畢業(yè)設(shè)計（論文）基于單片機的受控正弦信號發(fā)生器設(shè)計

1、宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)論文（設(shè)計） 基于單片機的受控正弦信號發(fā)生器設(shè)計 系 部 自動控制工程系 專 業(yè) 名 稱 發(fā)電廠及電力系統(tǒng) 班 級 電力 1091 班 姓 名 學(xué) 號 指 導(dǎo) 教 師 2011 年 8 月 12 日 摘 要 i 摘 要 以模擬電路為核心，采用 msp430f149 單片機與 dds 模塊相結(jié)合的方式，通過對 dds 集成芯片 ad9851 的控制，設(shè)計受控正弦信號發(fā)生器，實現(xiàn)了賽題要求的基本功能。 系統(tǒng)由電流接收器、電流變送器、單片機控制模塊、dds 信號發(fā)生電路、lcd 顯示模塊、 a/d 轉(zhuǎn)換模塊、信號調(diào)理電路、二線式 v/i 變換電路等組成。該系統(tǒng)的

2、輸出頻率和各種 調(diào)制方式由可調(diào)電阻設(shè)置，并通過 lcd 顯示。本系統(tǒng)有效地使用 msp430f149 單片機的 片內(nèi)資源，將數(shù)字電路與模擬電路高效的融合到一起，配合自動控制算法，實現(xiàn)題目 的基本要求的所有項及發(fā)揮部分的要求。 關(guān)鍵詞：正弦信號發(fā)生器；msp430f149；dds；數(shù)模轉(zhuǎn)換；二線式 v/i 變換 abstract the design of the program - controlled signal, and impersonate the circuit at the core to msp430f149 monolithic integrated circuits to

3、control system, the system to integrate monolithic integrated circuits of the dds module, a chip of the dds integration ad9851 to match the requirements of the basic features. the system from the current sink,hunan, monolithic integrated circuits to control signals, dds in lcd modules circuit, displ

4、ay, a conversion, d, and the second line of electrical signals restrain a v/i change of circuit, etc. system and various ways of output frequency modulation by the electrical resistance, and lcd display.the system effectively msp430f149 monolithic integrated circuits of the resources, a digital circ

5、uit with the integrated circuits, with automatic control, and subject to the basic requirement of all items and part of the claim. key words：sinusoidal signal generator digital-to-analogue conversionmsp430f149; the signal of the dds program ;two lines in a v/i change. 目 錄 ii 目 錄 1 1 引言引言 .1 1 2 2 方案

6、論證與設(shè)計方案論證與設(shè)計 .2 2 2.1 單片機選型.2 2.2 單元電路設(shè)計方案 .2 2.2.1 電源電路設(shè)計方案 .2 2.2.2 電流變送器方案.3 2.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路方案.3 2.2.4 信號調(diào)制方案.3 2.3 系統(tǒng)總體框圖.4 3 3 理論分析與計算理論分析與計算 .5 5 3.1 dds 的理論分析 .5 3.2 dds 的參數(shù)計算 .6 3.3 載頻參數(shù)計算.6 3.4 adc 參數(shù)計算 .6 3.5 電源運放的分析.7 4 4 硬件電路設(shè)計硬件電路設(shè)計 .8 8 4.1 電源模塊分析與設(shè)計.8 4.2 壓力橋及調(diào)理電路模塊分析與設(shè)計.9 4.3 兩線制變換電路的設(shè)計

7、與分析.10 4.4 電流接收器模塊.11 4.5 24 位 adc 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 .12 4.6 msp430 最小系統(tǒng)設(shè)計 .13 5 5 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 .1414 6 6 系統(tǒng)測試系統(tǒng)測試 .1515 6.1 變換精度測試.15 6.2 電阻值非線性度測試.15 目 錄 iii 6.3 信號發(fā)生器測試.15 6.4 變換精度測試.16 6.5 頻率非線性度測試.16 6.6 測試結(jié)論 .16 7 7 結(jié)語結(jié)語 .1717 致致 謝謝 .1818 參考文獻參考文獻 .1919 附錄附錄 1 1 源程序清單源程序清單.2020 1 引言 1 1 引言 在數(shù)字信號處理器飛速發(fā)展的今天，微處

