微弱信号检测和控制要点.docx

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微弱信号检测和控制要点

保密类别   编号 20091080604020  

武汉大学珞珈学院

毕业论文

基于单片机的微弱信号的检测和控制装置

系别电子信息科学系

专业通信工程

年级2009级通信一班

学号20091080604020

姓名毛伟

指导教师方洁

武汉大学珞珈学院

2013年05月01日

摘　　要

本系统为一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。

正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。

噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。

当输入正弦波信号VS的频率为1kHz、幅度峰峰值在200mV~2V范围内时，要求误差不超过5%。

采用以TI公司超低功耗单片机MSP430G2553为核心的Launchpad开发板来处理数据和驱动1602液晶屏显示正弦波信号的幅度值。

关键词：

噪声微弱信号检测MSP430G2553.

Weaksignaldetectionbasedonsingle-chipmicrocomputerandcontroldevices

ABSTRACT

WeakSignalDetectionsystemisusedtotestthemagnitudeofaSinewithknownfrequency,inthecontextofheavynoise,anddisplaythemagnitudewithSMC1602.Thenoiseisproducedbythe.wavfile,andSDG1025providetheSinewave.Changingthevolumecancontrolthemagnitudeofthenoise.Theerrorshouldbeunder5%whentheVpprangingfrom200mVto2Vwiththefrequencyof1KHz.ThesystemisbasedontheLaunchpad,withthecoreofultra-lowpowerMSP430G2553（MCU）.ThendealwiththedataanddisplaythemagnitudewithSMC1602.

Keywords:

noiseWeakSignalDetectionsystemMSP430G2553.

目录

第1章绪论

1.1单片机的定义……………………………………………………………………

1.2单片机的发展概况………………………………………………………………

1.3单片机的应用……………………………………………………………………

第2章方案设计与论证

2.1输入电路………………………………………………………………

2.2程控增益………………………………………………………………

2.3信号变换电路…………………………………………………………

第3章系统设计及参数计算

3.1集成运算放大器放大信号………………………………………………

3.2差模放大的电压放大倍数计算…………………………………………

3.3差模放大倍数计算………………………………………………………

第4章硬件设计

4.1前级衰减电路及变换电路………………………………………………

4.2程控增益电路……………………………………………………………

4.3衰减网络…………………………………………………………………

4.4总体电路…………………………………………………………………

第5章程序设计

5.1程序流程图………………………………………………………………

第6章测试方案与测试结果

6.1测试仪器及条件…………………………………………………………

6.2测试数据及分析…………………………………………………………

结论……………………………………………………………………………………………

参考文献…………………………………………………………………………………………

附录…………………………………………………………………………………………………

后记…………………………………………………………………………………………………

（结论、参考文献、致谢及附录黑体4号）

第1章绪论

（章标题段前为0.8行、段后为0.5行）

1.1单片机的定义

单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。

尽管它的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：

CPU、内存、内部和外部总线系统。

单片机是将中央处理器，随机存储器。

只读存储器，定时器芯片和I/O接口电路集成于一个芯片上的微控制器。

单片机也被称为微控制器（Microcontroler），是因为它最早被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对提及要求严格的控制设备当中。

INTEL的Z80是最早按照这种思想设计出的处理器，从此以后，单片机和专用处理器的发展便分道扬镳。

1.2单片机的发展概况

单片机作为微型机的一个重要分支，应用面很广，发展很快。

它的生产与发展和微处理器的产生与发展同步，以8位单片机为起点，单片机的发展历史大致可分为三个阶段。

第一阶段（1976—1978年）：

以Intel公司的MCS-48系列单片机为代表，该机是计算机发展史上的重要里程碑，标志着工业控制领域的智能化控制时代的开始。

该系列单片机在片内集成了8位CPU、并行I/O接口、8位定时器/计数器、RAM和ROM等，无串行I/O接口，中断处理较简单，片内RAM、ROM容量小，寻址范围不大于4KB。

第二阶段（1978—1983年）：

以Intel公司的MCS-51系列单片机为代表，结构和性能在不断改进和发展。

该系列的单片机均带有串行I/O接口，具有多级中断处理系统，定时器/计数器为16位，片内RAM和ROM容量相对增大，有的片内还带有A/D转换接口。

第三阶段（1983年至今）：

高档8位单片机巩固发展及16位单片机推出阶段。

此阶段主要特征是：

一方面不断完善高档8位单片机，改善其性能、结构，以满足不同用户的需要；另一方面发展16位单片机及专用单片机。

16位单片机除了CPU为16位外，片内RAM和ROM的容量进一步增大，片内RAM位232B，ROM为8KB，片内带有高速输入/输出部件，多通道10位A/D转换部件，8级中断处理功能，所以实时处理能力更强。

