电压型校验信号发生器的设计.docx
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电压型校验信号发生器的设计
摘要
电压型校验信号发生器的设计是基于MSP430F149单片机来实现的。
该校验信号发生器的稳定度高、可靠性强而且成本也很低。
它不但可以输出精确的0-100mV电压信号，还可以对某些电压信号进行校验。
本设计提出了以MSP430F149为核心系统的电压型校验信号发生器设计的整体方案，对各个模块的设计进行了详细的方案论证与比较。
对PWM电路、单片机电路、显示电路、复位电路、LCD接口显示电路和JTAG电路进行选择设计。
另采用Protell99软件设计出了原理图并进一步构造出了PCB版图，采用IAR公司针对MSP430研发的软件开发平台EmbeddedWorkbench430，实现了信号源产生、D/A转换、键盘扫描和液晶显示等验证性程序的编程和调试。
关键词:
信号发生器；D/A；MSP430F149
Abstract
Voltagecalibrationsignalgeneratorisdesignedtoachievesingle-chipbasedontheMSP430F149.Thecalibrationsignalgeneratorandhighstability,reliabilityandlowcost.Itcannotonlyaccurateoutputvoltagesignal0-100mV,butalsocancheckcertainvoltagesignals.
ThedesignofasystemMSP430F149asthecorevoltagecorrectionsignalgeneratoroftheoverallprogramdesign,thedesignofeachmoduleoftheprogramcarriedoutadetailedappraisalandcomparison.OfthePWMcircuit,microcontrollercircuits,displaycircuit,resetcircuit,LCDdisplaycircuitandJTAGinterfacetochoosethedesigncircuit.AnotherProtell99softwareusedtodesigntheschematicandPCBtofurthermapoutthestructure,fortheMSP430usingIARcompany'ssoftwaredevelopmentplatformforR&DEmbeddedWorkbench430,haveachievedasignalsource,D/Aconversion,keyboardscanningandverification,suchasliquidcrystaldisplayprocessesprogramminganddebugging.
Keywords:
signalgenerator;D/A;MSP430F149
1前言
1.1选题背景及意义
1.1.1国内外研究现状
电压型校验信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、还可以充当其它自动测试设备的组成部分。
目前国内市场有一产品型号为VC11是6位LCD显示，输出现场所有测试电类过程信号，面板自动校准,操作简单，冷端温度自动补，自动断电用户自行设定。
校验准确度都是在±0.02%以下。
校验信号发生器正朝着高精度、多功能、多用途、自动化和智能化方向发展。
1.1.2选题的目的及意义
电压型校验信号发生器是电子实验室还有工厂使用的的基本设备之一，目前各类学校及工业广泛使用的是标准产品。
虽然功能齐全、性能指标高，但是价格较贵，且许多功能并不需要。
电压型校验型信号发生器的设计是基于MSP430F149单片机来实现的。
该信号发生器的系统稳定度高、可靠性强而且成本也很低，性价比也比较高。
