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YZ1专B
YZ-1-专-B
2010年四川省大学生电子设计竞赛
参赛报告
题目：
受控正弦信号发生器
完成时间：
2010年7月23日
目录
1、方案论证4
2、系统设计6
2.1总体思路6
2.2系统的硬件模块设计7
2.2.1惠斯通电桥与信号调理电路设计7
2.2.2电流变送电路及基准电压电路设计8
2.2.3电流接收电路设计9
2.2.424位ADC转换电路设计10
2.2.5MSP430最小系统设计11
2.2.6DDS正弦信号产生模块12
2.2.7宽带放大器电路设计13
2.2.8电源模块设计13
2.3软件设计15
3.1变换精度测试16
3.2电阻值非线性度测试16
3.3信号发生器测试16
3.4变换精度测试16
3.5频率非线性度测试16
4、设计总结17
附录：
17
附录1：
作品源程序17
附录2主要元器件清单24
附录3：
产品实物照片25
受控正弦信号发生器（B题）
摘要
本系统由惠斯通电桥、信号调理电路、电流变送电路、电流接收电路、24位ADC转换电路、MSP430单片机小系统、DDS正弦信号产生电路、宽带放大器、电源电路、显示电路等10个部分组成。
调节惠斯通电桥在1000Ω～2000Ω范围变化时，产生电信号送入由运放AD623构成的调理电路，形成0.4V-2V的电压信号,此电压信号经过由LM324构成的电流变送器后产生4~20mA电流信号输出。
电流接收电路将电流转换成1~5V电压，由MSP430F149单片机控制24位ADC芯片ADS1255对其进行AD转换，判断出电阻的变化量，进而控制DDS产生相应频率的正弦波信号，液晶显示电路将相应的电阻值与频率值进行实时显示。
经测试,该系统的频率变换精度为0.467%，显示分辩率可达到100HZ,变换的非线性度优于0.843%,输也电压幅度峰峰值已达到5V，并且可调，全部达到了题目要求的指标。
关键词：
惠斯通电桥；4-20mA；电流变送；正弦信号发生器
1、方案论证
1.1控制芯片方案
【方案一】
AT89S52单片机是一个低电压、高性能的CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的只读Flash程序存储器和128bytes的随机存取数据存储器（RAM）,器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理和Flash程序存储器单元，此单片机上手容易，操作方便，但其功耗较高，实现复杂功能时的片内资源有限。
【方案二】
TI公司生产的MSP430F149是一款超低功耗的单片机。
该系列的CPU采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。
它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us。
其内部资源丰富，可应用于开发较复杂的系统，且有TI公司推荐的开发环境，开发起来较容易上手。
经比较，本设计选用了MSP430F149单片机作为控制芯片。
1.2信号调理及电流变送模块方案
【方案一】
应用TI公司的XTR105或XTR115芯片直接采集电阻阻值并以电流信号反映出来，这种方案制作电流型二线制变送器，其电路非常简单，调理电路大大简化，且精度非常高，但若应用此方案，则不能满足发挥部分的要求。
【方案二】
利用集成运放自行搭建电路。
利用参考电压可调的低功耗芯片AD623搭建信号调理电路，产生需要的电压信号，送入到LM324搭建的电流变换电路中，实现4-20mA电流输出。
此方案实现起来比较复杂，主要考验队员对模拟电路的运用和实现能力，但它最大的优点在于性价比高。
其成本只有XTR105等芯片的1/3。
且芯片易于获得，实施容易。
故选择此方案。
1.3电流接收模块方案
【方案一】
采用TI公司的RCV420芯片直接将4~20mA电流直接线性地转换为0~5V电压，这种方案制作信号采集部分电路，其电路非常简单，但考虑发挥部分设计要求。
我们可另做选择。
【方案二】
采用运放LM324搭建电流接收电路。
将250欧精密电阻进行采样，再用运放LM324线性放大成1~5V电压。
此种方案简单可行，且队员之前曾做过类似的设计，成功的几率较高，故本设计采用此种方案。
1.4ADC采样电路方案
【方案一】
采用MSP430系列单片机内部自带十二位ADC，使用起来方便，还可节约成本。
但考虑到本设计发挥部分的要求，MSP430系列自身所带的十二位AD很难达到我们所要的分辩率。
