稳定
性,因此这种情况下,一般采用分不接地和一点接地相结合的方式。高频电路叶,
高频辐射噪声也是一个不可忽略的影响,为解决这一问题,设计中一般采用加丰
地线来降低噪卢对地阻抗。
为高频信号发生芯片,因此芯片的引脚必须连接到一个真实地
柬降低噪声对系统的影响,并且在实际电路设计中,要注意地线的宽度以及位置,
使噪声等其他因素对系统造成的影响降到最低。
内存【结构
下图为的结构用和电路原理图。芯片的基本振荡器为张弛振荡器.
电容被以恒定的电流不断的充放电,继而产生三角波和矩形波,通过萨弦波形
成电路,三角波变成了以低失真等幅正弦波信号。最终,三角波、矩形波和正弦
波都进入多路器,通过、管脚的高低电平来选择输出的波形。山东人学硕士学位论文
口
内部结构框图和基本应用电路
?
通过流入管脚的电流控制对的充放电可以改变发生信号的频率和占空
比,流入的电流通过芯片内部的.基准电压和外部电阻的阻值来控制,改
变电容值和电容的充放电电流可以控制振荡器的基础频率,通过确定的屯山东大学硕士学位论文
波形选择
通过调节、的高低点评,可以改变的输出波形,矩形波、征
弦波和三角波可根据引脚电平随时切换.输出波形切换具有及时性,任意性,
与
电路其他设嚣以及芯片其他管脚无关。
输出波形与、引脚高低电平的关系如下表所示
波形选择波形
口正弦波矩形波三角波
?
.
频率调解
输出频率孝调
管脚的电流值,管脚的电容值以及管脚的电雎值兰者的
联台作用可以确定输出信号的频率。当管脚上的电压为时,输 勺基波频率由以下公式决定,?/,由芯片内部的
基准电压以及外部电阻组成的闭环放大器迫使管脚成为虚拟地,因此可以通
过
乜压与一个电阻串联束驱动管脚,通过调节外部电阻的范围改变流入管脚 的电流值从而改变信号的频率,此时频率?×.
当管脚的电流值为?至 ,保持线性,当乜流值为“到“
时,芯片获得罐佳工作性能.当输出信号保持固定频率时,管脚的输入电流蛀 好设谶为 左右,并配以适当电容,一般电容的取值范尉在 ~
.
为使分布电容减最小,引线的长度必须尽量短。并?在管脚以及引线山东大
学硕士学位论文
周围,需使用一个接地平面来减小系统内其他信号对之路的耦合。此时温度
系
数晟低,而且在此工作条件下,当改变占空比时,频率的漂移最小。 输出频率细调
输出频率的细调是在管脚施加一?
的电压信号,可使输出频率
~.,即可以在%的范围内进行调节。
管脚为.基准电压输出,所以我们取外部电阻值为时. ?为
,取外部电容为,这样根据上述公式,输出中心频 。?
?产.
我们实际板子上采用的是电阻,当和管脚电压为时.中 心频率为 %。
,占空比为山东大学硕士学位论文
的值,即可改变芯片的输出频率。当为时,在 ?变化时, 就可在 ~的范围内变化。
.
占空比调节
通过控制管脚上的屯压可以控制输出信号的占空比,当施加 在管脚上的电压时,可以改变的充乜和放点电流,并且保持频率不变。当 到 之自变
管脚接地,时,占空比为%。当电蚯信号从
化时,可以实现输信号的占空比从%到%的范围内调节,在此范围内调节 占空比时.对输出频率的影响最小。电压的调节和占空比的变化基本维持线
性关
系,电压每变化,占空比大约实现 %的变化。占空比和电压的变化关系满足 下而等式::%一%× ,代表占空比。
另外通过片内 基准电源和连接在管脚上的呵变屯阻组
成的简单电路柬调节占空比,因为在管脚上有一?的恒流输入,所 以电阻值与管脚电压满足下列等式:“。当采
用电阻调节方法时,为保持更高的精度和更高的稳定性,和调节所 电阻必须为金膜电阻。
通过配置引脚的电路
可以减小正弦波失真程度。当
引脚接地时.『吁
空比为%?%,而正是因为不
是严格的%,所以会产牛偶此谐
波,为了防止偶此谐波的产生,减
口
少失真.可以在管脚上施
加一小于的电压,电路酗
如右圈所示,通过调整的阻值。
可以使正弦波的失真降到最小,从
而我们可以得到蛙为理想的波形。山东大学硕士学位论文
.外国硬件电路设计
..电源电路
、电源整体电路
本系统的电源采用交流电源供电,通过专用电源芯片产生、
、.精确直流电源用于驱动系统工作,电压通过芯片转换得来。
系统供电电源电路如下图所示。口
引脚图
引脚号 引脚符号 引脚功能
.
空脚储能电容正极接地
一
储能电容负极
负电压输出端