它可以输出精确的0-100mV电压信号，还可以对某些电压信号进行校验，适合工厂使用。
1.2论文的主要内容
论文将介绍设计的电压型校正信号发生器方案选择与软硬件的设计与调试.全文共分为四章,本章介绍了信号发生器设计的研究现状和本课题的选题目的与意义;第二章介绍信号发生器硬件设计,并对每个模块进行了方案论证与选择和介绍信号发生器的硬件设计的整体法案；第三章介绍总体软件的设计及其流程；最后总结了整个设计中有待改进的地方，本设计不足之处和优点。
2硬件设计
2.1硬件设计工具平台介绍
PROTEL是PORTEL公司在80年代末推出的EDA软件，在电子行业的CAD软件中，它当之无愧地排在众多EDA软件的前面，是电子设计者的首选软件，它较早就在国内开始使用，在国内的普及率也最高，有些高校的电子专业还专门开设了课程来学习它，几乎所有的电子公司都要用到它，许多大公司在招聘电子设计人才时在其条件栏上常会写着要求会使用PROTEL。
早期的PROTEL主要作为印制板自动布线工具使用，运行在DOS环境，对硬件的要求很低，在无硬盘286机的1M内存下就能运行，但它的功能也较少，只有电原理图绘制与印制板设计功能，其印制板自动布线的布通率也低，而现今的PROTEL已发展到PROTEL99（网络上可下载到它的测试板），是个庞大的EDA软件，完全安装有200多M，它工作在WINDOWS95环境下，是个完整的板级全方位电子设计系统，它包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印制电路板设计（包含印制电路板自动布线）、可编程逻辑器件设计、图表生成、电子表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务器）体系结构，同时还兼容一些其它设计软件的文件格式，如ORCAD，PSPICE，EXCEL等，其多层印制线路板的自动布线可实现高密度PCB的100％布通率。
在国内PROTEL软件较易买到，有关PROTEL软件和使用说明的书也有很多，这为它的普及提供了基础。
想更多地了解PROTEL的软件功能或者下载PROTEL99的试用版，可以在INTERNET上访问它的站点。
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层。
一、Protel99SE的系统组成
按照系统功能来划分，Protel99se主要包含以下俩大部分和6个功能模块。
1.电路工程设计部分
（1）.电路原理设计部分（AdvancedSchematic99）：
电路原理图设计部分包括电路图编辑器（简称SCH编辑器）、电路图零件库编辑器（简称Schlib编辑器）和各种文本编辑器。
本系统的主要功能是：
绘制、修改和编辑电路原理图；更新和修改电路图零件库；查看和编辑有关电路图和零件库的各种报表。
（2）.印刷电路板设计系统（AdvancedPCB99）：
印刷电路板设计系统包括印刷电路板编辑器（简称PCB编辑器）、零件封装编辑器（简称PCBLib编辑器）和电路板组件管理器。
本系统的主要功能是：
绘制、修改和编辑电路板；更新和修改零件封装；管理电路板组件。
（3）自动布线系统（AdvancedRoute99）：
本系统包含一个基于形状（Shape-based）的无栅格自动布线器，用于印刷电路板的自动布线，以实现PCB设计的自动化。
2.电路仿真与PLD部分
（1）.电路模拟仿真系统（AdvancedSIM99）：
电路模拟仿真系统包含一个数字/模拟信号仿真器，可提供连续的数字信号和模拟信号，以便对电路原理图进行信号模拟仿真，从而验证其正确性和可行性。
（2）.可编程逻辑设计系统（AdvancedPLD99）：
可编程逻辑设计系统包含一个有语法功能的文本编辑器和一个波形编辑器（Waveform）。
本系统的主要功能是；对逻辑电路进行分析、综合；观察信号的波形。
利用PLD系统可以最大限度的精简逻辑部件，使数字电路设计达到最简化。