【方案二】
使用TI公司生产的一款24位分辩率的芯片ADS1255。
该芯片的分辩率完全能满足设计需求，且学校的该款芯片储备充足，组员之间也曾使用过这款芯片，可以节约大量的设计和验证时间，故采用此方案。
1.5正弦信号发生模块方案
【方案一】
采用MAX038芯片产生正弦波，该芯片是美信公司的低失真单片信号发生器集成电路，内部电路完善。
使用该芯片，设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形信号，但频率精确度和稳定度都难以达到要求。
【方案二】
采用直接数字合成（DDS）方案。
DDS技术频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、相位可控、输出信号无电流脉冲叠加、输出可平稳过渡且相位可保持连续变化。
DDS可选型号多，可以满足不同的设计需求，且DDS易于控制，输出特性好，故采用此方案。
2、系统设计
2.1总体思路
根据题目要求，经过认真分析，我们制定出了总体的设计方案，如图1所示。
通过改变惠斯通电桥的一个单桥臂的阻值在1000Ω～2000Ω范围变化时，得到一可变电压信号，经过信号调理电路，形成0.4V～2V的电压信号,此电压信号经过电流变送器后产生4～20mA电流信号输出。
电流接收电路将电流转换成1～5V电压信号,再将1~5V电压信号送入ADC芯片进行模数信号转换，转换后的数据送入单片机进行计算和处理,控制DDS模块输出相应频率,并用液晶显示器显示电阻值及受阴值控制的频率值。
图1系统方框图
电源部分为各部分电路提供直流供电,由于电源的不稳定会对整个系统前端的电桥电路、信号调理电路及后端的ADC转换等电路的输出精度有较大影响，故电路中使用了两个基准电压电路，为系统前端和后端相关电路提供稳定的恒压源。
从图1中可以看出，由于二线制电流变送器及其前端所有器件消耗的电流均最后汇集到一点流出，此点也是4～20mA电流信号流出点，如果电流变送器及前端所有的电路消耗电流值超过了4mA，则变送器将不能在产生所需的最低4mA电流输出，故此处应努力控制变送器及前端所有电路消耗的电流值不超过4mA，最好控制在3.5mA以内。
所以电路中应尽量选用低功耗的芯片及其它元件进行设计。
2.2系统的硬件模块设计
2.2.1惠斯通电桥与信号调理电路设计
惠斯通电桥结构简单，具有灵敏度高，测量范围宽，线形度好，精度高和容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求，是目前最多最广泛的一种测量电路。
本设计将精密电阻箱串联在电桥的一个单臂上，当电阻箱的阻值为1000Ω时，调节电桥使其平衡，无电压输出；当电阻箱电阻在1000Ω～2000Ω范围内变化时，电桥平衡被破坏，输出相应的微小电压量。
考虑到电路的整体电流消耗，构成电桥的电阻值在选取时，应尽量选取阻值较大的电阻，本电桥的3个桥臂均选取10K的误差为0.1%的精密金属膜电阻进行搭建，另一个桥臂选取了5K、2K、1K的电阻各一个再串联精密电阻箱及1个精密多圈可调电阻构成，如图2所示。
由于电桥产生的电压信号十分微弱，需使用一个高输入阻抗、低输出阻抗的调理电路进行适当的放大。
本设计利用参考电压可调的低功耗芯片AD623搭建调理电路，该芯片接收惠斯通电桥上变化的电压值并经处理输出0.4V~2V的电压。
电路中TI芯片OPA277主要起到电压跟随器的作用，当精密电阻箱的电阻调到1000Ω时，电桥平衡，AD623差分输入端无电压输入，此时电压输出为OV。
调节精密可调电位器R2，使其可滑动端上的分压为0.4V,经过OPA277构成的电压跟随器后,为AD623芯片第五脚提供一个参考电压，使AD623在输入信号为0V的情况下其第6脚输出一个0.4V的电压，供后级进行4mA的电流转换。
当将精密电阻箱的阻值设定为2000Ω时，此时电桥平衡被破坏，输出一个电压，送入AD623的差分输入端，此时调节AD623的第1、8脚之间的可调电阻R1，即可调节其电压放大倍数，通过可调电阻R1，使运放AD623输出一个2V的电压，供后级电流变送电路产生20mA的电流。
电路中的5V电源均由基准电压电路提供。
经测试，电桥电路平衡时消耗电流为0.5mA,AD623消耗电流约为0.47mA,R2及OPA277共消耗电流0.54mA,总共消耗电流1.51mA。
图2惠斯通电桥与信号调理电路
2.2.2电流变送电路及基准电压电路设计
常用二线制电流型变送器一般采用专用型芯片组成电路，但考虑到题目发挥部分的要求，我们决定采用运放搭建二线制电流型变送器。
