受控正弦信号发生器.docx

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受控正弦信号发生器

受控正弦信号发生器

设计报告

摘要

本设计一个受控正弦信号发生器，以模拟电路为核心，以MSP430F149单片机系统为控制系统，采用单片机与DDS模块相结合的方式，通过对DDS集成芯片AD8951的控制，实现了赛题要求的基本功能。

系统由电流接收器、电流变送器、单片机控制模块、DDS信号发生电路、LCD显示模块、A/D转换模块、信号调理电路、二线式V/I变换电路等组成。

系统的输出频率和各种调制方式由可调电阻设置，并通过LCD显示。

本系统有效地使用MSP430F149单片机的片内资源，将数字电路与模拟电路高效的融合到一起，配合自动控制算法，实现题目的基本要求的所有项及发挥部分的要求。

关键词：

正弦信号发生器；MSP430F149单片机；DDS；数模转换；二线式V/I变换电路

一、方案设计与论证

1.单片机选型

在整个系统中，信号发生部分和接收部分都需要一个主控芯片进行处理，主要考虑以下三个方案：

方案一：

采用SPCE061A单片机。

SPCE061A单片机是16位的微处理器，主频可以达到49MHz,速度很快，并且具有方便的ADC接口，但SPCE061A单片机的功耗不是最低的。

方案二：

采用C8051F系列单片机。

C8051F系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，但此系列单片机为8位机，处理速度不是很快，资源不够充足，故不采用。

方案三：

采用TI公司MSP430系列单片机。

MSP430系列的单片机拥有有业界最低功耗，其中F149活动模式在160uA，因此在性价、功耗、速度上都有优势。

由于在传输过程中对功耗要求，MSP430可以设置为低功耗模式，功耗（可达uA级）比C8051F系列至少低一个数量级，内部还集成有温度传感器，所以本设计采用MSP430F149单片机作为主控芯片。

2.电源方案

在本系统中的电源主要考虑以下方案：

方案一：

开关电源。

电源的效率高，体积小、重量轻、适应的范围大，它的主要缺点是输出电压中所含纹波较大，对电子设备的干扰较大，而且电路比较复杂，对元器件的要求较高。

方案二：

采用LM317三端集成可调的稳压电源。

此电源的优点是输出电压稳定，可以调节，输出的电压误差小，且电路比较简单，能大幅度地降低电能和电极消耗。

根据系统的要求和电路本身的特性，三端集成可调的稳压电源输出电压比开关电源稳定，可以输出多挡不同的电压。

电路本身还有过压、过流、过热保护，所以选择方案二。

3.电流变送器方案

在测量各类非物理量，都需要转换成模拟量电信号才能传输到显示设备上，这种将物理量转换成电信号的设备是十分重要的，主要考虑以下几点：

方案一：

电流型变送器将物理量转换成4-20mA电流输出，必然要有外电源供电。

最典型的是采用变送器需要的两根电源线，再加上两根电流线，总共4根线，但在应用设备中控制的距离远，就意味着成本高。

方案二：

在四线制的基础上，省去两根导线，降低成本，减少使用的难度。

根据题目要求，采用电流信号的原因是不容易受干扰。

并且电流源内阻无穷大，导线电阻串联在回路中不影响精度。

但是二线制的成本低，所以选择二线制电流变送器。

4.模数转换电路方案

在系统中，数模转换方案十分重要，有以下方案：

方案一：

采用单片机内部的ADC转换电路，这种方案节省资源，减轻软件设计难度，但是其转换精度比较低，不适合本系统对精度的要求。

方案二：

使用24位数模转换芯片ADS1255，具有有业界最高性能的模数转换器，可以达到较高的转换精度。

由于本系统对转换精度和低功耗有相当高的要求，而单片机内部的ADC对转换精度比较低，权衡的考虑软硬件复杂度和实际的效果，我们选择24位数模转换芯片ADS1255作为模数转换电路的主芯片。

5.信号调制方案

由于题目的要求和所需得到的波形，DDS在本电路的要求中比较高，有以下方案：

方案一：

采用专用信号发生器。

MAX038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题目要求。

方案二：

采用传统的直接频率合成法直接合成。

利用混频器、倍频器、分频器和带通滤波器完成对频率的算术运算。

由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节，导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量，难以达到较高的频谱纯度。