近年来，32位单片机已进入了实用阶段。

单片机的发展趋势是：

大容量化、高性能化；小容量低价格化；外围电路内装化等。

1.3单片机的应用

单片机广泛应用于仪器仪表、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域，大致可分如下几个范畴：

1.在智能仪器仪表上的应用

单片机具有体积小、功耗低、控制功能强、扩展灵活、微型化和使用方便等优点，广泛应用于仪器仪表中，结合不同类型的传感器，可实现诸如电压、功率、频率、湿度、温度、流量、速度、厚度、角度、长度、硬度、元素、压力等物理量的测量。

采用单片机控制使得仪器仪表数字化、智能化、微型化，且功能比起采用电子或数字电路更加强大。

例如精密的测量设备（功率计，示波器，各种分析仪）。

2.在工业控制中的应用

用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。

例如工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。

3.在家用电器中的应用

可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭褒、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。

4.在计算机网络和通信领域中的应用

现代的单片机普遍具备通信接口，可以很方便地与计算机进行数据通信，为在计算机网络和通信设备间的应用提供了极好的物质条件，现在的通信设备基本上都实现了单片机智能控制，从手机，电话机、小型程控交换机、楼宇自动通信呼叫系统、列车无线通信、再到日常工作中随处可见的移动电话，集群移动通信，无线电对讲机等。

5.单片机在医用设备领域中的应用

单片机在医用设备中的用途亦相当广泛，例如医用呼吸机，各种分析仪，监护仪，超声诊断设备及病床呼叫系统等等。

此外，单片机在工商，金融，科研、教育，国防航空航天等领域都有着十分广泛的用途。

第2章方案设计与论证

2.1输入电路

方案一：

如下图所示，使用三个运放构成同相关联式高阻电路，电路结构简单，但是它对电路的对成性要求高，要求两个运放的性能完全一样，实现的难度较大。

同时它的共模抑制比很低，很难达到题目要求。

图1-1高阻输入

方案二：

采用集成运放IN128，IN128具有高共模抑制比，输入阻抗高，且电路简单，性能稳定。

综合考虑，选择方案二。

2.2程控增益

方案一：

采用多级放大达到1000倍放大，利用VCA810程控增益。

此方案对VCA810的基准电压要求很高，在精度上对ＡＤ要求挑剔，很难实现步进为１的控制。

方案二：

选择数字程控芯片PGA202，PGA可实现1、10、100、1000倍增益档位变换。

只需要单片机进行简单的控制，即可改变放大倍数，电路连接简单。

然后通过dac7811与op07构成的步进程控衰减器，实现1-1000倍不进可调。

由于dac7811可视作电阻衰减网络，可实现步进为上述所示的数值。

综上，选择方案二。

2.3信号变换电路

方案一：

信号分为两路，一路跟射随，一路接方向变换。

方案二：

采用运放及电路可使信号温漂减少且变换成功。

本次设计本应采用第二种方案，但资源不足，所以采用方案一。

第3章系统设计及参数计算

3.1集成运算放大器放大信号

用集成运算放大器放大信号的主要优点:

（1）电路设计简化，组装调试方便，只需适当配外接元件，便可实现输入输出的各种放大关系..

（2）由于运放得开环增益都很高，用其构成的防大电路一般工作的深度负反馈的闭环状态，则性能稳定，非线性失真小。

（3）运放的输入阻抗高，失调和漂移都很小，故很适合于各种微弱信号的放大。

又因其具有很高的共模抑制比，对温度的变化，电源的波动以及其他外界干扰独有很强的抑制能力。

3.2差模放大的电压放大倍数计算

第一级差模放大的电压放大倍数计算：

由于运放A1、A2均满足虚短和虚断，流入两运放的电流均可认为为零，故有

VA=Vi1VB=Vi2

VR10=Vi1-Vi2

得到:

运放A3实际构成求差电路,满足关系式:

带入该关系式得到

运放A4结成的是反向比例放大器,满足关系式:

因而最终测量放大器的放大倍数为:

从式子中可以看到通过调节R12的值即可实现对测量放大器放大倍数的调节,其前级主要用于抑制共模信号及提高整个电路的输入电阻,并不承担主要的放大任务,放大主要由最后一级比例放大器来完成,因而在电阻选择上考虑到这方面因素,本设计前级放大器的放大倍数

最后一级放大倍数

而R12是一个100k的电位器，R11阻值为10k，故最后一级的增益最高可达500倍，最小增益可以小于1，完全可以满足实验的基本要求，但满足不了发挥部分的要求，因而在实