本设计中，我们使用了一片高性价比、低功耗的LM324运放芯片同时完成了变送器与基准电压电路设计，如图3所示。
图3所示电路中，由LM324_1、R3、R4、R5、R6和Q1共同构成了电流变送电路。
基中,Q1和R5构成负反馈电路,不但保证了LM324的“虚地”，同时也增加了变送器的电流输出能力。
进而，由于运放电路的“虚短”作用，运放的第9脚、10脚与地之间为等电位点，此时调理电路输出的的0.4V～2V的电压经过R3时产生的压降就为0.4V～2V，由于运放的“虚断”作用，电路中的电流不能流入运放，将从R4和R6上流出，最后合为一股，向后级电路流出。
因为R4为100K，R6为100Ω，从电位上来看，两个电阻是并联的，其并联值99.9Ω,相当于所有电流都从R6流过，此时又由于R6上的电压与R3上产生的压降相同，故0.4~2V电压经过R6，将会产生4～20mA的电流输出。
图3中的LM324_2、R7和LM385-2.5共同构成了基准电压电路，它的实质就是一个恒压源。
24V电源电压输入后，经过R7限流，由LM385-2.5基准电压芯片进行稳压，输出一个2.5V的恒定基准电压，该电压输入给运放LM324_2。
由图可知，该运放为同相比例运放，其外接电阻R1和R2被设置为相等时，其电压放大倍数为2倍，将输出一个恒定的5V电压。
此处R1和R2的选取相当关键，如查R1、R2取得过小，则电流消耗量将会变大，经过计算，当取为100K时，电流消耗量为0.025mA,电流消耗量基本上可以忽略不计。
经测试，图3所示电路总的电流消耗量为1.47mA,变送器及前端电路的总消耗电流很好地控制在了2.98mA。
当调节电桥的精密电阻箱阻值在1000Ω～2000Ω范围内变化时，变送器的输出电流在4～20mA范围内变化，线性良好。
图3电流变送电路及基准电压电路
2.2.3电流接收电路设计
当变送器设计完成后，需设计一个电流接收电路，以完成电流信号的转换工作。
我们采用LM324芯片组成了电流转换电路，LM324芯片将电阻R2上取得的电压值送入运放电路中，对应输出1~5V的电压信号。
电路原理图如图4所示。
图4电流接收电路原理图
2.2.424位ADC转换电路设计
本设计中AD采样的精度对正弦信号的控制要求相当高，在本设计基础部分中我们曾用到MSP430系列单片机内部自带12位ADC，但发现其不能满足题目发挥部分对信号采集分辩率的要求，因此必须选择一款分辩率位数较高的AD芯片。
ADS1255是TI公司生产的一款24位高精度AD转换器，其内部集成多路选择开关（MUX）、可编程增益控制器（PGA），可编程数字滤波器等，是一款性能较高的ADC芯片，它能够接收输入幅度0~5V的电压信号，前面设计的电流接收电路产生电压信号1~5V，刚好可以用来完成题目的设计。
其原理图如图5所示。
图5ADS1255工作原理图
2.2.5MSP430最小系统设计
TI公司生产的MSP430F149系列单片机是一款超低功耗的单片机。
该系列单片机集成有16位寄存器和常数发生器，能发挥其最高代码效率。
它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us。
其内部资源丰富，可应用于开发较复杂的系统。
本设计使用的MSP430最小系统设计电路图如图6所示。
该最小系统主要用于采集ADS1255送入的数字信号，作计算处理，同时控制DDS输出相应的频率和控制LCD显示出电阻值及输出频率的相关信息。
图6MSP430单片机最小系统原理图
2.2.6DDS正弦信号产生模块
AD9851是AD公司采用先进DDS（直接数字合成）技术推出的具有高集成度DDS电路的器件，它内部包括高速、高性能D/A转换器及高速比较器，可以作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器，外接精密时钟源时，AD9851可以产生一个频谱纯净，频率和相位都可以编程控制且稳定性相当好的模拟正弦波。
本设计采用DDS成品模块进行搭建正弦信号产生电路，其连接示意图如图7所示。
设计中，对DDS的软件控制主要是根据AD9851的控制字方式，把具有不同功能的控制字写入到芯片内部。
在AD9851复位后，由单片机给出合适的W-CLOCK和FQ-UD信号，即可完成预期频率输出功能。
8位数据
图7AD9851与单片机电气连接原理图
2.2.7宽带放大器电路设计
经测试，当带上50Ω的负载时，设计中使用的DDS模块输出的频率值在476KHz及以下频率能达到5V的峰值，但频率越高，则峰值越小，不能满足题目发挥部分的的要求，需使用放大器将DDS输出的正弦波信号进行放大。