8、理器的應(yīng)用已主領(lǐng)著電子技術(shù)領(lǐng)域的潮 流，先進的數(shù) 字信號處理技術(shù)，能實現(xiàn)各種復(fù)雜的功能。對正弦波信號發(fā)生器而言， 數(shù)字 dds 技術(shù)的誕生，使波形發(fā)生器技術(shù)有了進一步的飛躍。 在許多電子系統(tǒng)中，經(jīng)常需要用到頻率和幅度可調(diào)的正弦波信號作為基準(zhǔn)或載波 信號。正弦渡信號主要通過模擬電路或 dds(direct digital synthesis)等兩種方式產(chǎn)生.相 對于模擬電路，dds 具有相位連續(xù)、頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、信號穩(wěn)定等諸多優(yōu) 點，因此，dds 存雷達、通信、測試、儀表等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。 dds 是一項關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)。dds 是直接數(shù)字式頻率合成器（direct digita

9、l synthesizer）的英文縮寫。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，dds 具有低成本、低功耗、高 分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字 化的一個關(guān)鍵技術(shù)。 正如其基本數(shù)學(xué)論所表現(xiàn)的，基于數(shù)字的信號處理模塊在架構(gòu)上常常會使人聯(lián)想 起以前的模擬模塊。例如，連續(xù)時間與離散時間過濾器設(shè)計所采用的傅立葉變換與 z 變換的并行處理，構(gòu)成了像“形”與“階”這樣的表達式。還有許多其他并行結(jié)構(gòu)的例子。 的確，非類似結(jié)構(gòu)在采用線性與數(shù)字實現(xiàn)的基本函數(shù)中并不常見。因此，數(shù)字電路常 常用數(shù)字信號來表現(xiàn)模擬電路一般用電壓或電流來表示的相同物理現(xiàn)象。 而 dds（又稱為 nco（數(shù)字控

10、制振蕩器） ）則正相反。不像大多數(shù)頻率發(fā)生器， dds 不采用可調(diào)諧反饋回路，而是直接用數(shù)字形式來構(gòu)造其輸出波形。因為簡單，故 其結(jié)構(gòu)特別通用，已廣泛用于汽車收音機、數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)及醫(yī)學(xué)成像儀等各種設(shè)備。 nco 所采用的形式也是多種多樣的，例如：ip（知識產(chǎn)權(quán)或?qū)＠?、ic、板卡及儀器等， 全都能從不同供應(yīng)商處得到。 在應(yīng)用中，dds 可以以相當(dāng)?shù)偷某杀咎峁┮粚哂袩o與倫比的幅度匹配與相位一 致性的 i、q 通道。dds 還能在時間與溫度變化條件下提供出色的長期頻率與幅度穩(wěn) 定性，且只有很少的參數(shù)依賴性。 我們參加了 2010 年 ti 杯四川省大學(xué)生電子設(shè)計競賽，并在比賽中獲得了二等獎，

11、經(jīng)領(lǐng)導(dǎo)同意用其作為我們的畢業(yè)設(shè)計。 2 方案論證與設(shè)計 2 2 方案論證與設(shè)計 2.1 單片機選型單片機選型 在整個系統(tǒng)中，信號發(fā)生部分和接收部分都需要一個主控芯片進行處理，主要考 慮以下三個方案： 方案一：采用 spce061a 單片機。spce061a 單片機是 16 位的微處理器，主頻可 以達到 49mhz,速度很快，并且具有方便的 adc 接口，但 spce061a 單片機的功耗不 是最低的。 方案二：采用 c8051f 系列單片機。c8051f 系列單片機的發(fā)展已經(jīng)有比較長的時 間，應(yīng)用比較廣泛，各種技術(shù)都比較成熟，但此系列單片機為 8 位機，處理速度不是 很快，資源不夠充足，故不采

