受控正弦信號(hào)發(fā)生器

1、受控正弦信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)報(bào)告摘 要本設(shè)計(jì)一個(gè)受控正弦信號(hào)發(fā)生器，以模擬電路為核心，以MSP430F149單片機(jī)系統(tǒng)為控制系統(tǒng)，采用單片機(jī)與DDS模塊相結(jié)合的方式，通過對(duì)DDS集成芯片AD8951的控制，實(shí)現(xiàn)了賽題要求的基本功能。系統(tǒng)由電流接收器、電流變送器、單片機(jī)控制模塊、DDS信號(hào)發(fā)生電路、LCD顯示模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)調(diào)理電路、二線式V/I變換電路等組成。系統(tǒng)的輸出頻率和各種調(diào)制方式由可調(diào)電阻設(shè)置，并通過LCD顯示。本系統(tǒng)有效地使用MSP430F149單片機(jī)的片內(nèi)資源，將數(shù)字電路與模擬電路高效的融合到一起，配合自動(dòng)控制算法，實(shí)現(xiàn)題目的基本要求的所有項(xiàng)及發(fā)揮部分的要求。關(guān)鍵詞：正弦信號(hào)發(fā)

2、生器；MSP430F149單片機(jī)；DDS；數(shù)模轉(zhuǎn)換；二線式V/I變換電路一、方案設(shè)計(jì)與論證1.單片機(jī)選型在整個(gè)系統(tǒng)中，信號(hào)發(fā)生部分和接收部分都需要一個(gè)主控芯片進(jìn)行處理，主要考慮以下三個(gè)方案：方案一：采用SPCE061A單片機(jī)。SPCE061A單片機(jī)是16位的微處理器，主頻可以達(dá)到49MHz,速度很快，并且具有方便的ADC接口，但SPCE061A單片機(jī)的功耗不是最低的。方案二：采用C8051F系列單片機(jī)。C8051F系列單片機(jī)的發(fā)展已經(jīng)有比較長(zhǎng)的時(shí)間，應(yīng)用比較廣泛，各種技術(shù)都比較成熟，但此系列單片機(jī)為8位機(jī)，處理速度不是很快，資源不夠充足，故不采用。方案三：采用TI公司MSP430系列單片機(jī)。M

3、SP430系列的單片機(jī)擁有有業(yè)界最低功耗，其中F149活動(dòng)模式在160uA，因此在性價(jià)、功耗、速度上都有優(yōu)勢(shì)。由于在傳輸過程中對(duì)功耗要求，MSP430可以設(shè)置為低功耗模式，功耗（可達(dá)uA級(jí)）比C8051F系列至少低一個(gè)數(shù)量級(jí)，內(nèi)部還集成有溫度傳感器，所以本設(shè)計(jì)采用MSP430F149單片機(jī)作為主控芯片。2.電源方案在本系統(tǒng)中的電源主要考慮以下方案：方案一：開關(guān)電源。電源的效率高，體積小、重量輕、適應(yīng)的范圍大，它的主要缺點(diǎn)是輸出電壓中所含紋波較大，對(duì)電子設(shè)備的干擾較大，而且電路比較復(fù)雜，對(duì)元器件的要求較高。方案二：采用LM317三端集成可調(diào)的穩(wěn)壓電源。此電源的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓穩(wěn)定，可以調(diào)節(jié)，輸出的

4、電壓誤差小，且電路比較簡(jiǎn)單，能大幅度地降低電能和電極消耗。根據(jù)系統(tǒng)的要求和電路本身的特性，三端集成可調(diào)的穩(wěn)壓電源輸出電壓比開關(guān)電源穩(wěn)定，可以輸出多擋不同的電壓。電路本身還有過壓、過流、過熱保護(hù)，所以選擇方案二。3.電流變送器方案在測(cè)量各類非物理量，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號(hào)才能傳輸?shù)斤@示設(shè)備上，這種將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的設(shè)備是十分重要的，主要考慮以下幾點(diǎn)：方案一：電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成4-20mA電流輸出，必然要有外電源供電。最典型的是采用變送器需要的兩根電源線，再加上兩根電流線，總共4根線，但在應(yīng)用設(shè)備中控制的距離遠(yuǎn)，就意味著成本高。方案二：在四線制的基礎(chǔ)上，省去兩根導(dǎo)線，降低成本，減少使

