2012年TI杯电子设计大赛A题.doc
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2012年TI杯电子设计大赛（A题）
——微弱信号检测装置的设计
本系统选用了MSP430G2553单片机，OPA2134双音频运放，INA2134差分运放，OPA2227低噪声高精度运放，OP07运算放大器，TL431稳压器件等6个TI器件。
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。
关键字：
噪声，微弱信号检测，MSP430G2553.
Abstract:
WeakSignalDetectionsystemisusedtotestthemagnitudeofaSinewithknownfrequency,inthecontextofheavynoise,anddisplaythemagnitudewithSMC1602.Thenoiseisproducedbythe.wavfile,andSDG1025providetheSinewave.Changingthevolumecancontrolthemagnitudeofthenoise.Theerrorshouldbeunder5%whentheVpprangingfrom200mVto2Vwiththefrequencyof1KHz.
ThesystemisbasedontheLaunchpad,withthecoreofultra-lowpowerMSP430G2553（MCU）.ThendealwiththedataanddisplaythemagnitudewithSMC1602.
Keyword:
noise,WeakSignalDetectionsystem,MSP430G2553.
1.方案设计
1.1理论分析
（1）加法器电路分析：
在加法器电路的前端，用OPA2134做两个缓冲器，对输入加法器的正弦信号和噪声信号进行一级缓冲，隔离信号源和加法电路。
OPA2134是双音频运算放大器，噪声信号是音频，所以它完全符合要求，可以对噪声进行缓冲。
加法器电路采用INA2134对正弦信号和噪声信号进行相加，INA2134是双音频差分运算放大器，按照加法电路连接即可很好实现两信号的叠加，并且其带宽完全符合题目要求。
（2）纯电阻分压网络的分析：
题目要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。
所以该部分电路采用精密电阻对叠加的信号进行100倍的衰减。
（3）微弱信号检测电路的分析：
由于信号本身就比较小，又经过衰减网络衰减了100倍，因此在进行信号检测之前先采用OPA2227对微小信号进行了前置放大，OPA2227是双路低噪声高精密的运放，可以精确的对信号进行放大。
该前置放大网络将小信号又放大了100倍，以方便后续电路的测量。
微弱信号检测电路采用了一个六阶的带通滤波器，中心频率是1KHZ，以滤掉除正弦信号以外的各种噪声信号。
为后续电路的测量做准备。
带通滤波器主要采用了OP07运算放大器做为主芯片。
只要外围模拟软件选择合适，误差不会超出2%。
（4）显示电路的分析：
交流电压信号不能直接测量，在显示正弦信号的大小之前需要先对交流电压信号进行处理，本设计让正弦信号通过AD637（真有效值转换芯片）转换成直流电压信号后测量，AD637转换精度高，失真小，最大失真误庆功为0.02%+2个字要求。
测量采用双积分型ADCMC14433完成，MC14433是三位半模数转换芯片，精度为0.05%+1个字，完全符合电路精度的要求。
1.2选用TI器件的依据与理由
本系统选用了MSP430G2553单片机，OPA2134双音频运放，INA2134差分运放，OPA2227低噪声高精度运放，OP07运算放大器，TL431稳压器件等6个TI器件。
（1）MSP430G2551单片机：
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（MixedSignalProcessor）。
它将许多模拟电路外设（如ADC、DAC、模拟比较器等）和各常用数字模块（如SCI、SPI、I2C、看门狗、PWM、CAP、定时/计数器）集成在芯片内部。
由于它具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点，而且有很高的性价比，因此在许多领域内得到了广泛的应用。
MSP430单片机可以采用汇编语言或C语言进行程序设计。
它支持JTAG调试，其硬件仿真器是一个简单的并口转接器，并且适用于所有的MSP430单片机。
其超低功耗在睡眠模式时最低消耗电流可低至0.1uA，且有七种低功耗模式可供选择，多个I/O支持中断模式满足系统对外部中断的需求。
其软件是由IAR公司提供的EmbeddedWorkbench集成开发环境。
此软件人机界面友好，并能很好的支持C语言开发。
由于本系统属于仪表类设计，因此涉及到自动控制以及低功耗方面的要求。
MSP430单片机I/O口端丰富，所消耗的功耗低，因此是此系统设计最佳的选择。
（2）OPA2134双音频运放：
OPA2134频带很宽，转换速率高，而且超低噪音超低失真，高输出驱动能力，声音是属于细致型的。
非常适合用于本设计的噪声及信号。
（3）INA2134差分运放：
INA2134完全指定高性能音频应用，低失真，高压摆率，良好的动态响应，此外高输出电压摆幅和高输出驱动能力，允许应用在要救济苛刻的各种场合。
片内集成了精密电阻，可组成差分，求和等各种信号组合，外接元件还可实现放大等功能。
精确度高热稳定度好。
完全适合本设计的应用。
一般与OPA2134配合使用。
（4）OPA2227低噪声高精度运放：
运算放大器低噪高精密。
精确放大信号电压。
（5）OP07运算放大器：
