基于雙相鎖相的微弱信號(hào)矢量測量

1、題目：簡易鎖相放大器指導(dǎo) ：輝 隊(duì)員及年級：06 級 260510201806 級 260510201706 級 2605102005學(xué)校：科技大學(xué)學(xué)院：光電學(xué)院 14簡易鎖相放大器摘要：本設(shè)計(jì)由信號(hào)調(diào)理電路和單片機(jī) 兩模塊組成。電路分為前級低噪放大、中心頻率可調(diào)濾波、程控放大、低直流偏移乘法器、低通濾波、有效值轉(zhuǎn)換電路、DDS 參考信號(hào)發(fā)生七部分。所有程控部分及測量部分由 MSP430F1611 單片機(jī)作為 器實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)主要 DDS ，系統(tǒng)量程自動(dòng)切換，帶通濾波中心頻率跟蹤，及乘法運(yùn)算后濾出的直流分量的 AD 采樣，最后根據(jù)整個(gè)過程信號(hào)的增益計(jì)算信號(hào)測量值。本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新之處在于使用 DDS

2、 作為參考源，實(shí)現(xiàn)了頻率的連續(xù) 。Abstract：This design mainly consists of the lock-in amplification and the MCU system of the two parts. Including current to voltage module, former low-noise amplification module, adjustable center frequency filter module, program-controlled amplification module, low DC offset multip

3、lier module, low-pass filter, and RMS conversion circuit of the seven parts in . All the programmable modules are controlled by MSP430F1611, which also controls the frequency range switch of DDS, the center frequency diversification of the band pass filter and the AD sampling. At last according to t

4、he gain of the whole process the MCU will calculate the size of the input signal. The innovation of this design is the use of DDS chip as a reference source, realizing the frequency control in series.一、簡介。簡介：本 以 TI 微器 MSP430F1611 為主控及測量，模擬部分應(yīng)用 TI 小信號(hào) TLC2652 及程控 PGA204 完成信號(hào)放大，其中模擬部分的一大亮點(diǎn)便是應(yīng)用通用 OP07

5、和通用數(shù)模轉(zhuǎn)換 DAC0832 搭建的程控濾波電路對初步放大之后的信號(hào)進(jìn)行帶通濾波，進(jìn)一步提升系統(tǒng)的噪聲抑制比 檢波模塊由 AD630 實(shí)現(xiàn)，參考信號(hào)發(fā)生模塊利用 DDS AD9954 實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)一簡易鎖相放大器，實(shí)現(xiàn)微弱信號(hào)（峰峰值微伏級）噪聲中的提取，并可應(yīng)用在極小電阻（毫歐級）測量中。性能說明可測信號(hào)大小（Vpp）1V100mV可測信號(hào)頻率100Hz10KHz參考信號(hào)源性能參考信號(hào)頻率：1Hz20KHz 步進(jìn) 1Hz參考信號(hào)幅度：0.1Vpp5Vpp 步進(jìn) 0.1V噪聲抑制比40dB應(yīng)用測量小電阻指標(biāo)要求：二、實(shí)現(xiàn)（一）設(shè)計(jì)方案論證：，本設(shè)計(jì)分一下幾個(gè)模塊：前級放大，程控濾波，

6、程控放大檢波，低通濾波， 參考信號(hào)發(fā)生電路，現(xiàn)對其中主要模塊選用方案進(jìn)行論證。1、前級低噪放大電路方案論證與比較為了實(shí)現(xiàn)對低達(dá) 1uV 的信號(hào)進(jìn)行放大，該模塊需要一個(gè)噪聲極低的的前級運(yùn)放將信號(hào)初步放大，要求前級電路引起的噪聲被后級電路放大到飽和。結(jié)合后級放大，本模塊需將信號(hào)放大 46dB 左右。且根據(jù)題目要求，并不需要高帶寬的，而有意地選取低帶寬恰當(dāng)?shù)耐l帶，可直接濾去高頻噪聲。方案一：選擇通用精密做前級放大，但對于微伏級信號(hào)來說，普通精密 的溫度系數(shù)和噪聲系數(shù)均不能達(dá)到要求，所以需要另一款 小信號(hào)放大芯片。方案二：TLC2652 是德州儀器公司使用先進(jìn)的 LinCMOS 工藝生產(chǎn)的高精度斬波