5、用的難度。根據(jù)題目要求，采用電流信號(hào)的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大，導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度。但是二線制的成本低，所以選擇二線制電流變送器。4.模數(shù)轉(zhuǎn)換電路方案在系統(tǒng)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換方案十分重要，有以下方案：方案一：采用單片機(jī)內(nèi)部的ADC轉(zhuǎn)換電路，這種方案節(jié)省資源，減輕軟件設(shè)計(jì)難度，但是其轉(zhuǎn)換精度比較低，不適合本系統(tǒng)對(duì)精度的要求。方案二：使用24位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADS1255，具有有業(yè)界最高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以達(dá)到較高的轉(zhuǎn)換精度。 由于本系統(tǒng)對(duì)轉(zhuǎn)換精度和低功耗有相當(dāng)高的要求，而單片機(jī)內(nèi)部的ADC對(duì)轉(zhuǎn)換精度比較低，權(quán)衡的考慮軟硬件復(fù)雜度和實(shí)際的效果，我們選擇24位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片ADS

6、1255作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的主芯片。5.信號(hào)調(diào)制方案由于題目的要求和所需得到的波形，DDS在本電路的要求中比較高，有以下方案：方案一：采用專用信號(hào)發(fā)生器。MAX038是美信公司的低失真單片信號(hào)發(fā)生器集成電路，內(nèi)部電路完善。使用該芯片，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，可以生成同一頻率信號(hào)的各種波形信號(hào)，但頻率精確度和穩(wěn)定度都難以達(dá)到題目要求。方案二：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成法直接合成。利用混頻器、倍頻器、分頻器和帶通濾波器完成對(duì)頻率的算術(shù)運(yùn)算。由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量，難以達(dá)到較高的頻譜純度。方案三：采用直接數(shù)字合成（Direct

7、 Digital Frequency Synthesizer,簡(jiǎn)稱DDS或DDFS）。用隨機(jī)讀/寫存儲(chǔ)器RAM存儲(chǔ)所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以頻率控制字K為步進(jìn)對(duì)相位增量進(jìn)行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存在存儲(chǔ)器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得所需波形。DDS具有相對(duì)帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短(可小于20微妙)，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成以及輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控，因此，可以完全滿足本題目的要求。DDS運(yùn)算速度高，系統(tǒng)集成度強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)的這種信號(hào)發(fā)生器，比以前的數(shù)字式信號(hào)發(fā)生器具有速度更快，且實(shí)現(xiàn)更加簡(jiǎn)便。從題目要求來看，上述三種方

8、案都可以滿足題目合成頻率范圍的要求，但信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度、精確度都不如DDS合成的頻率；另一方面，DDS比信號(hào)發(fā)生器更容易精確控制，所以我們選擇DDS芯片進(jìn)行頻率合成。6. 系統(tǒng)總體框圖圖1.1系統(tǒng)總體框圖二、理論分析與計(jì)算 1DDS的理論分析DDS的基本原理是在高速存儲(chǔ)器中放入正弦函數(shù)相位數(shù)據(jù)表格，經(jīng)過查表操作，將讀出的數(shù)據(jù)送到高速DAC產(chǎn)生正弦波。可編程DDS系統(tǒng)原理如圖2.1。圖2.1 DDS原理圖N：相位累加器位數(shù)； M：相位累加器實(shí)際對(duì)ROM尋址的位數(shù)；S：ROM輸出正弦信號(hào)(離散化)的位數(shù)；位數(shù)：相位累加器舍去的位數(shù)，滿足位數(shù)=N-M。DDS系統(tǒng)由頻率控制字、相位累加器、正

9、弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成。參考時(shí)鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由N位加法器與N位相位寄存器構(gòu)成，類似于一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算器。每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，相位寄存器的輸出就增加一個(gè)步長(zhǎng)的相位增量值，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進(jìn)入線性相位累加，累加至滿量程時(shí)產(chǎn)生一次計(jì)數(shù)溢出，這個(gè)溢出頻率即為DDS的輸出頻率。正弦查詢表是一個(gè)可編程只讀存儲(chǔ)器(PROM)，存儲(chǔ)的是以相位為地址的一個(gè)周期正弦信號(hào)的采樣編碼值，包含一個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)于正弦