12、用。 方案三：采用 ti 公司 msp430 系列單片機。msp430 系列的單片機擁有有業(yè)界最 低功耗，其中 f149 活動模式在 160ua，因此在性價、功耗、速度上都有優(yōu)勢。 由于在傳輸過程中對功耗要求，msp430 可以設(shè)置為低功耗模式，功耗（可達 ua 級）比 c8051f 系列至少低一個數(shù)量級，內(nèi)部還集成有溫度傳感器，所以本設(shè)計采用 msp430f149 單片機作為主控芯片。 2.2 單元電路設(shè)計方案單元電路設(shè)計方案 2.2.1 電源電路設(shè)計方案電源電路設(shè)計方案 在本系統(tǒng)中的電源主要考慮以下方案。 方案一：開關(guān)電源。電源的效率高，體積小、重量輕、適應(yīng)的范圍大，它的主要 缺點是輸出電

13、壓中所含紋波較大，對電子設(shè)備的干擾較大，而且電路比較復(fù)雜，對元 器件的要求較高。 方案二：采用 lm317 三端集成可調(diào)的穩(wěn)壓電源。此電源的優(yōu)點是輸出電壓穩(wěn)定， 可以調(diào)節(jié)，輸出的電壓誤差小，且電路比較簡單，能大幅度地降低電能和電極消耗。 根據(jù)系統(tǒng)的要求和電路本身的特性，三端集成可調(diào)的穩(wěn)壓電源輸出電壓比開關(guān)電 源穩(wěn)定，可以輸出多擋不同的電壓。電路本身還有過壓、過流、過熱保護，所以選擇 2 方案論證與設(shè)計 3 方案二。 2.2.2 電流變送器方案電流變送器方案 在測量各類非物理量，都需要轉(zhuǎn)換成模擬量電信號才能傳輸?shù)斤@示設(shè)備上，這種 將物理量轉(zhuǎn)換成電信號的設(shè)備是十分重要的，主要考慮以下幾種方案。 方

14、案一：電流型變送器將物理量轉(zhuǎn)換成 4-20ma 電流輸出，必然要有外電源供電。 最典型的是采用變送器需要的兩根電源線，再加上兩根電流線，總共 4 根線，但在應(yīng) 用設(shè)備中控制的距離遠，就意味著成本高。 方案二：在四線制的基礎(chǔ)上，省去兩根導(dǎo)線，降低成本，減少使用的難度。 根據(jù)題目要求，采用電流信號的原因是不容易受干擾。并且電流源內(nèi)阻無窮大， 導(dǎo)線電阻串聯(lián)在回路中不影響精度。但是二線制的成本低，所以選擇二線制電流變送 器。 2.2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路方案模數(shù)轉(zhuǎn)換電路方案 在系統(tǒng)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換方案十分重要，有以下方案。 方案一：采用單片機內(nèi)部的 adc 轉(zhuǎn)換電路，這種方案節(jié)省資源，減輕軟件設(shè)計難 度，但是

15、其轉(zhuǎn)換精度比較低，不適合本系統(tǒng)對精度的要求。 方案二：使用 24 位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 ads1255，具有業(yè)界最高性能的模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可 以達到較高的轉(zhuǎn)換精度。 由于本系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換精度和低功耗有相當(dāng)高的要求，而單片機內(nèi)部的 adc 對轉(zhuǎn)換精 度比較低，權(quán)衡的考慮軟硬件復(fù)雜度和實際的效果，選擇 24 位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片 ds1255 作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的主芯片。 2.2.4 信號調(diào)制方案信號調(diào)制方案 由于題目的要求和所需得到的波形，dds 在本電路的要求中比較高，有以下方案。 方案一：采用專用信號發(fā)生器。max038 是美信公司的低失真單片信號發(fā)生器集 成電路，內(nèi)部電路完善。使用該芯片，設(shè)計簡單，可以生成同一

