三相信号源设计资料Word下载.docx
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第三周
完成三相信号发生器设计硬件电路调试和软件程序调试，编写设计说明书。
提交硬件设计作品及硬件课程设计说明书，完成硬件课程设计面试。
2013.5.6-2013.5.10
五、指导教师评语及学生成绩
指导教师评语:
2013年5月11日
成绩
指导教师（签字）:
引言
在现代电子系统的测试和应用中，信号源是必不可少的。
根据不同系统对信号的不同要求，人们希望信号源输出波形信号的幅值、频率可调，且频率准确、稳定；
甚至在一些情况下还希望信号源能够输出相位关系确定的多路信号。
因此，传统的模拟信号源已经远远不能满足目前的电子设计要求，而是直接采用数字化合成技术产生的全数字化信号源。
以数字化为基础的智能信号源，不仅在性能上有质的飞跃，功能上也更强大，操作更简单。
经过考虑，我决定设计一台三相信号源，来代替电网的高压三相电，满足部分电力系统实验的模拟和研究，同时，还可以用做测试信号。
第一章系统设计方案与论证
1.1总体方案选择
方案一：
利用模拟开关和电阻网络产生阶梯波，从而拟合出正弦信号。
但为了准确的增益阶跃，选取精密电阻十分困难，而且为了消除模拟开关导通电阻的影响，需要加电位器微调，即麻烦，又不能达到精度要求。
方案二：
以单片机为控制核心，利用单片机片发出数字量通过DAC转换器输出所需波形。
控制单片机写入到数模转换器的数字量，即可控制其输出的模拟电压值。
波形发生程序控制单片机输出到DAC模块的数据，使其产生所需波形的模拟电压。
改变更新输出数据的时间间隔，控制输出波形的频率。
可将一个周期正弦波分为72个时段，每时段起始正弦值存入数组，DAC用该数组数据拟合正弦波。
当单片机的两路DAC输入数据在所存数组中相差24个单元，即可保证DAC0和DAC1输出正弦波相位相差120°
。
设DAC0和DAC1对应三相正弦交流电中的uA和uB相电压，相电压uC=-（uA+uB）。
因此，可将DAC0和DAC1输出经反相加法器合成为相电压uC，使信号发生器同时输出三相基波信号。
此方案输出信号稳定，电路设计也相对简单。
方案三：
从电网引入三相交流电，通过变压器降压，再通过滤波电路滤去高频杂波，得到三相信号。
再通过一些后续电路实现频率及其幅值的调整，以达到设计要求。
此方案得到的信号频率固定，后续调整较为麻烦。
综合考虑我们选择方案二。
1.2器件的选择
1.2.1控制芯片选择
采用目前比较通用的51系列单片机。
此单片机的运算能力强,软件编程灵活,自由度大。
虽然该系统采用单片机为核心,能够实现对外围电路的智能控制,但核心控制部件使用89C51时,为达到设计的要求,外围电路必须加上D/A芯片,这就使得整个系统硬件电路变得复杂,而且D/A器件价格较高,使得系统的性价比偏低。
采用MSP430F169单片机。
此单片机功能较强，性价比高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗小及具有较高的数据处理和运算能力。
由于MSP430F169单片机内部集成了D/A转换器,不需外加D/A。
这种方案既能实现智能化的特点,简化硬件电路,提高测量精度,这给调试、维护和功能的扩展、性能的提高,带来了极大的方便。
鉴于上面考虑,我们采用方案二。
1.2.2显示器选择
采用LED显示，把测量所得到的高度通过数码管显示。
数码管亮度高，体积小，重量轻。
再配上74HC164（串行输入转并行输出），使其不需要时时更新吧，节省CPU资源，而且可以使数据稳定，以达到静态显示的目的。
采用12864LCM点阵显示器，点阵显示界面友好，显示信息量丰富，接口电路简单，可以和单片机直接相连。
考虑到本题显示信息较少，只需要显示三相信号的频率，12864LCM点阵显示器性价比较差，所以，我们决定选择LED数码管作为本系统的显示模块。
1.2.3键盘模块选择
采用普通按键模式，通过点阵显示器索显示的信息对系统进行控制，方便快捷，易于实现。
采用4×
4矩阵键盘，其优点是按键数目较多，方便数据输入，但需要单片机对其进行动态扫描，耗电量较高，编程较难。
考虑到本系统的输入信息较少，我们选择普通按键作为本系统的键盘模块。
第二章系统硬件电路设计
本设计采用MSP430F169单片机作为系统控制单元，单片机通过按键或上位机读取用户设置的输出信号频率，再通过D/A转换发出给定值，并通过滤波和放大产生A相和B相信号，再将A相和B相信号反向求和得到B相信号，设置及输出信号参数通过LED显示屏显示。
系统结构框图如图2-1所示。
图2-1系统结构框图
2.1单片机小系统设计
采用MSP430F169单片机作为系统控制单元，外配4MHz主晶振和32768Hz的辅助晶振、复位电路、按键电路、LM12864显示器构成单片机小系统，MSP430F169单片机小系统电路如图2-2所示。