7、穩(wěn)零運(yùn)算放大器。TLC2652 共模電壓、低頻噪聲、電源共模抑制比都比較理想， 非常適合用于微弱信號(hào)的放大。因此本部分利用 TLC2652 做兩級放大。經(jīng)調(diào)試證明，該對小信號(hào)的放大效果良好，故該模塊選用此 作為前級低噪聲 。2、程控濾波電路方案論證與比較發(fā)揮部分要求所測量信號(hào)頻率可變范圍為 100Hz10KHz。帶通濾波器能濾去大部分噪聲，可提高系統(tǒng)性能。根據(jù)題目要求，本模塊需要一個(gè)中心頻率可跟蹤信號(hào)頻率的帶通濾波器，于是有以下方案：方案一：采用專門的可編程濾波，MAX26x 系列可完成此要求，其內(nèi)部利用開關(guān)電容來實(shí)現(xiàn)中心頻率的。 電路結(jié)構(gòu)簡單，程序 方便。但其直流偏移及本身開關(guān)電容特性引入的

8、噪聲不能忽略，故放棄。方案二：采用狀態(tài)變量可調(diào)濾波電路，這種濾波電路截止頻率與 Q 值受不同元件 且互相沒有影響?？梢杂贸朔ㄐ蛿?shù)模轉(zhuǎn)換代替電路中 中心頻率的電阻，通過程序改變 DA 輸出以改變等效接入電阻達(dá)到中心頻率程控的目的。該方案電路簡單，經(jīng)實(shí)驗(yàn)可達(dá)到要求。所以，該部分采用該方案設(shè)計(jì)程控濾波模塊。3、程控放大案方案論證與比較題目要求所測量信號(hào)幅度范圍為 1V10mV。信號(hào)范圍較大，可不同信號(hào)大小進(jìn)行程控放大，以使最后輸出直流信號(hào)在單片機(jī) AD 的最佳采樣范圍。方案一：采用 TI 的壓控增益 THS7530，該帶寬高，增益范圍 11.6dB46.5dB，噪聲也極低，但由于是模擬 增益，要求用

9、到的 DA 端及其本身的增益精確度較高，在調(diào)試及應(yīng)用中不是很方便，雖然可實(shí)現(xiàn)增益連續(xù)可調(diào)， 但增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，故舍棄。方案二：采用 TI 的數(shù)控增益儀用 PGA204，該 模擬方面基本達(dá)到作為后級增益可調(diào) 的要求，且 電路簡單，由兩個(gè)數(shù)字引腳的增益。固定四級增益為 1，10，100，1000，對應(yīng)數(shù)字管腳的四個(gè)狀態(tài)，可達(dá)到多級放大的要求。實(shí)際調(diào)試中也表現(xiàn)良好，增益誤差也在可接受范圍內(nèi)，故程控放大部分選用此 。4、 檢波模塊方案論證與比較本部分是整個(gè)鎖相放大的 ，其動(dòng)態(tài)范圍決定了系統(tǒng)從噪聲中提取信號(hào)的能力。按照題目發(fā)揮部分 40dB 噪聲抑制的要求，我們有以下方案：方案一：采用模擬乘法器