16、頻率信號的各種波形 信號，但頻率精確度和穩(wěn)定度都難以達到題目要求。 2 方案論證與設(shè)計 4 方案二：采用傳統(tǒng)的直接頻率合成法直接合成。利用混頻器、倍頻器、分頻器和 帶通濾波器完成對頻率的算術(shù)運算。由于采用大量的倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)， 導(dǎo)致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，成本高，而且容易產(chǎn)生過多的雜散分量， 難以達到較高的頻譜純度。 方案三：采用直接數(shù)字合成（direct digital frequency synthesizer,簡稱 dds 或 ddfs） 。用隨機讀/寫存儲器 ram 存儲所需波形的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，以 頻率控制字 k 為步進對相位增量進行累加，以累加相

17、位值作為地址碼讀取存在存儲器 內(nèi)的波形數(shù)據(jù)，經(jīng) d/a 轉(zhuǎn)換和幅度控制，再濾波即可得所需波形。dds 具有相對帶寬 很寬，頻率轉(zhuǎn)換時間極短(可小于 20 微妙)，頻率分辨率高，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成以 及輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控，因此，可以完全滿足本題目的要 求。dds 運算速度高，系統(tǒng)集成度強的優(yōu)勢設(shè)計的這種信號發(fā)生器，比以前的數(shù)字式 信號發(fā)生器具有速度更快，且實現(xiàn)更加簡便。 從題目要求來看，上述三種方案都可以滿足題目合成頻率范圍的要求，但信號發(fā) 生器產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度、精確度都不如 dds 合成的頻率；另一方面，dds 比信號發(fā)生 器更容易精確控制，所以我們選擇 dds 芯片

18、進行頻率合成。 2.3 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖 可 調(diào) 電 阻 信 號 調(diào) 理 電源 電 流 接 收 電 流 變 送 a d c 液晶 dds +24v 4-20ma msp430單片機 可 調(diào) 電 阻 信 號 調(diào) 理 電源 電 流 接 收 電 流 變 送 a d c 液晶 dds +24v 4-20ma msp430單片機 圖 2-1 系統(tǒng)總體框圖 3 理論分析與計算 5 3 理論分析與計算 3.1 dds 的理論分析的理論分析 dds 的基本原理是在高速存儲器中放入正弦函數(shù)相位數(shù)據(jù)表格，經(jīng)過查表操 作，將讀出的數(shù)據(jù)送到高速 dac 產(chǎn)生正弦波。可編程 dds 系統(tǒng)原理如圖 3-1 所示。

19、 圖 3-1 dds 原理圖 n：相位累加器位數(shù)； m：相位累加器實際對 rom 尋址的位數(shù)； s：rom 輸出正弦信號(離散化)的位數(shù)； 位數(shù)：相位累加器舍去的位數(shù)，滿足位數(shù)=n-m。 dds 系統(tǒng)由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組 成。參考時鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步 dds 各組成部分的工作。 dds 系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由 n 位加法器與 n 位相位寄存器構(gòu)成，類似于一個 簡單的計算器。每來一個時鐘脈沖，相位寄存器的輸出就增加一個步長的相位增量值， 加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加結(jié)果送至累加 寄存器的數(shù)據(jù)

20、輸入端。相位累加器進入線性相位累加，累加至滿量程時產(chǎn)生一次計數(shù) 溢出，這個溢出頻率即為 dds 的輸出頻率。正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器 (prom)，存儲的是以相位為地址的一個周期正弦信號的采樣編碼值，包含一個周期正 弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)于正弦波中 0360范圍的一個相位點。將相位寄 存器的輸出與相位控制字相加，得到的數(shù)據(jù)作為一個地址對正弦查詢表進行尋址，查 詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅(qū)動 dac，輸出模擬信號。低通 濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。 3 理論分析與計算 6 3.2 dds 的參數(shù)計算的參數(shù)計算 對于計數(shù)容量