经过比较，决定选用TI公司的一款宽带放大器OPA842AID进行正弦波放大电路设计，通过查阅其官方公布的器件资料，直接照用其典型应用电路便完成了该电路的设计，电路图如图8所示。
电路焊接完成后测试结果显示，该电路在2.873MHz以内的频率范围内能将DDS产生的正弦信号峰峰值不失真地放大到5V以上,完全能满足题目要求。
图8宽带放大器电路原理图
2.2.8主电源模块设计
本设计中，二线制电流变送器系统中需加载直流24V电压，为此，我们选用了TI公司的LM317稳压芯片进行24V电源设计。
为了调试电路方便，在完成对24V电源设计的同时，在设计中还预留了一个5V电压输出端。
具体设计原理如图9所示。
该电路使用起来方便可调，电路中的电容用于滤除杂波干扰。
图9主电源原理图
2.2.9显示电路设计
为了显示信息量能更加丰富，在设计中我们采用了带中文字符的128*64液晶显示器进行显示模块的设计，该液晶由128列、64行组成，能显示中英文字符及各种图形，可很好完成题目要求。
硬件连接如图10所示。
图10LCD硬件连接图
2.3软件设计
软件部分主要完成三个功能，即信号采集、控制DDS产生正弦信号、控制LCD显示电阻值及相关频率信息。
如图11所示，在具体算法上，MSP430单片机每秒钟对ADS1255进行100次数据采样，然后通过软件方法对在硬件电路中实测得出的系统误差进行补偿。
通过计算采集回来的数据得出电阻的阻值，然后向DDS写入频率控制字，控制其输出相应的正弦波信号。
并且通过液晶显示出当前的电阻值及输出的正弦波的频率信号。
图11软件设计流程图
3、系统测试
3.1变换精度测试
电阻箱设定值R0（欧），液晶显示电阻值R1（欧）,环路电流值为I（mA）。
数据如下表所示。
R0（欧）
1000
1250
1500
1750
2000
R1（欧）
1002.70
1251.50
1504.8
1752.30
1999.80
I（mA）
4.00
8.04
12.08
16.02
20.01
3.2电阻值非线性度测试
电阻箱设定值R0（欧），液晶显示电阻值R1（欧）。
所测数据如下表所示。
R0
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
R1
1002.70
1105.80
1208.30
1298.50
1407.00
1504.80
1599.5
1698.50
1800
1899.7
1999.80
3.3信号发生器测试
电阻箱设定值R0（欧），液晶显示电阻值R1（欧）,DDS产生频率值为f（KHZ）。
数据如下表所示。
R0（欧）
1000
1250
1500
1750
2000
R1（欧）
1002.70
1251.50
1501.8
1752.30
1999.80
f（KHz）f
0
0
4000
4000
4000
3.4变换精度测试
电阻箱设定值R0（欧），信号发生器上频率显示值f0（KHZ）,测量值f1（KHZ）。
R0（欧）
1000
1250
1500
1750
2000
f0（KHz）
1020
1240
1540
1770
1990
f1（KHz）
1010
1230
1530
1750
1980
3.5频率非线性度测试
电阻箱设定值R0（欧），信号发生器上频率显示值f0（KHZ）,测量值f1（KHZ）。
R0（欧）
1000
1100
1200
1300
1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
f0（KHz）
1020
1115
1210
1290
1400
1540
1610
1730
1820
1910
1990
f1（KHZ）
1010
1110
1205
1295
1410
1520
1600
1710
1810
1920
1995
4、设计总结
经过紧张的七天六夜的奋力拼搏，队员们通力协作，团结互助，终于完成了系统的设计和制作。
系统中采用了TI公司大量的低功耗元器件：
如MSP430F149单片机、ADS1255、OP277低功耗运放、宽带放大器OPA842AID、LM324等。
这些器件的优良性能和超低功耗使得电路设计的更加简单、电路的性能更加优越，使我们体验到了电子设计的的快乐。
在此要感谢TI公司提供的大量的免费芯片，我们也正是使用了这些性能优异的芯片，才使得我们的整个设计如鱼得水，一气呵成。
通过一周的比赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，并且能够懂得了理论联系实际的重要性，这为我们以后的工作和学习打好了基础。