10、AD835。可直接讓放大濾波后的信號(hào)與參考信號(hào)進(jìn)行乘法運(yùn)算，但其直流偏移較大，典型值達(dá)到23mV ，最大值75mV ，因此無法實(shí)現(xiàn)較大的動(dòng)態(tài)范圍，故舍棄。方案二：采用模擬開關(guān) DG201HS?；陂_關(guān)變換的方波乘法運(yùn)算具有動(dòng)態(tài)范圍寬，直流偏移小的特點(diǎn)。但單開關(guān) 要實(shí)現(xiàn)全波 PSD 需要外部電路的支撐， 實(shí)現(xiàn)電路較復(fù)雜。方案三：采用 調(diào)制解調(diào) AD630。AD630 內(nèi)部是由一個(gè)比較器的 結(jié)構(gòu)，靈活的內(nèi)部電路安排使得不需要外部電阻電容即可實(shí)現(xiàn)放大及調(diào)制解調(diào)功能，而極低的通道偏移電壓使得該具備很寬的動(dòng)態(tài)范圍，相比以上類型 其應(yīng)用簡單，且同時(shí)實(shí)現(xiàn)了上述 的所有功能，達(dá)到應(yīng)用需求，故該模塊選用 AD6

11、30 作為檢波的。5、參考信號(hào)產(chǎn)生模塊方案論證與比較參考信號(hào)頻率須與信號(hào)頻率相同，才能產(chǎn)生差頻為零的直流分量，為保證噪聲抑制能力，對參考源頻譜純度要求較高。按照發(fā)揮部分的要求，可測信號(hào)頻率為 100Hz10KHz,因此本模塊需要一個(gè)頻率可控的參考信號(hào)源。方案一：采用鎖相環(huán)電路產(chǎn)生參考信號(hào)源，采用鎖相環(huán)電路的信源具有頻率純度高的最大特點(diǎn)，在鎖相放大器參考信號(hào)實(shí)現(xiàn)中也應(yīng)用最多，但它的缺點(diǎn)也很明顯，頻率的可控性差，有限的頻率應(yīng)用點(diǎn)使得其應(yīng)用受到限制。方案二：采用 DDS 作為參考信號(hào)源。DDS 相比鎖相環(huán)電路最大的特點(diǎn)便是頻率的易 性，且本身數(shù)字的特性使得 DDS 可以片內(nèi)就實(shí)現(xiàn)輸出相位的 ，雖然

12、DDS 產(chǎn)生信號(hào)頻率特性仍不如鎖相環(huán)類信號(hào)源，但在本應(yīng)用中，仍可以達(dá)到很 性能指標(biāo)，故 創(chuàng)新性地使用 DDS 作為參考信號(hào)源。（二）理論分析：1. 前級放大模塊為了對 1V 信號(hào)進(jìn)行放大以及防止對噪聲放大的飽和，本模塊選取前級放大倍數(shù)約為 200 倍兩級放大路。兩級分?jǐn)傇鲆?。根?jù)發(fā)揮部分待測信號(hào)的通頻特點(diǎn)， 在第一級 加入0.1F 的隔直電容及在第二級加入6.8pF 的反饋電容很好的抑制了 10Hz 以下 10KHz 以上的噪聲分量。其原理圖見附件二。2. 程控帶通濾波模塊本模塊采用反轉(zhuǎn)輸入型狀態(tài)可調(diào)濾波電路（其原理圖見附圖三）。設(shè)計(jì)中采用國半的乘法型 DA：DAC0830 來代替本濾波電路中

13、的相關(guān)電阻，通過單片機(jī) DAC0830 來改變其輸出電流，從而改變等效接入電阻而達(dá)到程控的目的。Digt 為 8 位 DA 字，其等效電阻 R 的計(jì)算公式：R = 15KW 256Digt（2.1）R3R2R6C1R7CINR1_+ X1_+ X2_+ X3LP輸輸GNDR4GNDR5HP輸輸BP輸輸2GND圖 2 狀態(tài)可調(diào)濾波器 為簡化運(yùn)算令該模塊電路中其他電阻均為固定相等值，DAC0830 的Vref 和Iout1 兩點(diǎn)接入代替圖中 R6 , R7 。代入狀態(tài)可調(diào)程控濾波電路計(jì)算公式,可得中心頻率計(jì)算公式：（2.2）Error!Referencesourcenotfound.當(dāng)選取Q 1,