图2-2MSP430F169单片机小系统电路
2.1.1MSP430F169单片机及内部模块介绍
MSP430F169是TI公司进入中国市场的MSP430F系列单片机中功能最强的芯片。
内部模块如下：
（1）CPU（中央处理单元）：
执行程序，处理16位二进制数据，自动执行。
（2）振荡器系统时钟：
与外电路配合产生方波时钟信号，驱动CPU按时钟节拍工作。
（3）JTAG接口：
与计算机系统连接，下载、仿真运行程序，自动执行。
（4）只读存储器（ROM）：
容量64KB,存储程序、常数数据，执行过程中不能改动，掉电不丢失。
下载时自动完成。
MSP430F413的F是指该单片机采用FLASH型只读存储器。
（5）随机存储器（RAM）：
容量64KB,存储数据，执行过程中可改动，掉电丢失。
自动执行。
（6）上电复位：
与芯片58脚（/RST-RESET）配合，芯片供电后引脚电平由低到高，CPU开始工作，自动执行。
（7）PIO端口：
并行（8条引脚对应8位二进制数）输入输出接口，实现微控制器与外电路连接。
P1至P6输入输出功能相同，但P1和P2具有中断功能。
（8）看门狗定时器：
实现定时功能，。
（9）增计数模式：
捕获/比较寄存器CCR0用作Timer_A增计数模式的周期寄存器，因为CCR0为16位寄存器，所以该模式适用于定时周期小于65536的连续计数情况。
计数器TAR可以增计数到CCR0的值，当计数值与CCR0的值相等（或定时器值大于CCR0的值）时，定时器复位并从0开始重新计数。
增计数模式的计数过程如图2-3所示。
通过改变CCR0值，可重置计数周期。
图2-3增计数模式示意图
2.1.2复位电路设计
当系统一上电先经RC电路对电容充电，电容电压不能跃变，为低电平，单片机自动复位，当电容充电过1/2VCC时，为逻辑高电平，单片机完成复位，开始正常工作状态。
当出现紧急情况需要复位时，按下按键，电容对地放电，当电容电压低于1/2VCC时，单片机复位，松开按键，再重复上过程。
我还配以保护二极管用以钳制引入单片机的电压不大于5V，从而保护单片机。
2.1.3按键电路设计
按键引入经过二极管的电源电压VCC1，再经下拉电阻接地，当按键没有按下时，单片机读入低电平，当按键按下时读入高电平，大约4.3V。
2.2A相信号输出电路
单片机DA转换器产生的A相信号经过RC滤波电路,产生正弦信号，由电压跟随器送入反向比例放大电路放大输出，如图2-4所示。
图2-4A相信号输出电路
2.2.1隔直滤波电路设计
单片机DAC输出电压范围0—2.5V（峰—峰值），中心轴（偏移量）对应1.25V，没有负压。
所以必须经过隔直滤波，将DAC输出的信号整体下移1.25V，使中心轴对应0V，从而模拟产生正弦信号。
我设计选用RC隔直滤波。
2.2.2放大电路设计
由于经过隔直滤波产生的电压信号是幅值为1.25V的正弦信号，幅值和要求的比较太小，需要功率放大，我选用同向比例放大电路将幅值放大。
放大比例关系如式2-2-2。
（2-2-2）
为了避免隔直滤波电路和放大电路之间的干扰，再在两者之间加电压跟随器，将两者隔离。
2.3B相信号输出电路
单片机的另一路DA转换器产生B相信号，原理和电路设计和A相完全相同，电路设计如图2-5所示。
图2-5Ｂ相信号输出电路
2.4C相信号输出电路
由三相交流电的基本特性uC=-（uA+uB），将产生的A,B两相信号引入反相加法器求和，再经放大电路放大输出，电路如图2-6所示。
图2-6Ｃ相信号输出电路
2.4.1求和电路设计
MSP430F169单片机只有两路DAC,没办法产生C相信号，所以，我考虑用A,B两相信号合成并取反产生。
并设计选择了A,B两相通过反向比例求和电路产生C相。
合成产生C相信号关系式如式2-4-1
（2-4-1）
2.4.2放大电路设计
同A相完全一样。
（略）
2.5显示电路设计
LED显示模块与单片机连接电路如图2-7所示。
图2-7LED显示模块与单片机连接电路
由单片机的P4.0发出数据，P1.0发出移位时钟信号，从而驱动74HC164，完成串行输入转并行输出用以驱动LED数码管。
74HC164芯片内部结构如图2-8所示。
图2-874HC164芯片内部结构
2.6电源电路设计
为了给三相信号源系统供电，电源电路如图2-9所示，输出±
5V直流电压。
图2-9电源电路
2.6.1单相桥式整流电路
变压器的作用是将交流电网电压u变成整流电路要求的交流电压；
四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，固有桥式整流电路之称。
在电源电压u的正、负半周内电流通过负载方向相同，属全波整流，将交流电变为脉动。
2.6.2滤波电路
滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或在整流电路输出端与负载间串联电感器L，以及由电容、电感组合而成的各种滤波电路。