当然，本设计中还是存在一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，我们将在未来的人生道路上继续去追求电子设计的完美体验。
附录：
附录1：
作品源程序
#include
//#defineDELAY_US（x）__delay_cycles（（long）（CPU_F*（double）x/1000000.0））//延时约为Xus
//#defineDELAY_MS（x）__delay_cycles（（long）（CPU_F*（double）x/1000.0））//延时约为Xms
//#defineDELAY_S（x）__delay_cycles（（long）（CPU_F*（double）x/1.0））//延时约为Xs
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
/***************************************/
#defineLCD12864_RS_DIR_SETP3DIR|=BIT0
#defineLCD12864_RS_DIR_CLRP3DIR&=~BIT0
#defineLCD12864_RW_DIR_SETP3DIR|=BIT1
#defineLCD12864_RW_DIR_CLRP3DIR&=~BIT1
#defineLCD12864_EN_DIR_SETP3DIR|=BIT2
#defineLCD12864_EN_DIR_CLRP3DIR&=~BIT2
#defineLCD12864_RS_OUT_SETP3OUT|=BIT0
#defineLCD12864_RS_OUT_CLRP3OUT&=~BIT0
#defineLCD12864_RW_OUT_SETP3OUT|=BIT1
#defineLCD12864_RW_OUT_CLRP3OUT&=~BIT1
#defineLCD12864_EN_OUT_CLRP3OUT|=BIT2
#defineLCD12864_EN_OUT_SETP3OUT&=~BIT2
#defineLCD12864_PORT_DIRP2DIR//液晶数据端口输入输出方向
#defineLCD12864_PORT_OUTP2OUT//液晶数据端口输出电平高低
/**************************************/
#definew_clk_DIR_SETP4DIR|=BIT0
#definew_clk_DIR_CLRP4DIR&=~BIT0
#definereset_DIR_SETP4DIR|=BIT1
#definereset_DIR_CLRP4DIR&=~BIT1
#definefqud_DIR_SETP4DIR|=BIT2
#definefqud_DIR_CLRP4DIR&=~BIT2
#definew_clk_OUT_SETP4OUT|=BIT0
#definew_clk_OUT_CLRP4OUT&=~BIT0
#definereset_OUT_SETP4OUT|=BIT1
#definereset_OUT_CLRP4OUT&=~BIT1
#definefqud_OUT_SETP4OUT|=BIT2
#definefqud_OUT_CLRP4OUT&=~BIT2
#definedataport_9850_DIRP5DIR//AD9851数据端口输入输出方向
#definedataport_9850_OUTP5OUT//AD9851液晶数据端口输出电平高低
longuintLast_frequency_Out_9850,Frequency_Out_9850=4123456;//输出频率
doubleUadc=0;//ADS1255采集的电压值
doubleRp=0;//精密电阻箱的阻值大小
volatileuintFLAG=0;//按键中断标志位
#include"ad9851.h"
#include"lcd12864.h"
#include"verify_resistance.h"//校准电压与电阻的关系
#include"verif_voltage.h"//校准ADC12的测量误差
#include"adc12.h"
#include"warning.h"
#include"keyscan.h"
voidmain（void）
{
WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;
/*液晶初始化如下*/
LCD12864_PORT
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