14、 f0 取 100Hz 到 2KHz，可選定各元件參數(shù)：Error! Reference source not found.3. 程控放大模塊根據(jù)題目規(guī)定的測量范圍 1V10mV，其最小值與最大值相差 10000 倍，須分段將信號(hào)放大，以適應(yīng)不同的量程，將每段信號(hào)放大到 AD 最佳采樣范圍內(nèi)（MSP430F1611 可選 AD 參考電壓為 1.5V 和 2.5V），經(jīng)整個(gè)過程的增益計(jì)算，本設(shè)計(jì)將信號(hào)分為 4 個(gè)量程 1V10V,10V100V,100V1mV,1mV10mV。這充分利用了 PGA204 的 4 個(gè)固定增益值 1，10，100，1000。該模塊外部電路簡潔， 數(shù)字增益 簡單，準(zhǔn)確

15、。原理圖見附圖 4。4. 乘法檢波模塊根據(jù)參考信號(hào)的極性，AD630 選擇性地將信號(hào)的 2 倍或反向 2 倍作為輸出， 這便等效為將信號(hào)乘以一個(gè)峰峰值為 4V 的方波，了一個(gè)全波 PSD，這樣基于開關(guān)轉(zhuǎn)換的乘法運(yùn)算便完成了檢波動(dòng)作。如圖 3 所示，為 AD630 的輸出信號(hào)與測量信號(hào)和參照信號(hào)之間相位差的及輸出直流分量與測量信號(hào)和參照信號(hào)之間相位差的 。圖 3 隨相角乘法器及低通輸出變化 AD630 自帶的增益系統(tǒng)靈活可調(diào)，此處選用 2 倍增益。根據(jù)級數(shù)分解，直流分量為輸出信號(hào)在時(shí)域的平均值，當(dāng)參考信號(hào)與待測信號(hào)的相位差為0 時(shí)，直流分量輸出為：1 T Vppp1V( PSD )=sin(t)

16、dt =VPP（2.3）T 0 2Tp當(dāng)參考信號(hào)與檢測信號(hào)之間相位差為q 時(shí) PSD 的輸出為V ( PSD) =VPP cos(q )p（2.4）根據(jù)后續(xù)的直流分量檢測值，結(jié)合上式及整個(gè)過程信號(hào)的增益和必要的 可得最后信號(hào)測量值（注：上兩式均假設(shè) AD630 內(nèi)部放大器的增益為 1）。本模塊電路圖見附圖 5。5. 低通濾波模塊本低通濾波模塊選用由 搭建的有源濾波電路，實(shí)現(xiàn) 2 階濾波，轉(zhuǎn)折頻率實(shí)測為 0.3Hz，經(jīng)驗(yàn)證效果良好。電路圖見 AD630 原理圖后級低通濾波模塊。（三）系統(tǒng)框圖及流程圖信號(hào)輸入液晶顯示鍵盤輸入TI 微控制器：MSP430F1611作用： 1，控制程控運(yùn)放，程控濾波電

17、路 實(shí)現(xiàn)量程及中心頻率的數(shù)控2，AD 采樣低通輸出3，控制 AD9954 產(chǎn)生所需頻率正弦波4，系統(tǒng)工作流程安排5，參數(shù)設(shè)置及結(jié)果輸出低通濾波電路TI 通 用 運(yùn)放：OP07作用： 濾出調(diào)制后信號(hào)低頻分量， 經(jīng)緩沖送入AD參考信號(hào)發(fā)生模塊信號(hào)芯片AD9954相敏檢波模塊芯片：AD630作用：完成參考信號(hào)與被檢測信號(hào)的相乘，實(shí)現(xiàn)被測信號(hào)頻譜的搬移程控放大TI 程控運(yùn)放： PGA204結(jié)構(gòu)： 一級同向作用：切換系統(tǒng)量程， 與控制器接口程控濾波TI 通用運(yùn)放： OP07結(jié)構(gòu)：狀態(tài)可調(diào)濾波電路作用：濾去噪聲，提升噪聲抑制比前級放大TI 低噪聲運(yùn)放： TLC2652結(jié)構(gòu)： 兩級反向作用：前級小信號(hào)初步放

