数控正弦信号的产生Word文档下载推荐.docx

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2.1系统总体设计

按照题目要求，我们设计的受控正弦信号发生器包括MSP430F149单片机模块、二线式电流变送器、I/V转换电路、稳压电源七大功能模块。

其总体框图如图2-1。

图2-1总体框图

2.2二线式电流变送器方案选择

方案一：

采用TI专用芯片XTR105精密电流变送器制作实现，可把传感器的电压信号自动地变换成标准电流信号。

内含一个高精度的仪表放大器、一个电压／电流变换器和二个相同的0.8mA精密恒流源基准，该电路失调电压低，最大为50V，漂移小，最大为0．4V/℃，外接元件可适于远程信号传输变换和热电偶、电阻温度计（RTD）、热敏电阻以及应变计电桥等多种工作状态的变送器电路。

实际应用时，应在输出端外加一个功率管，使工作时的热源外移，以保证其工作稳定性。

但是成本相对较高。

方案二：

采用TI公司的LM124运算放大器作为主要元器件，通过仪表放大电路、放大电路、电流/电压转换电路，最终将电阻的阻值转换成电路的电流值，同样可以达到精密电流变送器的功能。

根据题目要求，再考虑该电路的成本问题，最终我们使用方案二。

2.3功率放大器方案选择

使用分立元件搭建的功率放大电路，这种方法制作成本低，但是电路制作比较复杂，而且稳定度和精度难以达到很高。

采用单个BUF634，BUF634是一款宽带缓冲器，可以±

12V进行供电，为输出大于5V峰峰值的正弦波提供了可能；

单片BUF634可以输出250mA电流，为驱动50Ω负载提供了可能；

而且采用缓冲器电路，稳定度和精度较高。

为了达到更高的稳定度和精度，系统选用方案二。

2.4直流稳压电源方案选择

线性稳压电源，包括并联型和串联型两种结构。

并联型电路复杂，效率低，仅用于对调整速率和精度要求较高的场合；

串联型电路比较简单，效率较高，尤其是若采用集成三端稳压器，更加方便可靠。

开关稳压电源。

此方案效率高，但电路复杂，开关电源的工作频率通常在几十～几百KHz，基波与很多谐波都在本放大器通频带内，很容易带来串扰。

由于系统要求精度较高，我们采用方案一中并联型稳压电源。

3系统分析与计算

3.1二线式电流变送器分析

对R7，R8，R14，R30和电位器组成的测量电桥，为了保证电桥输出电压信号的稳定性，电桥的输入电压由TL431芯片来提供。

从电桥获取的差分电压信号通过两级运放放大后，再经过V/I转换电路，转换为4～20mA的标准电流信号输出，因为A/D只能采集电压信号，所以在信号进行A/D采集前，再通过芯片LM124将4～20mA转换为0.4~2V电压信号。

放大电路采用LMHYPERLINK124集成运算放大器，为了防止单级放大倍数过高带来的非线性误差，放大电路采用两级放大，其中可调电阻RP2用于调节放大电路的增益。

当电位器在0~1K输入放大电路的差分信号变大，放大电路的输出电压对应地升高，输出电流也相应变大。

实际选用的R8阻值比被测电阻高很多，因此电位器引起的测量电流变化不大，获得近似恒流法的线性输出。

由于R7>

>

R15+R30>

R15+R30,电桥中间两点电压作为后续差动放大器的输入信号为：

放大电路的功能之一是把采集到的微弱信号放大，在本级电路中采取了差动放大。

R10、R12、R5、R16以及LM124构成了放大电路。

对于该局部电路，输入信号来自采集到的信号V和V¢

，输入信号分别各自经过R10、R12进入LM124的第一组运算放大器，得到输出电压为：

调零、电源平衡及二级放大电路对零点进行调节的电路，实质上就是调节本级放大电压输出的大小，保证在信号源零度（R15=1000Ω，第一级放大器输出为零）时整个回路电流I1=4mA。

它由R2、R4、R3、R6组成，实质上就是在本级电压输入正端叠加一个调零电压，使不足4mA的静态工作电流达到4mA。

此外，在该电路中，还有一个部分，那就是减小电源波动对电路输出的影响，即电路中的R9，它可以抑制电源波动带来的影响。

当外界电压源发生较大的波动时（或负载电阻RL变化），电路静态工作电流会发生微小变化，我们可以利用R9来稳定输出电流。

其工作原理一方面是电源增大带来静态电流增加，另一方面电源的增大通过R9加到本级放大器的负端起到减法作用，使本级输出电压下降，选择合适的R9阻值，可以保证电源在允许范围内波动时输出电流的稳定。

R17决定二级放大倍数。

调满电路是由R19、R23、R26组成的对上一级电压输出V2分压构成。

通过对R23的调节，使得最后输出（信号源最高输入时整个电路的输出）达到要求的输出结果V（R23中间抽头电压）。

R18、R20、R21、R22、R25及运放组成一个V/I转换电路，由于R18、R20、R22均为200kΩ的大电阻，R21为100Ω的小电阻，整个电路电流输出：