方案三：

采用直接数字合成（DirectDigitalFrequencySynthesizer,简称DDS或DDFS）。

用随机读/写存储器RAM存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求，以频率控制字K为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存在存储器内的波形数据，经D/A转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形。

DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短（可小于20微妙），频率分辨率高，全数字化结构便于集成以及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，因此，可以完全满足本题目的要求。

DDS运算速度高，系统集成度强的优势设计的这种信号发生器，比以前的数字式信号发生器具有速度更快，且实现更加简便。

从题目要求来看，上述三种方案都可以满足题目合成频率范围的要求，但信号发生器产生的频率稳定度、精确度都不如DDS合成的频率；另一方面，DDS比信号发生器更容易精确控制，所以我们选择DDS芯片进行频率合成。

6.系统总体框图

图1.1系统总体框图

二、理论分析与计算

1．DDS的理论分析

DDS的基本原理是在高速存储器中放入正弦函数——相位数据表格，经过查表操作，将读出的数据送到高速DAC产生正弦波。

可编程DDS系统原理如图2.1。

图2.1DDS原理图

N：

相位累加器位数；M：

相位累加器实际对ROM寻址的位数；

S：

ROM输出正弦信号（离散化）的位数；

位数：

相位累加器舍去的位数，满足位数=N-M。

DDS系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、数/模转换器和低通滤波器组成。

参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。

DDS系统的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器构成，类似于一个简单的计算器。

每来一个时钟脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。

相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为DDS的输出频率。

正弦查询表是一个可编程只读存储器（PROM），存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0~360°范围的一个相位点。

将相位寄存器的输出与相位控制字相加，得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动DAC，输出模拟信号。

低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。

2．DDS的参数计算

对于计数容量为2N相位累加器和具有M个相位取样点的正弦波波形存储器，若频率控制字为K，输出信号频率为fo，参考时钟频率为fc，则DDS系统输出信号的频率为

fo=kfc/2N

输出信号频率的频率分辨率为

△fmin=fc/2N

由奈奎斯特采样定理可知，DDS输出的最大频率为

fmax=fc/2

频率控制字可由以上公式推出：

K=fo×2N/fc

当外部参考时钟频率为50MHz，输出频率需要为1MHz时，系统时钟经过6倍频，使得fc变为300MHz，这样就可利用以上公式计算出DDS的需要设定的控制频率字K=248/300

3．载频参数计算

本题要求:

输出频率范围是1000KHZ---2000KHZ,频率分辨率为100HZ，频率稳定度优于10-4,信号波形无明显失真。

系统频率调整的步进是100Hz。

DDS逻辑电路的工作时钟是25M，所以：

25M÷100＝250000（小于2的18次方）

所以，DDS的频率字只要多于18个bit，频率调整的步进就能小于100Hz。

本系统采用的频率控制字为32bit，充分满足频率调整步进的要求。

本系统的工作时钟由晶振提供的时钟通过DDS芯片ad9851的6倍频得到。

而晶振的频率稳定度为10-6量级，所以整体频率稳定度：

10-6×6=0.6×10-5，在10-5量级，满足题目要求。

4．ADC参数计算

本题要求当变送器端输入的可调电阻值在1000Ω－2000Ω之间变化时，输出的相应正弦信号的频率在1000kHz－2000kHz之间变化。

显示分辨率为100HZ,由此可计算出单片机发送的频率控制字K的个数至少为：

（2000K-1000K）/100=10000个

对应的数字量至少为10000个，这样需要一个高精度的ADC转换芯片，至少对输入的模拟量能产生不少于10000个采样点，因此选用ADC芯片的分辨率不低于16位，为了取得更高的精度，所以本设计选用分辨率为24位ADC转换芯片（ADS1255IDBT）。