18、大1，系統(tǒng)框圖圖 1：系統(tǒng)模塊框圖2，流程圖流程說明：開機(jī)初始化后選擇運(yùn)行模式，在測量模式下 設(shè)置 DDS 輸出，及濾波模塊中心頻率，然后將程控增益設(shè)置為最小，開始信號(hào)檢測過程， 待低通輸出 后 AD 采樣，若數(shù)據(jù)小于一閾值，則增大增益，循環(huán)直到測出數(shù)據(jù)在 AD 采樣最佳范圍，轉(zhuǎn)換出結(jié)果，送出顯示，完成信號(hào)檢測過程。開始主菜單，按鍵功能選擇按鍵返回主菜單按鍵返回主菜單測量并顯示結(jié)果輸出參考信號(hào)設(shè)置參考信號(hào)頻率設(shè)置參考信號(hào)頻率及 Vpp信號(hào)檢測模式參考信號(hào)輸出模式系統(tǒng)初始化圖 2 簡易幅頻特性測試儀框圖（四）選用 TI 器件，見下節(jié)。三、 所使用TI 模擬器件簡介（1） 前級放大模塊在微弱信號(hào)的

19、測量中，常常需要放大微伏級的電信號(hào)。這時(shí)，普通的運(yùn)算放大器已無法使用，因?yàn)樗鼈兊妮斎胧д{(diào)電壓在數(shù)百微伏以上，而失調(diào)電壓的溫度系數(shù)在零點(diǎn)幾微伏以上。固然輸入失調(diào)電壓可以被調(diào)零，但其漂移則是難以消除的。TLC2652 是德州儀器公司使用先進(jìn)的LinCMOS 工藝生產(chǎn)的高精度斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器。斬波穩(wěn)零的工作方式使 TLC2652 的失調(diào)電壓及其漂移、共模電壓降低到最小，TLC2652 非常適合用于號(hào)的放大。在元件的選擇中需要特別注意的是，電路中的兩個(gè)記憶電容 CXA 和 CXB 必須使用電介質(zhì)常數(shù)很高的優(yōu)質(zhì)電容器。例如，聚酯薄膜電容器、聚苯乙烯電容器、聚丙烯電容器等可以作為記憶電容器。容量可以從

20、0.1F 至 1F 中選擇，電容的一端接到 CXA 或 CXB 引腳，另一端接至 VDD-或 C RETURN 引腳。在一些運(yùn)算放大器中把記憶電容接至 VDD-引腳會(huì)增加噪聲，而 TLC2652 則沒有這種問題。TLC2652 的內(nèi)部時(shí)鐘使斬波器工作在 450Hz 的頻率上。在 14 引腳封裝的芯片中，斬波頻率可以通過 INT/EXT 和 CLK IN 引腳進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)這兩個(gè)引腳懸空時(shí)，電路使用內(nèi)部的 450Hz 時(shí)鐘；使用外部時(shí)鐘時(shí)，可把 INT/EXT 引腳對 VDD-短路，同時(shí)從 CLK IN 引腳輸入時(shí)鐘信號(hào)，幅度為 2.5V（相對于 VDD-）。從理論上講，為了盡量展寬電路的頻帶，斬

21、波頻率 fc 應(yīng)越高越好,但fc 的提高又會(huì)造成嚴(yán)重的尖峰效應(yīng)，同時(shí)電路將會(huì)變得很復(fù)雜。所以本次設(shè)計(jì)采用了 TLC2652 的內(nèi)部時(shí)鐘。這就是導(dǎo)致斬波穩(wěn)零運(yùn)算放大器頻帶窄的 。 由于 TLC2652 存在寄生可控矽效應(yīng)，使用時(shí)可在正負(fù)電源串接一只 200-510的限流電阻，同時(shí)保證不使電路的輸入與輸出電壓超出電源電壓源 300mV。同時(shí)，本部分及后續(xù)濾波 工作均采用電池供電，電池供電的優(yōu)點(diǎn)是紋波很小，且不用考慮電源的陷波處理，減少了電路的復(fù)雜程度。TLC2652 往往在輸入電壓為微伏量級的情況下高增益工作。要保證放大器的精度，一是負(fù)反饋電阻必須有足夠的精度，且電路的閉環(huán)增益不能太大；二是必須提

