精密函数波形发生器

河南科技学院

——届本科毕业论文（设计）

论文题目：精密函数波形发生器

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摘 要

本文介绍一种用MCS-51单片构成的发生器，其线路简单，结构紧凑，价格低廉。在本电路基础上配上键盘控制和LED显示器，则可对波形输出频率通过修改软件进行预设和显示。该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波，通过键盘控制可以改变输出信号的频率和幅度。输出信号幅度在0-5V连续可调，输出电阻<120∩，输出频率10HZ-10KHZ。

关键词：

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波形发生器，直接数字频率合成技术，单片机

Broadband Waveform generator function with precision

This article introduced one kind uses the MCS-51 monolithic constitution the generator. Iits line is simple, the structure is compact,and the price is inexpensive. The profile production is carries out some profile through AT89S51 to have the procedure, has the data to the D/A switch input end according to certain rule, thus obtains the corresponding voltage waveform in the D/A switching circuit out-port.

Keywords: Waveform Generator，monolithic integrated circuit，Microcontroller

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目 录

1 绪论............................................................................................................................ 4 2. 波形发生器的理论分析与设计方案....................................................................... 4 3. 硬件系统设计........................................................................................................... 4 3.1单片机功能模块 .................................................................................................. 4 3.1 .1AT89S51单片机的选取与分析 ................................................................................. 5 3.1.2 复位电路........................................................................................................................... 6 3.1.3 时钟电路........................................................................................................................... 6 3.2 键盘显示系统硬件电路设计 ............................................................................. 7 3.2.1 基于8279芯片的键盘显示电路分析与设计 ..................................................... 7 3.2.2 键盘控制电路设计 ....................................................................................................... 8 3.2.3 数码显示电路设计 ....................................................................................................... 8 3.3 数模转换电路的分析与设计 ............................................................................. 9 3.3.1 DAC0832芯片的选取分析 ....................................................................................... 9 3.3.2 集成电路运算放大器LM358的功能分析 ........................................................ 10 3.4电源电路设计 .................................................................................................... 10 4 软件实现.................................................................................................................. 12 4.1主程序分析 ........................................................................................................ 12 4.2输出方波子程序：SQUN ................................................................................. 12 4.3输出三角波子程序：TRIAN ............................................................................ 13 4.4输出锯齿波子程序：SANTOO ........................................................................ 14 4.5输出正弦波子程序：SINE ............................................................................... 15 5 结束语...................................................................................................................... 16 致谢.............................................................................................................................. 16 参考文献...................................................................................................................... 17 附录 总电路图............................................................................................................ 19

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1 绪论

函数信号发生器是一种能够产生多种波形，通过对函数波形发生器的原理以及构成分析，可设计一个能变换出三角波、正弦波、方波的函数波形发生器。信号发生器采用模拟电子技术，由分立元件构成振荡电路和整形电路，产生各种波形，这种信号发生器的特性是受测量对象的要求所制约的。一般的传统发生器都是采用的谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。但也可以根据频率合成技术来获得所需频率。利用频率合成技术制成的信号发生器，被称为合成信号发生器。随着微处理器性能的提高，出现了由微处理器、D/A以及相关硬件、软件构成的波形发生器。它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比以往复杂。实质上它采用了软件控制，利用微处理器控制D/A,就可以得到各种简单波形。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。

2. 波形发生器的理论分析与设计方案

在测试与测量技术过程中，常用到已知函数波形的数字化生成，它在许多与测量有关的领域有着不可替代的作用。例如，数字化仿真，常被用于算法研究、模型研究、系统辨识或以蒙特卡罗法搜索模型与算法。

任意波形发生器出现以后，给人们提供的不仅是一个通用的基础技术平台，而是在人们面前打开了通往无限宽广空间的一扇门，使得人们对于信号波形的掌握与应用再也不必局限于简单的正弦波、方波等几种有限的波形了，它可以按照人们提供的测量序列产生出几乎任意形状的连续波形信号。

3. 硬件系统设计

根据课题要求，画出整个硬件系统的功能示意图如图1所示。从图1中可以看到本仪器的硬件系统主要分为以下几个模块：单片机功能模块、显示接口电路，波形变换DAC转换模块、放大电路和电源等。 3.1单片机功能模块