（3）.高级信号完整性分析系统（AdvancedIntegrity99）：
信号完整性分析系统提供了一个精确的信号完整性模拟器，可用来分析PCB设计、检查电路设计参数、实验超调量、阻抗和信号谐波要求等。
二.Protel99SE的功能特性
1、开放式集成化的设计管理体系
2、超强功能的、修改与编辑功能
3、强大的设计自动化功能
2.2MSP430单片机及其外围模块的设计
2.2.1MSP430单片机的设计
图1.1
与89C51相比的几个优点：
1）.MSP内核指令均为单周期指令，功能强，运行的速度快。
89C51单片机是8位单片机。
拥有复杂指令集，共具有111条指令。
而MSP430单片机是16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，只有简洁的27条指令，大量的指令则是模拟指令，众多的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算。
2）.更适合应用于使用电池供电的仪器、仪表类产品中。
MSP430系列单片机在低功耗方面的优越之处，则是89C51系列不可比拟的
3）.MSP430拥有16位内部总线即16个功能模块，较89C51,MSP430在模拟功能部件这方面不受限制。
如图1.5为这次设计的核心部件MSP430F149外有64个管脚，其内部硬件结构主要包括:
MSP430的CPU、存储器、基础是时钟、I/O端口、定时器、比较器、FLASH模块、USART模块，以及ADC模块等。
2.2.2MSP430F149模块功能介绍
1.I/O端口
MSP430F149最多有6个端口：
P1-P6，每个端口有8个管脚。
每个管脚可以设置成独立的输入或者输出。
每个管脚都可以读和写。
P1和P2都可以设置成中断。
P1和P2都分别公用一个中断向量。
MSP430F149I/O端口有一下特征：
（1）每个I/O口都可以独立的编程设置。
（2）输入输出可以任意结合使用。
（3）P1端口和P2端口中断功能可以单独设置。
（4）都独立的输入输出寄存器。
2.定时器
看门狗是一个16比特的定时器。
（1）有4个可选的时间间隔，通过软件来设置。
（2）有看门狗模式和定时器模式。
（3）访问看门狗控制寄存器受密码保护。
（4）可以选择时钟源。
（5）能够停止，以便降低功耗。
3.定时器A（Timer_A）。
定时器A是一个16位的定时器/计数器。
有3个比较/捕获寄存器。
定时器A能够支持多个时序控制、多个捕获/比较功能多个PWM输出。
有广泛的中断功能，中断可以由捕获/比较器产生。
有以下特征：
（1）16位定时/计数器，共有4种模式。
（2）可以选择设置时钟源。
（3）多个比较捕获寄存器。
（4）异步的输出输入锁存。
（5）具有中断向量寄存器，能快出译码定时器A残生的中断。
4比较器
（1）比较器A支持电压监控、A/D转换和外部模拟信号的输出。
它具有以下功能：
（1）反向和非反相的终端输入复用器。
（2）比较器输出有软件选择的RC滤波器。
（3）比较器的输出可以作为定时器A的捕获输入。
（4）比较器和参考电压的产生可以关闭。
（5）端口输入缓冲由软件控制。
（6）具有中断功能。
（7）可以选择参考电压的产生。
5管脚功能介绍
P1口:
P1.0/TACLK：
通用数字I/O管脚/Timer_A,TACLK时钟输入信号
P1.1-1.3/TA0-TA2：
通用数字I/O管脚/Timer_A捕获：
CCI0A输入，比较：
OUT0输出。
P1.4/SMCLK：
通用数字I/O管脚/SMCLK信号输出。
P1.5-1.7/TA0-TA2：
P2口:
P2.0/ACLK：
通用数字I/O管脚/ACLK输出端
P2.1/TAINCLK：
通用数字I/O管脚/ACLK时钟信号
P2.2/CAOUT/TAO:
通用数字I/O管脚/TIMER_A捕获：
CCI0B输入，比较：
OUT0输出
P2.3/CAO/TA1：
通用数字I/O管脚/TIMER_A捕获：