10、波中0360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加，得到的數(shù)據(jù)作為一個(gè)地址對(duì)正弦查詢表進(jìn)行尋址，查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號(hào)，驅(qū)動(dòng)DAC，輸出模擬信號(hào)。低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號(hào)。2DDS的參數(shù)計(jì)算對(duì)于計(jì)數(shù)容量為2N相位累加器和具有M個(gè)相位取樣點(diǎn)的正弦波波形存儲(chǔ)器，若頻率控制字為K，輸出信號(hào)頻率為f o，參考時(shí)鐘頻率為f c，則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率為 f o=kfc/2N輸出信號(hào)頻率的頻率分辨率為f min=fc/2N由奈奎斯特采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為f max=fc/2頻率控制字可由以上公式推

11、出：K=f o×2N/fc當(dāng)外部參考時(shí)鐘頻率為50MHz，輸出頻率需要為1MHz時(shí)，系統(tǒng)時(shí)鐘經(jīng)過6倍頻，使得f c變?yōu)?00MHz，這樣就可利用以上公式計(jì)算出DDS的需要設(shè)定的控制頻率字K=248/3003載頻參數(shù)計(jì)算本題要求: 輸出頻率范圍是1000KHZ-2000KHZ,頻率分辨率為100HZ，頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4 ,信號(hào)波形無明顯失真。系統(tǒng)頻率調(diào)整的步進(jìn)是100Hz。DDS邏輯電路的工作時(shí)鐘是25M，所以：25M ÷ 100 250000 （小于2的18次方）所以，DDS的頻率字只要多于18個(gè)bit，頻率調(diào)整的步進(jìn)就能小于100Hz。本系統(tǒng)采用的頻率控制字為32bi

12、t，充分滿足頻率調(diào)整步進(jìn)的要求。本系統(tǒng)的工作時(shí)鐘由晶振提供的時(shí)鐘通過DDS芯片ad9851的6倍頻得到。而晶振的頻率穩(wěn)定度為10-6量級(jí)，所以整體頻率穩(wěn)定度： 10-6×6=0.6×10-5，在10-5量級(jí)，滿足題目要求。4ADC參數(shù)計(jì)算本題要求當(dāng)變送器端輸入的可調(diào)電阻值在10002000之間變化時(shí)，輸出的相應(yīng)正弦信號(hào)的頻率在1000kHz2000kHz之間變化。顯示分辨率為100HZ,由此可計(jì)算出單片機(jī)發(fā)送的頻率控制字K的個(gè)數(shù)至少為： （2000K-1000K）/100=10000個(gè)對(duì)應(yīng)的數(shù)字量至少為10000個(gè)，這樣需要一個(gè)高精度的ADC轉(zhuǎn)換芯片，至少對(duì)輸入的模擬量能產(chǎn)

13、生不少于 10000個(gè)采樣點(diǎn)，因此選用ADC芯片的分辨率不低于16位，為了取得更高的精度，所以本設(shè)計(jì)選用分辨率為24位ADC轉(zhuǎn)換芯片（ADS1255IDBT）。5. 電源運(yùn)放的分析在設(shè)計(jì)兩線制V/I變換電路時(shí)，需要選擇一款合適的電源運(yùn)放芯片。LM324是最常見的也是價(jià)格最低的單電源運(yùn)放，耗電400uA/運(yùn)放。單電源供電時(shí)，輸入從-0.3VVcc-1.5V范圍內(nèi)正常工作。若果換成OP07等精密放大器，因?yàn)檩斎腚妷翰辉试S低至0V，在該電路中反而不能正常工作。R5和U1構(gòu)成基準(zhǔn)源，產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。OP2構(gòu)成一個(gè)同向放大器，將基準(zhǔn)放大，向調(diào)理電路及傳感器供電。因?yàn)閷捿斎腚妷骸⒌凸牡姆€(wěn)壓器