21、為 2n 相位累加器和具有 m 個相位取樣點的正弦波波形存儲器，若 頻率控制字為 k，輸出信號頻率為 f o，參考時鐘頻率為 f c，則 dds 系統(tǒng)輸出信號的 頻率為 f o=kfc/2n （式 32） 輸出信號頻率的頻率分辨率為 f min=fc/2n （式 33） 由奈奎斯特采樣定理可知，dds 輸出的最大頻率為 f max=fc/2 (式 34 ) 頻率控制字可由以上公式推出： k=f o2n/fc （式 35） 當(dāng)外部參考時鐘頻率為 50mhz，輸出頻率需要為 1mhz 時，系統(tǒng)時鐘經(jīng)過 6 倍頻， 使得 f c 變?yōu)?300mhz，這樣就可利用以上公式計算出 dds 的需要設(shè)定的控

22、制頻率字 k=248/300。 3.3 載頻參數(shù)計算載頻參數(shù)計算 本題要求：輸出頻率范圍是 1000khz-2000khz，頻率分辨率為 100hz，頻率穩(wěn)定 度優(yōu)于 10-4，信號波形無明顯失真。 系統(tǒng)頻率調(diào)整的步進是 100hz。dds 邏輯電路的工作時鐘是 25m，所以： 25m 100 250000 （小于 2 的 18 次方） 所以，dds 的頻率字只要多于 18 個 bit，頻率調(diào)整的步進就能小于 100hz。本系 統(tǒng)采用的頻率控制字為 32bit，充分滿足頻率調(diào)整步進的要求。 本系統(tǒng)的工作時鐘由晶振提供的時鐘通過 dds 芯片 ad9851 的 6 倍頻得到。而晶 振的頻率穩(wěn)定度

23、為 10-6 量級，所以整體頻率穩(wěn)定度： 10-66=0.610-5，在 10-5 量級， 滿足題目要求。 3.4 adc 參數(shù)計算參數(shù)計算 本題要求當(dāng)變送器端輸入的可調(diào)電阻值在 10002000 之間變化時，輸出的相 3 理論分析與計算 7 應(yīng)正弦信號的頻率在 1000khz2000khz 之間變化。顯示分辨率為 100hz,由此可計算 出單片機發(fā)送的頻率控制字 k 的個數(shù)至少為： （2000k-1000k）/100=10000 個 對應(yīng)的數(shù)字量至少為 10000 個，這樣需要一個高精度的 adc 轉(zhuǎn)換芯片，至少對輸 入的模擬量能產(chǎn)生不少于 10000 個采樣點，因此選用 adc 芯片的分辨

24、率不低于 16 位， 為了取得更高的精度，所以本設(shè)計選用分辨率為 24 位 adc 轉(zhuǎn)換芯片 （ads1255idbt） 。 3.5 電源運放的分析電源運放的分析 在設(shè)計兩線制 v/i 變換電路時，需要選擇一款合適的電源運放芯片。 lm324 是最常見的也是價格最低的單電源運放，耗電 400ua/運放。單電源供電時， 輸入從-0.3vvcc-1.5v 范圍內(nèi)正常工作。若果換成 op07 等精密放大器，因為輸入電 壓不允許低至 0v，在該電路中反而不能正常工作。r5 和 u1 構(gòu)成基準(zhǔn)源，產(chǎn)生 2.5v 穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。op27 構(gòu)成一個同向放大器，將基準(zhǔn)放大，向調(diào)理電路及傳感器供電。 因為寬輸