5.电源运放的分析

在设计两线制V/I变换电路时，需要选择一款合适的电源运放芯片。

LM324是最常见的也是价格最低的单电源运放，耗电400uA/运放。

单电源供电时，输入从-0.3V～Vcc-1.5V范围内正常工作。

若果换成OP07等精密放大器，因为输入电压不允许低至0V，在该电路中反而不能正常工作。

R5和U1构成基准源，产生2.5V稳定的基准电压。

OP2构成一个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。

因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价的方案。

所以选择LM324。

三、硬件电路设计

1.电源模块分析与设计

稳压

图3.1电源的基本框图

正弦信号发生器需要DDS芯片AD9851来产生信号源，用到单片机来控制系统等。

系统使用的直流稳压电源电压需要多个值，且要求输出电压稳定，纹波电压小。

为此，我们用LM317设计两路电压可调电源，需用到两种不同电压时可将电源地端相连为系统供电。

则可输出稳定电压，我们本系统中使用到+24V和+5V稳压电源。

（电源模块的原理图如图3.2所示）

图3.2电源原理图

为了让输出的电压稳定，我们采用LM317三端集成可调的稳压电源，LM317是固定集成稳压器芯片，可以达到大范围的输出电压的调整。

稳压电源一般有5部分，即电流降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、保护电路。

由LM317组成的稳压电路，交流220V电压经电源变压器降压整流得到直流电压，此电压通过滤波电路输入到集成稳压器输入端，在集成稳压器可达到1.2V-37V直流电压。

集成稳压器的自身保护原理：

为获得较高的输出电压值，LM317稳压器的调节端余地之间的电阻值及其压降往往较大。

稳压器的输入端接入电容，提供足够的电流供给，同时防止可能发生的自激振荡以及减小高噪声和改善负载的瞬态响应。

当输入端发生短路时，为此在稳压器两端并接二极管D1，输入端短路时通过D1放电，保护稳压器。

在此电路中我们采用的器件有:

有极性电容、无极性电容、LM317、变压器、二极管、电位器。

2.压力桥及调理电路模块分析与设计

图3.3调理电路

选用AD623可在5V电压下工作，AD623是常用的低功耗精密差动放大器，用在差分输出前级放大。

AD623失调最大200uA，变送应用保证的精度足够。

Ro将0.4V叠加在AD623的REF脚上，在压力等于零的情况下通过调整Ro使输出4mA，再调整Rg输出20mA,完成校准。

在设计电路时，压力传感器相当于一个千欧级的电阻，耗电一般比大。

适当降低压力桥的激励电压可以减小耗电电流。

但是输出幅度也随之下降，需要提高AD623的增益。

图中我们采用恒压供电，在实际的应用中需要恒流供电才能获得较好的特性，可用一个运放构成恒流源为其提供激励。

通过调整压力桥的电阻值，将物理量转换成电参量，调理电路将输出的微弱信号或非线性的电信号进行放大、调理、最终转化为线性的电压输出。

3.两线制变换电路的设计与分析

图3.4两线制变换电路

两线制V/I变换电路是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。

两线制V/I电路与一般V/I变换电路不同。

两线制V/I电路的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供电。

图3.4是基本的原理图，图中OP1、Q1、R1、R2、Rs构成了V/I变换器。

分析反馈过程：

若A点因为某种原因高于0V，则运放OP1输出电压升高，通过Re电流变大。

相当于整体耗电变大，通过采样电阻的Rs的电流也变大，B点电压变低。

结果通过R2的将A点电压拉下来。

反之，若A点因某种原因低于0V，也会被负反馈抬高回0V。

总之，负反馈的结果是：

OP1虚断，A点电压=0V。

由于u-=u+,所以可求得输出电压UO与输入电压Ui的关系为

Uo=（1+Rf/R1）U+=（1+Rf/R1）Ui

当Uo=5V,Ui=2.5V时；

Uo=（1+Rf/R1）Ui

Rf=R1=100k

分析V0对耗电的控制原理：

流过R1的电流：

I1=Vo/R1

B点的电压：

VB=-I1*R2=-Vo*R2/R1

取R2=R1时，有VB=Vo电源负和整个变送器电路之间只有Rs、R2两个电阻，因此所有的电流流过Rs和R2。

电路的总电流：

Is=Vo/（Rs∥R1）

如果取R2﹥﹥Rs:

则Is=Vo/Rs

当调理电路输出0.4V-2.0V的时候，总耗电电流4mA-20mA，若不能满足R2﹥﹥Rs也没关系，R2与Rs并联是个固定的值，Is与Io仍然是线性的关系，误差比例系数在校准时可以消除。