单片机模块：AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。

与单片机相连的是D/A电路功能：将波形样值的编码转换成模拟值，完成

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双极性的波形输出。D/A转换部分是由一片DAC0832数模转换器和两块LM358组成。DAC0832是一个具有两个输入数据寄存器的8位DAC。目前生产的DAC芯片分为两类，一类芯片内部设臵有数据寄存器，不需要外加电路就可以直接与微型计算机接口。另一类芯片内部没有数据寄存器，输出信号随数据输入线的状态变化而变化，因此不能直接与微型计算机接口，必须通过并行接口与微型计算机接口。DAC0832是具有20条引线的双列直插式CMOS器件，它内部具有两级数据寄存器，完成8位电流D/A转换，故不需要外加电路。0832是电流输出型，示波器上显示波形，通常需要电压信号，电流信号到电压信号的转换可以由运算放大器实现，可以实现双极性输出。

D/A转换器（数模转换器和运算放大器） Y AT89S51单片机 调频调幅控制 时钟电路 复位电路 电源电路模块 8279可编程键盘显示器芯片 位数码管LED显示模块 键盘控制电路（五个按钮）

图1 硬件电路的功能示意图

单片机向0832发送数字编码，产生不同的输出。先利用采样定理对各波形进行抽样，然后把各采样值进行编码，得到的数字量存入各个波形表，执行程序时通过查表方法依次取出，经过D/A转换后输出就可以得到波形。假如N个点构成波形的一个周期，则0832输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。重复输出N个点，成为第二个周期。利用单片机的晶振控制输出周期的速度，也就是控制了输出的波形的频率。这样就控制了输出的波形及其幅值和频率。

3.1 .1AT89S51单片机的选取与分析

该单片机的功能是形成扫描码，键值识别、键处理、参数设臵；形成显示段码；产生定时中断；形成波形的数字编码，并输出到D/A接口电路和显示驱

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动电路。

AT89S51外接12M晶振作为时钟频率。并采用电源复位设计。复位电路采用上电复位，它的工作原理是，通电时，电容两端相当于短路，于是RST引脚上为高电平，然后电源通过对电容充电。RST端电压慢慢下降，降到一定程序，即为低电平，单片机开始工作。

AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。AT89S51的P2口作为功能按钮和TEC6122的接口，P1口做为D/A转换芯片0832的接口。

此外，AT89S51设计和配臵了振荡频率可为0Hz并可通过软件设臵省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。 3.1.2 复位电路

复位电路如图2所示

图2 复位电路

控制引脚RST，引脚9，复位输入信号，振荡器工作时，该引脚上2个机器周期的高电平可以实现复位操作。本文采用上电复位，上电复位要求接通电源后，自动实现复位操作。图中电容C13和电阻R10对+5V的电源来说构成微分电路，使在刚启动电源时向RST引脚输入高电平信号，完成系统的复位操作。 3.1.3 时钟电路

时钟引脚XTAL1和XTAL2：XTAL1，引脚18，内部振荡器外接晶振的一个输入端，XTAL2，引脚19，内部振荡器外接晶振的另一个输入端。AT89C51内部有一个高增益的反相放大器，通过XTAL1和XTAL2引脚外接石晶振子、微调电容构成振荡器，该振荡器发出的脉冲直接送入内部时钟电路。本设计中

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Y1为石英振子，当选用石英振子时，电容通常选择30PF，振荡频率范围为1—12MHz，本实验选用12MHz。

时钟电路如图3所示。

IC112345678P3.313P3.212P3.515P3.414X1P10P11P12P13P14P15P16P17INT1INT0T1T0EA/VPX1X2RESETRDWRAT89S51P00P01P02P03P04P05P06P07P20P21P22P23P24P25P26P2739P0038P0137P0236353433322122232425262728C2VCC31X119X218RST930pXTAL6MC3X230pP3.71716RXDTXDALE/PPSEN10P3.011P3.13029

图3 时钟电路

3.2 键盘显示系统硬件电路设计

显示电路：其主要功能是驱动8位数码管显示，扫描按钮。由集成驱动芯片8279、8位共阴极数码管和5个按钮组成。当某一按钮按下时，扫描程序扫描到之后，通过P0口将数字信号发送到 8279芯片。8279可按其功能分为：键盘功能块；显示功能块；控制功能块；与CPU接口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器，定时和控制，扫描计数器三部分，它主要用来控制键盘和显示功能块工作。

3.2.1 基于8279芯片的键盘显示电路分析与设计

8279是Intel公司生产的通用可编程键盘/显示器接口芯片。8279可实现对键盘/显示器的自动扫描，并识别键盘上闭合键的键号。这样不仅可节省CPU对键盘/显示器的操作时间，而且显示稳定，程序简单，不会出现误动作。