25、入電壓、低功耗的穩(wěn)壓器稀少成本高；將基準(zhǔn)放大作為穩(wěn)壓電源是一個廉價 的方案。所以選擇 lm324。 4 硬件電路設(shè)計 8 4 硬件電路設(shè)計 4.1 電源模塊分析與設(shè)計電源模塊分析與設(shè)計 電源變壓器整流濾波穩(wěn) 壓 圖 4-1 電源的基本框圖 正弦信號發(fā)生器需要 dds 芯片 ad9851 來產(chǎn)生信號源，用到單片機來控制系統(tǒng)等。 系統(tǒng)使用的直流穩(wěn)壓電源電壓需要多個值，且要求輸出電壓穩(wěn)定，紋波電壓小。為此， 我們用 lm317 設(shè)計兩路電壓可調(diào)電源，需用到兩種不同電壓時可將電源地端相連為系 統(tǒng)供電。則可輸出穩(wěn)定電壓，我們本系統(tǒng)中使用到+24v 和+5v 穩(wěn)壓電源。 （電源模塊 的原理圖如圖 4-2

26、所示） v in 1 gnd 2 v out 3 lm317 220v 1 2 3 4 brid ge1 0.01uf c2 + 2200uf c1 2200uf c3 200 r2 10k r1 10k r3 200 r4 2200uf c6 + 2200uf c4 c5 0.01uf v in 1 gnd 2 v out 3 lm317 d2 in 4007 d1 in 4007 24v 5v . . . . . . . . . . . . . 圖 4-2 電源原理圖 為了讓輸出的電壓穩(wěn)定，我們采用 lm317 三端集成可調(diào)的穩(wěn)壓電源，lm317 是可 調(diào)集成穩(wěn)壓器芯片，可以達到大范圍的輸

27、出電壓的調(diào)整。 4 硬件電路設(shè)計 9 穩(wěn)壓電源一般有 5 部分，即電流降壓電路、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路、保 護電路。由 lm317 組成的穩(wěn)壓電路，交流 220v 電壓經(jīng)電源變壓器降壓整流得到直流 電壓，此電壓通過濾波電路輸入到集成穩(wěn)壓器輸入端，在集成穩(wěn)壓器可達到 1.2v-37v 直流電壓。 集成穩(wěn)壓器的自身保護原理： 為獲得較高的輸出電壓值，lm317 穩(wěn)壓器的調(diào)節(jié)端余地之間的電阻值及其壓降往 往較大。穩(wěn)壓器的輸入端接入電容，提供足夠的電流供給，同時防止可能發(fā)生的自激 振蕩以及減小高噪聲和改善負載的瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)輸入端發(fā)生短路時，為此在穩(wěn)壓器兩 端并接二極管 d1，輸入端短路時通過 d

28、1 放電，保護穩(wěn)壓器。 在此電路中我們采用的器件有:有極性電容、無極性電容、lm317、變壓器、二極 管、電位器。 4.2 壓力橋及調(diào)理電路模塊分析與設(shè)計壓力橋及調(diào)理電路模塊分析與設(shè)計 1 2 3 4 503 rg v cc r0 503 v cc=5v op277 6 2 100 r 。 v /i 。 。 。 。 。 。 2 8 1 34 6 7 5 ad623 v o=0.4。2v v cc=5v v 3 0.4v 圖 4-3 調(diào)理電路 選用 ad623 可在 5v 電壓下工作，ad623 是常用的低功耗精密差動放大器，用在 差分輸出前級放大。ad623 失調(diào)最大 200ua，變送應(yīng)用保證