OP07是常用的低噪声高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压，极低的温漂，非常低的输入噪声电压幅度，高的共模抑制比（-126dB）及稳定性好等特点。
其输入失调电压为10uV，输入失调电压温漂为0.2uV/℃，电源电压范围宽，输入阻抗高。
可广泛应用于积分电路、精密绝对值电路、比较器及微弱信号精确放大电路。
（6）TL431稳压器件：
在小电阻测量时需要10mA的恒定电流，系统设计采用TL431稳压器件产生稳定的2.5V电压做基准设计出精密恒流源。
TL431是一个有良好的热稳定性的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。
该器件的典型动态阻抗为0.2_，电压波动差值为正负0.4%，低噪音输出，与其他产品相比，TL431物美价廉，故采用TL431作为系统设计的电压基准器件。
1.3设计方案论证
方案一：
锁相放大法，锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。
它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。
因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。
此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。
但原理比较复杂且不易实现，因此本设设计没有采用此种方法。
方案二：
取样积分法，取样积分法与锁相放大法基本相同，只是取样积分是时域信号的累计平均，可恢复被噪声淹没的信号波形，信号波形重复出理且形状不变。
而锁相放大是频域信号的窄带化处理，可得到淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位。
两种方法都是弱信号幅值检测的有效方法，只是电路实现比较复杂，才没有采用这两种方法。
方案三：
滤波器法，滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的，将输入或输出经过过滤而得到纯净的信号。
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
本设计采用一个多阶的带通滤波器，中心频率是1KHZ，滤除除有效信号以外的交流信号。
用滤波器设计软件设计该滤波器，方便简单，而且还基本可实现题目要求，所以本设计采用滤波器的方法。
2.系统实现
2.1硬件实现
2.1.1系统框图
电源
正弦波信号源
微弱信号
检测电路
噪声源
VS
VN
VC
Vo
纯电阻
分压网络
显示
电路
加法器
Vi
A
B
C
D
E
系统框图如图所示。
MSP430G2553单片机是本系统的核心器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读取MC14433转换后的结果，LCD1602液晶的驱动与显示等。
输入的电压信号可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。
电压测量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应的RMS值。
MC14433模块的功能是实现模拟量到数字量的转换，其转换后的数字量由单片机读取并送到显示模块中显示。
2.1.2不同功能单元电路及接口设计
（1）电源硬件电路
题目要求系统具有低功耗模式，即在一定的时间内没有操作，系统在单片机的控制下自动切断一部分电路的工作电源。
电源管理电路原理图如图3所示，电池的正极分成两路，第一路是直接接入到SPX1117的输入端，SPX1117是三端集成稳压芯片，其输出端输出恒定的3.3V，作单片机系统电源。
另一路是经过三极管9012可以开关控制，本设计中在系统处于正常工作状态时，单片机控制口输出高电平，9011处于饱和状态，9012的基极电压与地电压相近，9012饱和，即处于导通状态。
9V叠层电池的正极电压到达78L05三端集成稳压芯片的输入端，其输出端输出稳定的+5V电压。
-5V由负压电荷泵7660S产生。
当系统处于“低功耗”状态时，单片机控制口输出为低电平。
9011处于截止状态，9012的基极电压为9V,也处于截止状态，模拟部分电源电压为零。
而单片机将一直处于不同模式的工作状态。
（2）加法器电路
加法器电路是信号的输入端，是对信号最开始的处理。
如果此处失真比较大，刚对后续的电路将会产生非常大的影响。
因此在加法器电路的前端，用OPA2134做两个缓冲器，对输入加法器的正弦信号和噪声信号进行一级缓冲，隔离信号源和加法电路。
加法器电路采用INA2134对正弦信号和噪声信号进行相加，INA2134是双音频差分运算放大器，按照加法电路连接即可很好实现两信号的叠加，并且失真小。
电路如下图所示。
（3）纯电阻分压网络
题目要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。
所以该部分电路采用精密电阻对叠加的信号进行100倍的衰减。
电路如下图
（4）微弱信号检测电路
由于信号本身就比较小，又经过衰减网络衰减了100倍，因此在进行信号检测之前先采用OPA2227对微小信号进行了前置放大，OPA2227是双路低噪声高精密的运放，可以精确的对信号进行放大。
该前置放大网络将小信号又放大了100倍，以方便后续电路的测量。
微弱信号检测电路采用了一个六阶的带通滤波器，中心频率是1KHZ，以滤掉除正弦信号以外的各种噪声信号。
微弱信号检测电路的前级庆大电路如下图
带通滤波器电路如下图所示
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