CCI0B输入，比较：
OUT1输出
P2.4/CA1/TA2：
通用数字I/O管脚/TIMER_A捕获：
，比较：
OUT2输出
P2.5/Rosc：
通用数字I/O管脚/作为外接电阻管脚通过接一电阻来确定DCO的工作频率
P2.6/ADC12CLK:
通用数字I/O管脚/12位A/D转换器的转换时钟
P2.7/TAO：
通用数字I/O管脚/TIMER_A，比较：
OUT0输出
P3口:
P3.0/STE0：
通用数字I/O管脚/从传输使能：
USART0/SPI
P3.1/SIMO0：
通用数字I/O管脚/USART0/SPI模式下的从输入或者主输出
P3.2/SOMI0：
通用数字I/O管脚/USART0/SPI模式下的从输出或者主输入
P3.3/UCLK0：
通用数字I/O管脚/外部时钟输入—USART0/SPI或者UART模式时钟输出-USART0/SPI模式
P3.4-3.7/UTXD：
通用数字I/O管脚/发送数据输出—USRT0/SPI模式
P4口:
P4.0-4.6/TB:
通用数字I/O管脚/定时器Timer_B,捕获：
CCI0A或者CCI0B输出，比较：
OUT0输出。
P4.7/TBCLK:
通用数字I/O管脚/定时器Timer_B,输如时钟TBCLK
P5口:
P5.0/STE1:
通用数字I/O管脚/从传输使能：
USART1/SPI模式
P5.1/SIMO1通用数字I/O管脚/USART1/SPI模式的从输入或者主输出
P5.2/SOMI1通用数字I/O管脚/USART1/SPI模式下的从输出或者主输入
P5.3/UCLK1:
通用数字I/O管脚/外部时钟输入—USART1/SPI或者UART模式时钟输出-USART0/SPI模式
P5.4/MCLK通用数字I/O管脚/主系统时钟MCLK输出
P5.5/MCLK通用数字I/O管脚/子系统时钟MCLK输出
P5.6/ACLK通用数字I/O管脚/辅助时钟ACLK输出
P5.7/TBoutH通用数字I/O管脚
P6口:
P6/A:
通用数字I/O管脚/12位AD转换器模拟输入通道
DVCC数字电源端;AVCC模拟电源端;AVSS模拟电源地;DVSS数字电源地
VREFAD转换器内部电压的正输入端;XIN晶体振荡器XT1的输入口
XOUT/TCLK晶体振荡器XT1的输出端/测试时钟输入端
VErefAD转换器内部基准电压或者外部基准电压负端
XT2IN晶体震荡器XT2的输入口
XT2OUT晶体震荡器XT2的输出端
/RST/NMI复位信号输入端/不可屏蔽中断输入端
TCK测试时钟，用于器件编程和测试时钟输入端
TMS测试方法选择器件编程和测试输入端
TDI测试数据输入端
TDO/TDI测试数据输出端/编程时数据输入端
2.2.3电源电路的设计
图1.2
如图1.2为电源电，MSP430单片机的工作电压一般很1.8-3.6V，并且功耗很低。
电源封装76033用的一般比较少，与此相比，AMS1117用的广，货源充足。
此我选用了AMS1117（SOT223）作为电源芯片。
该电源芯片输出电压为3.3V完全能够满足大多数低功耗应用场合的要求也能够满足本系统的功耗要求。
2.2.4复位电路的设计
图1.3
如图1.3为复位电路，其实单片机内带有复位功能，但是可靠性比较低。
一个设计其实复位很重要，复位能体现他的可靠性。
在本单片机的系统中，为了保证系统在上电是进行初始化，同时也为了保证对电源的监视需要采用复位芯片。
由图看出该电源电路非常简单，只需要在电源管脚处加个电容滤波处理,以减小干扰。
因此我采用SOT-23作为复位电路的芯片。
2.2.5时钟电路设计
MSP430系列单片机有丰富的时钟模块,有高速晶体振荡器,低速晶体振荡器,不同系列器件含的时钟模块可能不同.在MSP430F149单片机只需一个高频时钟即可单片机外接的晶体振荡器频率为8MHZ,两个引脚分别外接一个56pF的电容.晶体振荡提供系统时钟,还可经分频器分频后给外围模块如信号发生器系统中的LCD驱动模块提供时钟信号.