29、的精度足夠。ro 將 0.4v 疊加在 ad623 的 ref 腳上，在壓力等于零的情況下通過調(diào)整 ro 使輸出 4ma，再調(diào)整 rg 輸出 20ma,完成校準(zhǔn)。在設(shè)計電路時，壓力傳感器相當(dāng)于一個千歐級的電阻，耗電 一般比大。適當(dāng)降低壓力橋的激勵電壓可以減小耗電電流。但是輸出幅度也隨之下降， 4 硬件電路設(shè)計 10 需要提高 ad623 的增益。圖中我們采用恒壓供電，在實際的應(yīng)用中需要恒流供電才能 獲得較好的特性，可用一個運放構(gòu)成恒流源為其提供激勵。 通過調(diào)整壓力橋的電阻值，將物理量轉(zhuǎn)換成電參量，調(diào)理電路將輸出的微弱信號 或非線性的電信號進行放大、調(diào)理、最終轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。 4.3 兩線

30、制變換電路的設(shè)計與分析兩線制變換電路的設(shè)計與分析 lm324op2 q1 re 200 r5 100 u1 lm385-2.5 r5 200k r1 100k r3 100k r4 100k r2 100k lm324 op1 。 v cc/v ref out gnd 0.4-2v v 0 2.5v a。 b。 100ua . . is 12。36v . . . d1 圖 4-4 兩線制變換電路 兩線制 v/i 變換電路是一種可以用電壓信號控制輸出電流的電路。兩線制 v/i 電路 與一般 v/i 變換電路不同。兩線制 v/i 電路的電壓信號不是直接控制輸出電流，而是控 制整個電路自身耗電電流。

31、同時，還要從電流環(huán)路上提取穩(wěn)定的電壓為調(diào)理電路供電。 圖 44 是基本的原理圖，圖中 op1、q1、r1、r2、rs 構(gòu)成了 v/i 變換器。分析 反饋過程：若 a 點因為某種原因高于 0v，則運放 op1 輸出電壓升高，通過 re 電流變 大。相當(dāng)于整體耗電變大，通過采樣電阻的 rs 的電流也變大，b 點電壓變低。結(jié)果通 過 r2 的將 a 點電壓拉下來。反之，若 a 點因某種原因低于 0v，也會被負反饋抬高回 0v?？傊摲答伒慕Y(jié)果是：op1 虛斷，a 點電壓=0v。 由于 u-=u+,所以可求得輸出電壓 uo 與輸入電壓 ui 的關(guān)系為 uo=(1+rf/r1)u+=(1+rf/r1)

32、ui （式 45） 4 硬件電路設(shè)計 11 當(dāng) uo=5v,ui=2.5v 時； uo=(1+rf/r1)ui （式 46） rf= r1=100k 分析 v0 對耗電的控制原理： 流過 r1 的電流： i1=vo/r1 （式 47） b 點的電壓： vb=-i1*r2=-vo*r2/r1 （式 48） 取 r2=r1 時，有 vb=vo 電源負和整個變送器電路之間只有 rs、r2 兩個電阻， 因此所有的電流流過 rs 和 r2。 電路的總電流： is=vo/(rsr1) （式 49） 如果取 r2rs: 則 is=vo/rs 當(dāng)調(diào)理電路輸出 0.4v-2.0v 的時候，總耗電電流 4ma-2

33、0ma，若不能滿足 r2 rs 也沒關(guān)系，r2 與 rs 并聯(lián)是個固定的值，is 與 io 仍然是線性的關(guān)系，誤差比例系數(shù) 在校準(zhǔn)時可以消除。 4.4 電流接收器模塊電流接收器模塊 1 3 6 2 4 5 12 710 11 8 13 14 15 16 9 rcv 420 +24v - v out(0-5v) + 0v 。 . . . 圖 4-10 電流接收電路 rcv420 是精密的電流它包含了一個高級運算放大器、一個精密電阻網(wǎng)絡(luò)和一個 精密電壓基準(zhǔn)。其總轉(zhuǎn)換精度為 0.1，rcv420 在滿量程的電壓下降壓僅為 1.5v。 當(dāng)輸出 4-20ma 電流對應(yīng) 0-5v 電壓輸出時，要求電路的傳