14、稀少成本高；將基準(zhǔn)放大作為穩(wěn)壓電源是一個(gè)廉價(jià)的方案。所以選擇LM324。三、硬件電路設(shè)計(jì)1.電源模塊分析與設(shè)計(jì)電源變壓器整流濾波穩(wěn) 壓圖3.1電源的基本框圖 正弦信號(hào)發(fā)生器需要DDS芯片AD9851來產(chǎn)生信號(hào)源，用到單片機(jī)來控制系統(tǒng)等。系統(tǒng)使用的直流穩(wěn)壓電源電壓需要多個(gè)值，且要求輸出電壓穩(wěn)定，紋波電壓小。為此，我們用LM317設(shè)計(jì)兩路電壓可調(diào)電源，需用到兩種不同電壓時(shí)可將電源地端相連為系統(tǒng)供電。則可輸出穩(wěn)定電壓，我們本系統(tǒng)中使用到+24V和+5V穩(wěn)壓電源。（電源模塊的原理圖如圖3.2所示）圖3.2 電源原理圖 為了讓輸出的電壓穩(wěn)定，我們采用LM317三端集成可調(diào)的穩(wěn)壓電源，LM317是固定集成

15、穩(wěn)壓器芯片，可以達(dá)到大范圍的輸出電壓的調(diào)整。穩(wěn)壓電源一般有5部分，即電流降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、保護(hù)電路。由LM317組成的穩(wěn)壓電路，交流220V電壓經(jīng)電源變壓器降壓整流得到直流電壓，此電壓通過濾波電路輸入到集成穩(wěn)壓器輸入端，在集成穩(wěn)壓器可達(dá)到1.2V-37V直流電壓。集成穩(wěn)壓器的自身保護(hù)原理：為獲得較高的輸出電壓值，LM317穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)端余地之間的電阻值及其壓降往往較大。穩(wěn)壓器的輸入端接入電容，提供足夠的電流供給，同時(shí)防止可能發(fā)生的自激振蕩以及減小高噪聲和改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入端發(fā)生短路時(shí)，為此在穩(wěn)壓器兩端并接二極管D1，輸入端短路時(shí)通過D1放電，保護(hù)穩(wěn)壓器。在此電路中

16、我們采用的器件有:有極性電容、無極性電容、LM317、變壓器、二極管、電位器。2.壓力橋及調(diào)理電路模塊分析與設(shè)計(jì) 圖3.3 調(diào)理電路選用AD623可在5V電壓下工作，AD623是常用的低功耗精密差動(dòng)放大器，用在差分輸出前級(jí)放大。AD623失調(diào)最大200uA，變送應(yīng)用保證的精度足夠。Ro將0.4V疊加在AD623的REF腳上，在壓力等于零的情況下通過調(diào)整Ro使輸出4mA，再調(diào)整Rg輸出20mA,完成校準(zhǔn)。在設(shè)計(jì)電路時(shí)，壓力傳感器相當(dāng)于一個(gè)千歐級(jí)的電阻，耗電一般比大。適當(dāng)降低壓力橋的激勵(lì)電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降，需要提高AD623的增益。圖中我們采用恒壓供電，在實(shí)際的應(yīng)用中需要

17、恒流供電才能獲得較好的特性，可用一個(gè)運(yùn)放構(gòu)成恒流源為其提供激勵(lì)。通過調(diào)整壓力橋的電阻值，將物理量轉(zhuǎn)換成電參量，調(diào)理電路將輸出的微弱信號(hào)或非線性的電信號(hào)進(jìn)行放大、調(diào)理、最終轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。3.兩線制變換電路的設(shè)計(jì)與分析圖3.4 兩線制變換電路兩線制V/I變換電路是一種可以用電壓信號(hào)控制輸出電流的電路。兩線制V/I電路與一般V/I變換電路不同。兩線制V/I電路的電壓信號(hào)不是直接控制輸出電流，而是控制整個(gè)電路自身耗電電流。同時(shí)，還要從電流環(huán)路上提取穩(wěn)定的電壓為調(diào)理電路供電。圖3.4是基本的原理圖，圖中OP1、Q1、R1、R2、Rs構(gòu)成了V/I變換器。分析反饋過程：若A點(diǎn)因?yàn)槟撤N原因高于0V，則