其中R24是一个负载电阻。

3.2运算放大器电源对电流变送器非线性度的影响分析

在二线式电流变送器的主电路中，运算放大器的电源由二线式的输入信号线提供，由于流过采样电阻的电流是随电位器的变化而变化的，且采样电阻的阻值为100

，所以运算放大器电源的波动范围为1.6V，参考LM124数据手册可知，LM124的电源抑制比为100dB，即电源的波动对输出信号的影响为1.6V/100000=0.016mV，系统中输出的信号的幅值一般为上百mV，所以电源的波动对运算放大器的输出级整个二线式电流变送器的影响可以忽略不计。

4电路设计与软件设计

4.1电路设计

4.1.1控制部分

这一部分采用TI公司的超低功耗MSP430F149单片机，其内部自带有12位精度的A/D转换模块，可直接使用，主控部分电路见附录I。

4.1.2二线式电流变送器

V/I变换器是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。

两线制V/I变换器与一般V/I变换电路不同点在：

电压信号不是直接控制输出电流，而是控制整个电路自身耗电电流。

同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路和可变电阻的值。

两线制变送器的原理是利用了4~20mA信号为自身提供电能。

如果变送器自身耗电大于4mA，那么将不可能输出下限4mA值。

因此一般要求两线制变送器自身耗电（包括传感器在内的全部电路）不大于3.5mA。

这是两线制变送器的设计根本原则之一。

从整体结构上来看，两线制变送器由三大部分组成：

传感器、调理电路、两线制V/I变换器构成。

传感器将温度、压力等物理量转化为电参量，调理电路将传感器输出的微弱或非线性的电信号进行放大、调理、转化为线性的电压输出。

两线制V/I变换电路根据信号调理电路的输出控制总体耗电电流;

同时从环路上获得电压并稳压，供调理电路和传感器使用。

除了V/I变换电路之外，电路中每个部分都有其自身的耗电电流，两线制变送器的核心设计思想是将所有的电流都包括在V/I变换的反馈环路内。

在两线制变送器中，所有的电路总功耗不能大于3.5mA，因此电路的低功耗成为主要的设计难点。

该部分电路使用四运算放大器LM124为核心。

第一级通过惠斯通电桥电路将电阻的变化量转换为电压的变化量，并放大10倍，第二级放大4倍，第三级将电压转换为电流量，最终加上电路中其他元器件消耗的电流，使之达到所要求的4~20mA电流，具体电路如图4-1所示。

图4-1二线式电流变送器电路

4.1.3电流电压转换电路

该电路负责将二线式电流变送器输出的电流信号转换为电压信号，电路如图4-2，阻值为100欧的精密电阻RL串联在电路的低端，所有的电流都将通过RL流回到电源负极。

从RL上取到的反馈信号，最终输出到MSP430F149的内部ADC进行转换。

图4-2电流电压转换电路

4.1.424V电源产生电路

该电路作为二线式电流变送器的24V电源。

通过使用MC34063DC/DC变换电路输出24V，电路如图4-3所示。

图4-324V电源电路

4.1.5信号发生部分

AD9850是AD公司生产的采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器三部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。

另外，使用方便灵活，所以采用AD9850作为本系统的最终的信号发生器。

具体电路如图4-4所示。

图4-4AD9850电路

4.1.6功率放大部分

题目要求最大输出电压正弦波峰峰值5V，输出信号波形无明显失真。

因负载为50

，这就需要放大电路有较强的驱动能力，输出电流较大。

要使最大输出电压正弦波峰值5V，在50

负载上连续输出电流必须大于5V/50

=100mA。

AD811增益为6dB时，-3dB带宽120MHz，单片可输出100mA电流。

AD811接成4倍放大，并用

12V电源，为保证系统的可靠性，将BUF634作为最后的一级输出，从而使系统达到较强的负载驱动能力。

实际测试中最大输出电压正弦波峰峰值可达8.08V，并且信号波形无明显失真。

具体电路如图4-5所示。

图4-5功率放大电路

4.2软件设计

。

图4-6软件流程图

本系统通过使用单片机内部的ADC将电压信号转换成数字量，最终控制AD9850的输出频率。

5总结

经过这几天的努力，该题目的基本部分及发挥部分的部分功能基本完成在精度和非线性度方面还有待进一步提高，信号的输出频率的稳定度不是很高。

另外，在电路设计方面可以外加断线报警和超限报警等保护。

参考文献

[1]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：

北京航空航天大学出版社.2006

[2]曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京：

北京航空航天大学出版社.2007

[3]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛技能训练[M].北京：

北京航空航天大学出版社.2005

[4]郁有文，等.传感器原理及工程应用[M].西安：

西安电子科技大学出版社.2008

[5]蔡锦福.运算放大器原理与应用[M].北京：

科学出版社.2005

[6]

[7]

附录I：

主控电路

附录II：

直流稳压电源电路