8279可按其功能分为:键盘功能块；显示功能块；控制功能块；与CPU接口功能块控制功能块包括控制和定时寄存器，定时和控制，扫描计数器三部分，它主要用来控制键盘和显示功能块工作。8279能自动完成键盘输入和显示控制两种功能。键盘控制部分提供一种扫描工作方式，可与64个按键的矩阵键盘连接，能对键盘进行自动扫描、自动消抖、自动识别出按下的键并给出编码，能同时按下双键或Ｎ键实行保护，其接收键盘上的输入信息存入内部FIFO缓冲器，并可在有键输入时向CPU请求中断。8279提供了按扫描方式工作的显示接口，其内

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部有一个168的显示缓冲器，能对8位或16位LED自动进行扫描，将显示缓冲器的内容在LED上显示出来。8279通过74LS 138译码器扩展4×4键盘、6位显示器。由3-8译码器对SL0～SL2译出键扫描线，由另一3-8译码器译出显示器的位扫描线，并采用了编码扫描方式。为了防止出现重键现象，扫描输出线高位SL3不参加键扫描译码。CPU对8279的监视采用了查询方式，故8279的中断请求信号IRQ悬空未用，整个电路结构见图4。

图4 8279芯片的键盘显示电路

3.2.2 键盘控制电路设计

矩阵式键盘也称为行列式键盘。行线通过上拉电阻接到VCC电源上，列线上逐列给低电平，如果有键按下，相应的行线就能够接收到低电平，据此就可以判断出相应的键值。单片机中所需按键较少,多采用独立式键盘。此种键盘结构简单,每只按键接单片机的一条I/O线,通过查询即可示别出每只按键的状态来。但由于本系统按键较多,在这里采用矩阵式排列键盘,如图所示,这样可以合理应用硬件资源,把16只按键排列成4*4矩阵形式,用一个8位I/O口控制,如图所示。把键盘上的行和列分别接在IOA0~IOA3和IOA4~IOA7 先臵IOA0~IOA3为带数据缓存器的高电平输出,臵IOA4~IOA7为带下拉电阻的输管脚,此时若有键按下,取IOA4~IOA7的数据将得到一个值,把此值保存下来,再臵IOA4~IOA7为带数据反相器的高电平输出,臵IOA0~IOA3为带下拉电阻的输入管脚,此时若键仍没弹起,取IOA0~IOA3的数据将得到另一个值,把这两个值组合就可得知是哪个键按下了,再通过查表得到键值。 3.2.3 数码显示电路设计

本设计中将第一个74LS164的A、B联在一起，接收由单片机串口送来的信号，它的Q7输出端又与下一个164的A、B端联在一起，以此类推，实际组成了N8位的移位寄存器，与数码管联接，可同时显示多位数字。在设计中为了

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节省芯片资源，采用了汇编语言实现了日期和时间分屏，仅采用六个74164驱动六位的数码管，显示由于数码管实际上是由多个正常工作电压为3V的发光二极管组成的，系统没有必要单独为数码管提供电源，而是直接从主电源上引出一路为数码管供电，在实际应用中，可以在数码管电源与系统主电源之间加上三个二极管来降压，刚好使其端电压为3V左右，符合数码管长时间工作的要求。数码管显示电路的具体联接方式图6所示。

图5 键盘控制电路

图6 4位数码显示电路

3.3 数模转换电路的分析与设计 3.3.1 DAC0832芯片的选取分析

DAC0832由8位输入寄存器、8位DAC寄存器和8位D/A转换电路组成。输入寄存器和DAC寄存器作为双缓冲，因为在CPU数据线直接接到DAC0832的输入端时，数据在输入端保持的时间仅仅是在CPU执行输出指令的瞬间内，输入寄存器可用于保存此瞬间出现的数据。有时，微机控制系统要求同时输出多个模拟量参数，此时对应于每一种参数需要一片DAC0832，每片DAC0832的转换时间相同，就可采用DAC寄存器对CPU分时输入到输入寄存器的各参数在同一时刻开始锁存，进而同时产生各模拟信号。

转换的8位数字量由芯片的8位数据输入线D0～D7输入，经DAC0832转

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换后，通过2个电流输出端IOUT1和IOUT2输出，IOUT1是逻辑电平为\"1\"的各位输出电流之和，IOUT2是逻辑电平为\"0\"的各位输出电流之和。另外，ILE、、

、

和

是控制转换的控制信号。

8位D/A转换器有8个输入端（其中每个输入端是8位二进制数的一位），有一个模拟输出端。输入可有28-256个不同的二进制组态，输出为256个电压之一，即输出电压不是整个电压范围内任意值，而只能是256个可能值。图7是DAC0832的逻辑框图和引脚排列。