22、高印制板的質(zhì)量，防止表面的漏電流。因此，設(shè)計(jì)時(shí)負(fù)反饋電阻采用了精密電阻，分兩級放大。為了減少漏電流，可在印制板上設(shè)置保護(hù)環(huán)，尤其是14 引腳和 20 引腳的，可以充分利用輸入端周圍的空腳。（見附圖 2）（2） 程控 模塊本部分選用 TI 數(shù)控 PGA204 作為程控部分，以實(shí)現(xiàn)切換量程，本設(shè)計(jì)的一大亮點(diǎn)便是通過采樣反饋來調(diào)整 PGA204 的增益值，使最后直流輸出在MAP430 的最佳采樣范圍，以充分利用 AD 精度，使得在低 AD 位數(shù)的情況下得到較高精度，充分利用 MSP430 內(nèi)部資源。PGA204 是 TI 的代表性低成本、通用、儀用程控 。四級固定增益為 1, 10, 100, 10

23、00。本設(shè)計(jì)充分利用此四檔， 經(jīng)整個(gè)過程的增益計(jì)算，將信號(hào)分為 4 個(gè)量程 1V10V,10V100V,100V 1mV,1mV10mV。PGA204 的數(shù)字接口兼容性好，同時(shí)內(nèi)部的保護(hù)電路使得接口可以承受對于40V 的電壓。且 PGA204 內(nèi)部電路由激光技術(shù)校正使得具有低偏移電壓(50V)及漂移(0.25V/C)，及較高的共模抑制比(115dB at G=1000)。其較低靜態(tài)電流也使得其可以應(yīng)用在低功耗系統(tǒng)中。在噪聲較大情況下，為防止擊穿，可在 PGA204 輸介入放電二極管，保護(hù)后級放大器。（3） 低通濾波器模塊濾波器的作用是濾除調(diào)制解調(diào)器輸出的高頻分量，得到近直流分量。由于高頻與低頻

24、的頻差較大，對濾波器的截至特性要求不高，故此模塊選 Butterworth 型濾波器，擁有最大振幅平坦特性。同時(shí)選用 TI 通用 OP07 作為濾波電路中，達(dá)到性能同時(shí)節(jié)約成本。（4） 程控濾波器模塊，本部分未用集成 實(shí)現(xiàn)，使用了三搭建的狀態(tài)可調(diào)濾波電路 用 TI 通用 OP07，調(diào)整電阻利用 DAC0832 實(shí)現(xiàn)，通過改變 DAC 輸出電流，可改變其接入電阻，通過改變接入電阻實(shí)現(xiàn)帶通濾波器的中心頻率。四、MSP430 使用功能端口端口數(shù)量紅外鍵盤P2.41程控濾波器P3.0P3.78LCD 驅(qū)動(dòng)P4.5 P4.6 P4.73DDS AD9954P5.0P5.78AD（430 內(nèi)部）P6.01

25、程控 PGA204P6.5 P6.721. 外設(shè)接口分配：注意事項(xiàng)：1) 鑒于為 其系統(tǒng)為較高速系統(tǒng)，其地端相對模擬部分含較多雜波，故 MSP430F1611 部分與前級放大濾波部分的地及電源開來， 在PGA204 模塊及 AD 模塊共地線由磁珠開來，減少來自數(shù)字部分的干擾。2) MSP430 的數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊輸入電阻不高（見 1611 users guide），為減少誤差，來自低通濾波器的輸出應(yīng)接一緩沖，以減小其輸出阻抗。2. 內(nèi)部電路使用技巧：由于系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間較長(輸出 時(shí)間較長)，故利用延時(shí)程序（時(shí)長由調(diào)試，而定），待系統(tǒng)后多次采樣得最后結(jié)果，如前所述，為充分利用 430 內(nèi)部 12位 A