18、運(yùn)放OP1輸出電壓升高，通過Re電流變大。相當(dāng)于整體耗電變大，通過采樣電阻的Rs的電流也變大，B點(diǎn)電壓變低。結(jié)果通過R2的將A點(diǎn)電壓拉下來。反之，若A點(diǎn)因某種原因低于0V，也會(huì)被負(fù)反饋抬高回0V。總之，負(fù)反饋的結(jié)果是：OP1虛斷，A點(diǎn)電壓=0V。由于u-=u+,所以可求得輸出電壓UO與輸入電壓Ui的關(guān)系為Uo=(1+Rf/R1)U+=(1+Rf/R1)Ui當(dāng)Uo=5V,Ui=2.5V時(shí)；Uo=(1+Rf/R1)UiRf= R1=100k分析V0對(duì)耗電的控制原理：流過R1的電流：I1=Vo/R1B點(diǎn)的電壓： VB=-I1*R2=-Vo*R2/R1取R2=R1時(shí)，有VB=Vo電源負(fù)和整個(gè)變送器電路

19、之間只有Rs、R2兩個(gè)電阻，因此所有的電流流過Rs和R2。電路的總電流：Is=Vo/(RsR1)如果取R2Rs:則Is=Vo/Rs當(dāng)調(diào)理電路輸出0.4V-2.0V的時(shí)候，總耗電電流4mA-20mA，若不能滿足R2Rs也沒關(guān)系，R2與Rs并聯(lián)是個(gè)固定的值，Is與Io仍然是線性的關(guān)系，誤差比例系數(shù)在校準(zhǔn)時(shí)可以消除。4.電流接收器模塊圖3.5電流接收電路RCV420是精密的電流環(huán)接受芯片，用于將4-20mA輸入信號(hào)轉(zhuǎn)換成0-5V輸出信號(hào)。它包含了一個(gè)高級(jí)運(yùn)算放大器、一個(gè)精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個(gè)精密10V電壓基準(zhǔn)。其總轉(zhuǎn)換精度為0.1，RCV420在滿量程的電壓下降壓僅為1.5V。當(dāng)輸4-20mA電流輸入對(duì)

20、應(yīng)0-5V電壓輸出時(shí)，要求電路的傳輸阻抗為：Vout/Iin=5V/16mA=0.3125V/mA為了得到期望的輸出（4mA時(shí)0V,20mA時(shí)5V），放大器的輸出必須有一個(gè)偏置：Vos=-4mA×(03125 V/mA)=-1.25V輸入電流信號(hào)接至+IN端還是-IN端取決與信號(hào)的極性，并經(jīng)過中心抽頭CT返回地端。兩個(gè)匹配的75檢測(cè)電阻Rs構(gòu)成對(duì)稱輸入，可最程度地抑制CT腳的共模電壓信號(hào)，消除不同輸入端電流在差分電壓轉(zhuǎn)換時(shí)的不均衡。檢測(cè)電阻將輸入的電流信號(hào)經(jīng)過差分放大器放大，轉(zhuǎn)換成一個(gè)與之成正比的電壓。四、軟件設(shè)計(jì)受控正弦信號(hào)發(fā)生器的軟件重要任務(wù)就是對(duì)AD采樣返回的數(shù)據(jù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)挠?jì)算

21、，把它對(duì)應(yīng)的頻率控制字送到AD9851模塊中，并把電阻值、電流值、頻率在液晶上顯示出來。ADC的任務(wù)是對(duì)電阻的變化最終引起電壓變化的模擬量進(jìn)行采集。軟件流程圖如下：圖4.1 軟件流程圖五系統(tǒng)測(cè)試1、測(cè)試儀器 GDS-2202數(shù)字示波器 VCTOR VC9806+數(shù)字萬用表2. 測(cè)試數(shù)據(jù)及其分析 （1）基本要求表一測(cè)得的變換精度如下表所示設(shè)定電阻值顯示值（）環(huán)路電流值（mA）變化精度非線性度100010054.020.5%1.1%120012047.240.6%1.2%1400140810.450.5%1.5%1600159613.560.3%1.3%1800180617.00.1%1.2%2000199519.950.3%1.4% 變化精度的計(jì)算：變化精度=（實(shí)際值-理論值）/理論值；非線性度：非線性度最大誤差¸(滿度零度)´100%；表二信號(hào)發(fā)生器有輸出時(shí)對(duì)應(yīng)的設(shè)定和顯示電阻值電阻顯示值電阻測(cè)量值頻率（KHz）信號(hào)發(fā)生器停止工作時(shí)的電阻值1500149623（2）發(fā)揮部分表三 頻