2.2.6LCD显示接口电路设计
图1.4
如图1.4为显示器接口电路采用MSC_G12864点阵128X64输入电压3..3/5V,寿命较长，LED：
黄绿底色，高亮LED：
黄色，白色和蓝色。
液晶显示模块数据支持并行和串行两种输入格式。
总体来说液晶显示模块性能较佳。
2.2.7键盘电路设计
图1.5
键盘是单片机中人机交流不课缺少的输入设备。
键盘实际上是一个开关元件。
键盘通常使用机械触点按键开关，其功能是把机械上的通断转换为电气上的逻辑关系（1和2）。
常见的键盘种类有独立式和矩阵式。
本设计按键较少，所以选择4x1独立式按键封装为IDC1O。
独立式按键其特点每个按键单独占用一跟I/O口线，每个按键工作不会影响到其他I/O口线的状态。
如图1.0在KEY键没按下去之前P1.0-P1.4输入的都是高电平，其电流为电源电压和电阻100K的比值0.033mA即33uF；当KEY键按下时候，P1.0输入的低电平，即输入的电流为0，其他3个端口仍旧为高电平，然后就实行P1.0I/O端口的功能，与其他端口互不影响。
这四个电阻的阻值不能太小，如果是1K或者是更低一些，这样一来虽然按键按键灵敏一些，但是功耗太大，所以不可取。
2.2.8JTAG接口电路的设计
图1.7
目前有各种各样简单JTAG电缆,其实只是一个电平转换电路,同时还起到保护作用。
JTAG的逻辑则由运行在PC上的软件实现,所以在理论上,任何一个简单JTAG电缆,都可以支持各种应用软件,如Debug等。
JTAG主要用于芯片内部测试及对系统进行仿真、调试，JTAG技术是一种嵌入式调试技术，它在芯片内部封装了专门的测试电路TAP（TestAccessPort，测试访问口），通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。
目前大多数比较复杂的器件都支持JTAG协议，如ARM、DSP、FPGA器件等。
标准的JTAG接口是4线：
TMS、TCK、TDI、TDO分别为测试模式选择、测试时钟、测试数据输入和测试数据输出。
TDI：
测试数据串行输入
TMS：
测试模式选择
TCK：
测试时钟
TDO：
测试数据串行输出
2.3PWM技术
2.3.1PWM电路设计
图1.8
如图1.8当输入端P5.1给的是高电平，则此时三极管导通,，2.5V基准稳压源被短路，输出端电压为0V；当P5.1端口给的是低电平时候，三极管截止，则基准稳压源起作用，输出端输出电压为2.5V。
由于2.5V基准稳压源工作电流要小于0.1mA。
所以所以R7、R8和R9的电阻要尽可能大一些。
在这里面取10K。
那么基准稳压源正常工作时候，流经其上端R6电流为0.1mA和2.5/30mA之和为0.183mA。
则此时R6的电阻大小为电源（3.3-2.5）V与0.183mA的比值为4.37K。
目前市场有4.3和4.7两种阻值的电阻，所以选择比较合适的4.3K。
则经过稳压源和三极管调制以后信号就变成了周期性脉冲信号输出范围为【0，2.5】V。
因此其输出电压不难算出，它的大小为
2.3.2PWM技术介绍
脉宽调制（PWM:
（PulseWidthModulation）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。
简而言之，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。
电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。
PWM一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。
让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。
噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。
对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。
从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。
在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。
图1.9
从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。
由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。
由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。
PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。
正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABBACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。
2.4RC模拟滤波器
2.4.1RC模拟滤波器工作示意图
2.4.2RC模拟滤波器设计
RC滤波器是最简单的滤波器，它可以实现低功耗应用。
有截止频率
作用是：
滤除高于0.5倍采样频率的无用的高频分量，以减少频谱混叠；
理论截止频率为0.5倍采样频率，要想改变滤波器的截止频率，只要改变这四个变量就行了。
当R2远大于R1时候，滤波器的相对影响较好。
若R2为1兆欧姆，R1为2千欧姆，则C2、C1分别选择200pF和0.1uF。
由于截止频率很接近信号带宽边沿时，将会导致非常大的衰减。
因此为了减小滤波器的衰减，截止频率应该大于信号宽边沿，但是要远小于PWM信号的频率。
2.5同相比例运算电路
图2.0
如图2.0左半部分为同比例运算电路，可以根据“虚短”、“虚断”的特点来分析计算电压放大倍数。
假如R5为2K,则放大倍数为3。
要输出电压为0-100mV的电压信号，则输入电压应该为
1/30V。
这个0.033V电压是通过R9分压得到的。
这样一来就需要调节R7、R8、R9他们的阻值了，为了满足稳压源的工作条件，上文已经提出3个阻值其和为30K。
我设定R9为未知数X，则我可以列出来一个方程
则X=0.4K。
因此在这里面选择R7为10K，R8阻值为20K，R9阻值为0.4K。
在这里面可以看出来，设定R5的值可以导出R9的阻值。
右半部分则
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