26、D 而節(jié)省使用高位數(shù) AD 成本，本部分利用程控的 ，引入量程的巧妙切換使得直流輸出在 AD 最佳采樣范圍，本設(shè)計(jì)應(yīng)用 AD 為 430 內(nèi)部自帶參考源， 為 2.5V，因此 信號(hào)放大到此范圍內(nèi)，利用反饋機(jī)制，在測量信號(hào)少于 0.1V時(shí)便將增益提升一檔，直至最佳。3. 低功耗實(shí)現(xiàn)：本設(shè)計(jì)的低功耗實(shí)現(xiàn)為在等待紅外鍵盤輸入時(shí)計(jì)數(shù)，若超過一定時(shí)間微 器系統(tǒng)便進(jìn)入低功耗狀態(tài)，同時(shí)器件均選用低功耗如 TLC2652，PGA204 工作電流均很小。從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的低功耗，為整個(gè)系統(tǒng)的便攜化打下基礎(chǔ)。4. 編程感想及 注意事項(xiàng)：MSP430 系列是 TI 推出的超低功耗同時(shí)功能強(qiáng)大的微。本設(shè)計(jì)采用 型號(hào)為 M

27、SP430F1611。編譯平臺(tái)為 IAR 公司出品，支持在線調(diào)試，這為本設(shè)計(jì)節(jié)約了大量的時(shí)間，例如一些參數(shù)的調(diào)試修改中我們可以實(shí)時(shí)看到 RAM 中的值，并可以迅速根據(jù)結(jié)果改變程序參數(shù)并再次修改后程序。如本次的延時(shí)參數(shù)，我們在系統(tǒng)組裝后整體調(diào)試是發(fā)現(xiàn)結(jié)果與理論相差較大，后來將電腦連接，并將最后直流輸出顯示在示波器上，最終發(fā)現(xiàn)延時(shí)太短，系統(tǒng)尚未響應(yīng)時(shí) AD 便已開始采樣，結(jié)果當(dāng)然不對，的例子說明實(shí)時(shí)調(diào)試的效率是非常高的，問題會(huì)在第一時(shí)間被發(fā)現(xiàn)，處理。各個(gè)模塊均在比賽前有所準(zhǔn)備，如 AD9954 的驅(qū)動(dòng)，鍵盤液晶驅(qū)動(dòng)， AD 采樣等，比賽中我們一邊調(diào)試硬件一邊將程序組織起來，實(shí)現(xiàn)軟硬件的同步， 雖說

28、本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是硬件模擬部分，但更才能充分發(fā)揮硬件潛力，如怎樣更快得到測量結(jié)果，怎樣使得系統(tǒng)功耗更低，怎樣使系統(tǒng)人際交互更簡易等。MSP430 的 IAR 編譯平臺(tái)較人性化，支持一鍵燒錄及調(diào)試功能，但平臺(tái)仍有時(shí) ，重啟程序即可，建議時(shí)常保存源文件。隨著 MSP430 系列的推廣，一些關(guān)于 MSP430 的論壇發(fā)展不錯(cuò)，較論壇由 430 論壇及微控論壇。論壇上的一些前人的經(jīng)驗(yàn)是無價(jià)的。但動(dòng)手得來的經(jīng)驗(yàn)是印象最深的。五、性能指標(biāo)1. 系統(tǒng)測試測量值-預(yù)計(jì)值(1) 測試方案： 用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓測量小信號(hào)，由數(shù)字示波器觀察各級波形， 利用不同限流阻值實(shí)現(xiàn)不同量級信號(hào)。本測試中小阻值電阻阻值為 1 歐。大電