图7 D/A转换器的连接电路

3.3.2 集成电路运算放大器LM358的功能分析

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。输入偏臵电流45 nA，输入失调电流50 nA，输入失调电压2.9mV，VCC~1.5 V共模抑制比80dB，电源抑制比100dB 。

图8 放大器LM358

LM358通用运放倍数；LM833是差分输入的高速运放，主要应用于音频前臵放大，及功放、CD机摩机,优于NE5532,放大倍数一般调控在5--100左右。（太高易自激）。功率放大器外围电路，LM358是双运放IC，把输出与输入负端直接相连，输入信号与输入正端相连，就是电压跟随器，即使输出电压与输入电压相等而输出电流大。 3.4电源电路设计

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电源电路如图11所示，采用220V供电，220交流电经过变压器T1降压、二极管D1～D4整流、电容C1滤波后产生12V直流电，可以作为控制继电器的驱动电压。12V电压经过稳压器7805稳压后产生5V电压，作为控制电路的主电源。电容C2作为高频旁路电容，将各种高频干扰信号旁路接地。在设计的过程中，滤波电容C1要尽量选择的大，因为在单片机向EEPROM中写数据的过程中，持续时间很长，典型时间为8ms，这里选用的是2200uF。所以只有选用较大容量的电容，才能在系统突然断电的情况下保证单片机有足够的时间将RAM中的数据写入EEPROM中。

图9电源电路图

图10 芯片8279与89S51单片机接口电路

对8279的编程一般可分成三部分，第一部分对8279初始化编程，规定其键盘和显示器的工作方式以及对外部CLK信号的分频系数等；第二部分为检查键盘情况，当有键按下时，读取键值，然后，进行相应的处理；第三部分为显示部分，即将待显示字符的段码送写入显示RAM 进行显示。相应地，8279的接口电路也大致可分为三部分，即与单片机的接口和键盘的接口和与显示器的接口。

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常见的由8279组成的8位LED显示器、16个按键接口。

电路工作原理如下，与单片机接口，DB7~DB0直接边至P0口；读引脚/RD接单片机的读信号（/RD）；写引脚接单片机的写信号（/WR）；CLK引脚接单片机的ALE信号，ALE信号的频率为系统晶体振荡器频率的1/6；A0接地址总线A0。当有键闭合时，IRQ变为高电平，可以通过中断或查询方式读取键值。与键盘的接口电路，16个按键接成矩阵形式，由RL7~RL0组成行线，外部译码器74LS138的输出Y0和Y1组成列线（或扫描线）。当有键闭合时，读入的RL7~RL0不全为零，根椐RL7~RL0和SL2~SL0的状态即可确定闭合键所在的位臵。

4 软件实现

系统软件由主程序和产生波形的子程序组成，软件设计主要是产生各种波形的子程序的编程，通过编程可得到各种波形。 4.1主程序分析

ORG 0000H Start: MOV A ,#00H

MOV P3, A ; 令波形指示灯LED熄 Begin: MOV A ,P1 ; 读波形选择开关状态 CJNE A ,#01H ,Sanjo ; P1.0=1调方波子程序：SQUW MOV P3,#01H ; 方波指示灯LED亮 LCALL SQUW ; 调生成方波子程序：SQUW Sanjo: CJNE A ,#02H ,Juchi ; P1.1=1调三角波子程序：TRIAN MOV P3,#02H ; 三角波指示灯LED亮 LCALL TRIAN ; 调生成三角波子程序：TRIAN Juchi: CJNE A ,#04H ,Zhexi ; P1.2=1调锯齿波子程序：SANTOO MOV P3,#04H ; 锯齿波指示灯LED亮 LCALL SANTOO ；调生成锯齿波子程序：SANTOO Zhexi：CJNE A ,#08H ,Back ；P1.3=1调正弦波子程序：SINE MOV P3,#08H ；正弦波指示灯LED亮 LCALL SINE ；调生成正弦波子程序：SINE Back ：LJMP Begin 主程序流程图如图11示： 4.2输出方波子程序：SQUN SQUN: MOV A ,#0FFH

MOV P0,A ；输出一个幅度的方波

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LACLL Delay ；调250ms延时子程序：Delay MOV A ,#00H

MOV P0,A ；输出另一个幅度的方波 LACLL Delay ；调250ms延时子程序：Delay

RET ；返回主程序250ms延时子程序(单片机晶振6MHZ)

开始 初始化 读波形选择开关状态 波形判别 驱动相应的发光二极管 调波形发生子程序 N 波形转换否？ 八图11 主程序流程图

Delay: MOV R2, #0F5H Dely1: MOV R1, #0FFH Dely2: DJNZ R1, Dely2 DJNZ R2, Dely1 RET