对小负载的电源，仅采用电容虑波即可。
2.6.3稳压电路
稳压电路是将不稳定的直流电压变为稳定的直流电压的集成电路，一般均采用稳压芯片制作稳压电路。
由于稳压芯片具有稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、体积小、重量轻等显箸优点，在各种电源电路中得到了普遍的应用。
常用的稳压芯片有78XX和79XX系列，其中78XX系列为正电压输出，79XX系列为负电压输出，输出电压有±
5V、±
9V、±
12V、±
15V、±
18V等规格，最大输出电流为1.5A。
它的内部含有限流保护、过热保护和过压保护电路，采用了噪声低、温度漂移小的基准电压源，工作稳定可靠，使用十分方便。
第三章程序设计
3.1程序部分参数计算
DAC输出电压范围0—2.5V（峰—峰值），对应输入数字量范围0—0FFFH；
中心轴（偏移量）对应1.25V（数字量800H）；
最大值1.25V（数字量800H）。
若将一个正弦周期分为72个点，个点对应的DAC输入数值计算公式如下：
（再变为十六进制数）。
其中N为各时段序号，Din为DAC输入数值。
逐段求出后基波数据后，转换成十六进制数用常量数组存入单片机（常量数组占用ROM）。
定时中断时间常数计算公式：
其中：
Buf_TB是MSP430F169单片机定时器B定时中断时间常数；
F是单片机定时器B所选时钟频率（8MHz）；
N1是一个基波周期所分时段数；
N2是基波频率数。
3.2各程序流程图
3.2.1主程序流程图
图3-1主程序流程图
3.2.2看门狗定时器流程图
图3-2看门狗定时器流程图
第四章测试数据及测试结果分析
4.1测试工具
本设计采用频率计，示波器，万用表等进行测试。
4.2测试数据
（1）测定输出信号频率
测试数据如下：
设定信号频率（HZ）
10
20
30
45
50
53
60
75
99
输出信号频率（HZ）
结果分析
经测量我们得到上面的数据，当设定输出为正弦波信号频率时，输出信号的频率误差小于0.02Hz，达到了题目要求。
误差引起的因素包括硬件电路的设计，外界的干扰，算法的选择以及测量工具本身灵密度造成的测量误差等。
结论
本设计能够输出正弦波信号，输出频率范围10~99Hz可调，步进1Hz，能够通过LED数码管显示输出信号参数。
从这次的电子竞赛中，我真正地意识到，在以后的学习中，要理论联系实际，把我们所学的理论知识用到实际当中，知识只有在经常的温习使用的过程中才能提高升华。
还有要锻炼自己的动手能力，不能一味地去学习理论而不实践。
随着科学的迅猛发展，新技术的广泛应用，会有很多领域是我们未曾接触过的，只有敢于去尝试才能有所突破，有所创新。
也不仅仅是通过几项工种所要求我们锻炼的几种能力，更多的则需要我们每个人在竞赛结束后根据自己的情况去感悟，去反思。
只有勤奋自勉，才能有所收获。
参考文献
[1]胡大可.MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机.北京：
北京航空航天大学出版社，2001
[2]秦龙.MSP430单片机常用模块与综合系统.北京：
电子工业出版社，2007
[3]曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践.北京:
北京航空航天大学出版社，2007
[4]康华光.电子技术基础模拟部分.北京：
高等教育出版社.2002
[5]时景荣，李立春.C语言程序设计.北京：
中国铁道出版社.2007
附录
/***********************************************************
*MSP430F169双路正弦波发生器程序清单
************************************************************/
#include<
msp430x16x.h>
*双路正弦波数据表，存入ROM区
constintNUM_SIN0[72]={//正弦波数据表
0x800,0x8b2,0x963,0xa12,0xabc,0xb61,0xc00,0xc96,0xd24,0xda8,0xe20,0xe8d,//0_55度
0xeed,0xf40,0xf84,0xfba,0xfe0,0xff8,0xfff,0xff8,0xfe0,0xfba,0xf84,0xf40,//60_115度
0xeed,0xe8d,0xe20,0xda8,0xd24,0xc96,0xc00,0xb61,0xabc,0xa12,0x963,0x8b2,//120_175度
0x800,0x74d,0x69c,0x5ed,0x543,0x49e,0x400,0x369,0x2db,0x257,0x1df,0x172,//180_235度
0x112,0x0bf,0x07b,0x045,0x01f,0x007,0x000,0x007,0x01f,0x045,0x07b,0x0bf,//240_295度