29、阻分別為 10k，100k，1M，對應(yīng) 100V 級別，10V 級別，1V 級別。驅(qū)動(dòng)電壓為 DDS 產(chǎn)生的峰峰值為 1V 的正弦信號(hào)。頻率為 89Hz，加在驅(qū)動(dòng)端，在各個(gè)節(jié)點(diǎn)處取出電壓測量。偏差E=預(yù)計(jì)值100%(2) 測試數(shù)據(jù)見附錄。性能說明可測信號(hào)大?。ǚ宸逯担?V10mV可測信號(hào)頻率50Hz10KHz參考信號(hào)源性能參考信號(hào)頻率：1Hz20KHz 步進(jìn) 0.1Hz參考信號(hào)幅度：0.1Vpp5Vpp 步進(jìn) 0.1V噪聲抑制比40dB應(yīng)用測量小電阻實(shí)測： 厘米某品牌焊錫絲電阻： 3.43mW / cm2. 測試性能概覽：3. 誤差分析由表可知，數(shù)據(jù)在 100，10 微伏級別誤差均限制在 10

30、%，量程較大時(shí)誤差較小，在小信號(hào)（微伏級別）時(shí)誤差較大，測量時(shí)大信號(hào)得出的值較，小信號(hào)時(shí)每次測量數(shù)據(jù)變化較大，噪聲使得在測量小信號(hào)時(shí)輸出有一定的抖動(dòng)，偏差表現(xiàn)出一定的隨機(jī)性。首先由于測量電阻（分壓電阻及取樣小電阻，后者影響更大）的精度不高， 上表中預(yù)計(jì)值一欄只是起一定參考作用。此誤差分析主要微伏級信號(hào)，大信號(hào)是結(jié)果是十分準(zhǔn)確的，微伏級是 測量維持在較高精度上的極限。誤差來自多方面，甚至單片機(jī)內(nèi)計(jì)算浮點(diǎn)誤差，當(dāng)然更大的來源于系統(tǒng)內(nèi)外的噪聲，系統(tǒng)內(nèi)：由于系統(tǒng)較龐大，信號(hào)流經(jīng)級數(shù)較多，雖然所選器件均為低噪器件，但難免引入噪聲，這在小信號(hào)測量時(shí)便體現(xiàn)出來。而系統(tǒng)外噪聲較難 。抑制噪聲，便是鎖相放大器的

31、直接目的?？傊驹O(shè)計(jì)測量達(dá)到較滿意結(jié)果。4. 可以進(jìn)一步改進(jìn)的地方：（1）頻響方面：可測信號(hào)量程上，根據(jù)附件 2 中測試數(shù)據(jù)可知，對微伏級別信號(hào)的放大偏差較大，誤差最大達(dá)到了 15%，但對十微伏及以上級別的信號(hào)的測量與預(yù)期值是十分接近的?？傮w來說，滿足題目對 1 微伏至 10 毫伏的要求。可測信號(hào)頻率方面，對參考頻率擴(kuò)展的要求也基本達(dá)到，由于 DDS 頻率調(diào)節(jié)的便利性，輸出信號(hào)可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)。但實(shí)際測量時(shí)，不能將信號(hào)頻率設(shè)置過高，由于關(guān)鍵程控 PGA202 的不慎損壞，只能用 PGA204 代替，前者的頻率特性優(yōu)于 PGA204，因?yàn)?PGA204 的增益帶寬積有限，故在欲設(shè)置較大增益及測量頻率較高時(shí)數(shù)據(jù)發(fā)生較大偏差，因而信號(hào)的實(shí)際增益不能達(dá)到預(yù)設(shè)值，這不能不說是本設(shè)計(jì)的遺憾，所以測量微伏級信號(hào)時(shí)測量頻率不能設(shè)置太高。而 PGA204 在設(shè)置為較小增益（1 或 10）時(shí)可以實(shí)現(xiàn)頻率的任意 。由于時(shí)間限制無法改進(jìn)，因此本部分可以（2） 測量相位差（功能拓展）方面：把系統(tǒng)中 AD9954 改為 AD9854，AD9854 是雙路正交輸出，通過 檢波，可實(shí)現(xiàn)參考信號(hào)與測量信號(hào)相位差的測量。（3） 使用 UAF42