锯齿波发生子程序流程如图12所示： 4.3输出三角波子程序：TRIAN TRIAN: MOV A ,#00H UP: MOV P0,A INC A JNZ UP

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DOWN: DEC A MOV P0,A JNZ DOWN RET

三角波发生子程序流程如图13所示。

开始 A←00H P0口←A 延时若干 A←A+1

图12 锯齿波发生子程序流程图

A←00H 开始

A←A+1 P0口←A P0口←A 延时若干 延时若干 A←A-1 A=0 ? A=0 ? 图13 三角波发生子程序流程图

4.4输出锯齿波子程序：SANTOO SANTOO: MOV A ,#00H

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LLOOP: MOV P0,A LLOOP1 INC A :

MOV P0,A

CJNE A,FFH LLOOP1

RET

锯齿波发生子程序流程如图14所示

开始

开始 A←FFH A←00H P0口←A

延时N

A←正弦函数表数据 A←A00H P0口←A

DPTR←DPTR+1

N

A=0 ? A=129 ?

图14 方波发生子程序流程图 图 15 正弦波发生子程序流程图 4.5输出正弦波子程序：SINE SINE: MOV DPTR,#sinTab LOOP: CLR A

MOVC A,@A+DPTR CJNE A,#129,LOOP1 RET LOOP1: MOV P0,A INC DPTR AJMP LOOP

sinTab:DB 128,132,137,141,146,150,154,159,163,167 DB 171,176,180,184,188,191,195,199,203,206

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DB 210,213,216,219,222,225,228,231,233,236 DB 238,240,242,244,246,247,249,250,251,252 DB 253,254,254,255,255,255,255,255,254,254 DB 253,252,251,250,249,247,246,244,242,240 DB 238,236,233,231,228,225,222,219,216,213 DB 210,206,203,198,195,192,188,184,180,176 DB 172,167,163,159,155,150,146,141,137,133 DB 128,124,119,115,111,106,102,97,93,89,85 DB 81,77,73,69,65,61,57,54,50,47,43,40,37 DB 34,31,28,25,23,20,18,16,14,12,10,9,7 DB 6,5,4,3,2,2,1,1,1,1,1,2,2,3,4,5,6 DB 7,9,10,12,14,16,18,20,23,25,28,30,33,36 DB 40,43,46,50,53,57,60,64,68,72,76,80,84 DB 88,93,97,101,106,110,114,119,123,128,129 正弦波发生子程序流程如图7所示

设波形选择开关状态为：P1.0=1选择方波；P1.1=1选择三角波；P1.2=1选择锯齿波；P1.3=1选择正弦波

设P3.0控制方波LED指示灯；P3.1控制三角波LED指示灯；P3.2控制锯齿波LED指示灯； P3.3控制正弦波LED指示灯。(见附图)

5 结束语

在本次毕业程设计中，无论是在程序设计方面还是实践动手能力都得到了一个非常大的锻炼，并对硬件知识的了解以及安装调试能力也得到了一个很大的提升。通过这次课程设计，也非常的清楚的认识了这门课程的重要性，也意识到了自己在程序设计方面的薄弱性。希望在以后的学习和工作中能进一部的加强自己专业素质和实践动手能力，并在单片机程序设计语言方面要实现从汇编语言到 高级语言的跳转。

致谢

时光如梭，转眼之间四年的学习生活在这次毕业设计后将画上圆满的句号。

在这四年中，河南科技学院的各位领导、老师和同学对我的学习给予了很大的

支持和帮助，我在这里不仅体会到了学习的乐趣，而且也感受到了集体给我的关怀，在此谨对各位表示衷心的感谢。

本论文的完成是在导师的精心指导和帮助下完成的，在将近半年的时间里，老师在我对课题的学习和研究都给与了无微不至的帮助和关心。导师渊博的学

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识，敏锐的科学洞察力，严谨的治学态度，强烈的创新思想和对科研教育事业的执著追求都给我留下难忘的印象，并将激励我在今后的工作中勇敢地面对困难和挑战。在论文完成过程中，参考和吸收了许多前人的研究成果，在此一并向他们表示感谢。

在我做毕业设计期间，得到了许多老师的关心和支持，是他们无私的爱才使我能够在学习上不断进取，另外，在我设计期间，同组同学也给了我很多的帮助，在此我也向他们表达我真诚的谢意。

最后，我要感谢担任我论文评审和评阅的各位老师，谢谢他们提出的宝贵意见和建议。

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附录 总电路图

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