4.电流接收器模块

图3.5电流接收电路

RCV420是精密的电流环接受芯片，用于将4-20mA输入信号转换成0-5V输出信号。

它包含了一个高级运算放大器、一个精密电阻网络和一个精密10V电压基准。

其总转换精度为0.1％，RCV420在满量程的电压下降压仅为1.5V。

当输4-20mA电流输入对应0-5V电压输出时，要求电路的传输阻抗为：

Vout/Iin=5V/16mA=0.3125V/mA

为了得到期望的输出（4mA时0V,20mA时5V），放大器的输出必须有一个偏置：

Vos=-4mA×（03125V/mA）=-1.25V

输入电流信号接至+IN端还是-IN端取决与信号的极性，并经过中心抽头CT返回地端。

两个匹配的75Ω检测电阻Rs构成对称输入，可最程度地抑制CT脚的共模电压信号，消除不同输入端电流在差分电压转换时的不均衡。

检测电阻将输入的电流信号经过差分放大器放大，转换成一个与之成正比的电压。

四、软件设计

受控正弦信号发生器的软件重要任务就是对AD采样返回的数据进行适当的计算，把它对应的频率控制字送到AD9851模块中，并把电阻值、电流值、频率在液晶上显示出来。

ADC的任务是对电阻的变化最终引起电压变化的模拟量进行采集。

软件流程图如下：

图4.1软件流程图

五．系统测试

1、测试仪器

GDS-2202数字示波器

VCTORVC9806+数字万用表

2.测试数据及其分析

（1）基本要求

　表一　测得的变换精度如下表所示

设定电阻值

显示值（Ω）

环路电流值（mA）

变化精度

非线性度

1000

1005

4.02

0.5%

1.1%

1200

1204

7.24

0.6%

1.2%

1400

1408

10.45

0.5%

1.5%

1600

1596

13.56

0.3%

1.3%

1800

1806

17.0

0.1%

1.2%

2000

1995

19.95

0.3%

1.4%

变化精度的计算：

变化精度=（实际值-理论值）/理论值；

非线性度：

非线性度＝[最大误差（满度－零度）]100%；

　　　　　　　　　表二　信号发生器有输出时对应的设定和显示电阻值

电阻显示值

电阻测量值

频率（KHz）

信号发生器停止工作时的电阻值

1500

1496

23

（2）发挥部分

表三　频率的变换精度测试如下表所示

设定电阻值

显示值（KHz）

测量值（KHz）

误差

非线性度

1000

1000.2

1000.3

0.1

0.1%

1200

1198.2

1198.4

0.2

0.4%

1400

1399.5

1398.8

0.7

0.3%

1600

1606.5

1606.3

　　0.8

0.2%

1800

1802.9

1802.5

0.4

0.3%

2000

1995.0

1995.2

0.2

0.2%

非线性度：

非线性度＝[最大误差（满度－零度）]100%；

六．总结

经过紧张的七天六夜的奋力拼搏，通过协作，团结互助，终于完成了本系统。

系统中采用的低功耗器件主要是TI公司大学生计划赞助的高性能模拟器件（例如ADC）和MSP430单片机。

这些芯片优良的性能和较低的功耗使接收点易于设计。

本系统以高性能DDS芯片AD9851为核心，利用MSP430单片机为k控制系统，加上AD9851相配合，硬件与软件相结合，完美地实现了题目提出的指标。

在系统设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件编程灵活的特点，来满足系统的设计要求。

电路进行调试的整个过程中，我们遇到了很多问题，但是都被我们一个个解决，让我们“产生柳暗花明又一村”的感觉，有时候，遇到了问题，不要太局限于电路的局部，这样反而会阻碍你发现问题，而要用系统的眼光去看待问题，综合考虑各个方面的因素。

在这期间，我学会了调试电路与科研时的那种态度，这些经验也许是在永远在课堂上永远需不到的。

我们三个队员庆幸在大学生活中有一次让我们锻炼在自己的机会。

在最后，让我和我们的队员庆幸再一次对老师的指导与细心关照表示衷心的感谢，让我们对组委会的各位专家和老师的辛勤工作表示谢意！

祝各位专家和老师工作顺利、万事如意、合家欢乐！