0x112,0x172,0x1df,0x257,0x2db,0x369,0x400,0x49e,0x543,0x5ed,0x69c,0x74d};
//300_355度
constintNUM0[8]={0X00,0X00,0X80,0X80,0X80,0X80,0X80,0X80};
constunsignedshortintN1=72;
//一个周期分组数
intxs[]={0xfc,0x60,0xda,0xf2,0x66,0xb6,0xbe,0xe0,0xfe,0xf6};
constunsignedlongintF=8000256;
//高速时钟频率
shortintBuf_TB,N_sin,N_sin1;
//定时器中断周期、sin分组数
unsignedintxdata=50,indata,setdata,aindata,setadata,N2=50,i,a,b;
unsignedinta1,a2,b1,b2,i;
/***************************************************************
*串行输入转并行输出（数码管驱动显示）子程序
***************************************************************/
voidczb（void）
{
a1=xdata/10;
a2=xdata%10;
b1=xs[a1];
b2=xs[a2];
i=0;
while（i<
16）
{if（i<
8）
{P4OUT=b1&
0x01;
P1OUT=0x01;
P1OUT=0x00;
b1=b1/2;
}
if（i>
7）
{P4OUT=b2&
b2=b2/2;
i++;
}
*设置TimerB输出PWM的工作模式
voidinit_TB（void）
{
Buf_TB=（int）（F/（N1*N2））;
TBCCR0=Buf_TB;
TBCTL=TBSSEL_2+TBCLR+SHR_0;
//SMCLK,clearTBR,
TBCCTL0=CCIE;
//中断使能CCR0
TBCTL|=MC0;
//设置递增模式
*TimerB0中断服务程序
#pragmavector=TIMERB0_VECTOR//中断程序入口地址
__interruptvoidtimer_B（void）
//interrupt[TIMERB0_VECTOR]voidTimer_B（void）
DAC12_0DAT=NUM_SIN0[N_sin];
//ccr1Pwmcycle
N_sin1=N_sin+24;
if（N_sin1>
71）
{N_sin1=N_sin1-72;
DAC12_1DAT=NUM_SIN0[N_sin1];
N_sin=N_sin+1;
if（N_sin==72）
{N_sin=0;
_NOP（）;
*WDT中断服务程序
#pragmavector=WDT_VECTOR//中断程序入口地址
__interruptvoidwatchdog_timer（void）
//interrupt[WDT_VECTOR]voidwatchdog_timer（void）
indata=P2IN&
0x07;
if（indata!
=0）
{
switch（indata）
case1:
xdata=xdata+1;
if（xdata>
99）{xdata=10;
}break;
case2:
xdata=xdata-1;
if（xdata<
10）{xdata=99;
case4:
setdata=xdata;
N2=setdata;
init_TB（）;
break;
czb（）;
main函数
***********************************************************/
voidmain（void）
WDTCTL=WDT_ADLY_250;
//WDT间隔时间为250ms（ACLK）
BCSCTL1=~XT2OFF+SELS;
//清零位=高频xtalon
BCSCTL2=SELS;
//选择SMCLK=HFxtal
P4DIR|=0x01;
P4OUT=0x00;
P1DIR|=0x01;
ADC12CTL0=REF2_5V+REFON;
//内部2.5V参考源接通
DAC12_0CTL=DAC12IR+DAC12AMP_5+DAC12ENC;
//内部参考源为1
DAC12_1CTL=DAC12IR+DAC12AMP_5+DAC12ENC;
DAC12_0DAT=0x800;
//1.25V
DAC12_1DAT=0x800;
IE1|=WDTIE;
//使能WDT中断
_EINT（）;
//使能中断
xdata=50;
a1
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