34、輸阻抗為： 4 硬件電路設(shè)計 12 vout/iin=5v/16ma=0.3125v/ma 為了得到期望的輸出（4ma 時 0v，20ma 時 5v） ，放大器的輸出必須有一個偏置： vos=-4ma(03125 v/ma)=-1.25v 輸入電流信號接至+in 端還是-in 端取決與信號的極性，并經(jīng)過中心抽頭 ct 返回 地端。 兩個匹配的 75 檢測電阻 rs 構(gòu)成對稱輸入，可最程度地抑制 ct 腳的共模電壓信 號，消除不同輸入端電流在差分電壓轉(zhuǎn)換時的不均衡。檢測電阻將輸入的電流信號經(jīng) 過差分放大器放大，轉(zhuǎn)換成一個與之成正比的電壓。環(huán)接受芯片，用于將 4-20ma 輸 入信號轉(zhuǎn)換成 0-5

35、v 輸出信號。 4.5 24 位位 adc 轉(zhuǎn)換電路設(shè)計轉(zhuǎn)換電路設(shè)計 ad 采樣的精度對正弦信號的控制要求相當(dāng)高，在題目基礎(chǔ)部分中我們曾用到 msp430 系列單片機內(nèi)部自帶 12 位 adc，但發(fā)現(xiàn)其不能滿足題目發(fā)揮部分對信號采集 分辯率的要求，因此必須選擇一款分辯率位數(shù)較高的 ad 芯片。ads1255 是 ti 公司生 產(chǎn)的一款 24 位高精度 ad 轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成多路選擇開關(guān)(mux)、可編程增益控制 器(pga)，可編程數(shù)字濾波器等，是一款性能較高的 adc 芯片，它能夠接收輸入幅度 05v 的電壓信號，前面設(shè)計的電流接收電路產(chǎn)生電壓信號 15v，剛好可以用來完成 題目的設(shè)計。其

36、原理圖如圖 4-11 所示。 4 硬件電路設(shè)計 13 5v 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 u1 ad s125 5 c4 0.1 uf c5 100 pf cc 3 cc 4 cc 3 cc 4 2.5 v c6 100 pf c7 0.1 uf cc 6 cc 7 cc 6 cc 7 c9 0.1 uf 3.3 v 12 y1 7.68mhz c11 18p f c10 18p fc1 0.1 uf 1 2 3 4 5 j2 1 2 j1 5v 3.3 v 2.5 v c3 47u f c2 10u f c8 10u f

37、 r1 49.9 r2 49.9 r3 301 r4 301 r5100 r6100 r7100 1 2 3 4 5 6 j3 co n6 圖 4-11 ads1255 工作原理圖 4.6 msp430 最小系統(tǒng)設(shè)計最小系統(tǒng)設(shè)計 ti 公司生產(chǎn)的 msp430f149 系列單片機是一款超低功耗的單片機。該系列單片機 集成有 16 位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，能發(fā)揮其最高代碼效率。它采用數(shù)字控制振蕩器 (dco)，使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時間小于 6us。其內(nèi)部資源豐富，可應(yīng)用 于開發(fā)較復(fù)雜的系統(tǒng)。本設(shè)計使用的 msp430 最小系統(tǒng)設(shè)計電路圖如圖 4-12 所示。該 最小系統(tǒng)主要用于采集 a

38、ds1255 送入的數(shù)字信號，作計算處理，同時控制 dds 輸出 相應(yīng)的頻率和控制 lcd 顯示出電阻值及輸出頻率的相關(guān)信息。 4 硬件電路設(shè)計 14 圖 4-12 msp430 單片機最小系統(tǒng)原理圖 5 軟件設(shè)計 15 5 軟件設(shè)計 受控正弦信號發(fā)生器的軟件重要任務(wù)就是對 ad 采樣返回的數(shù)據(jù)進行適當(dāng)?shù)挠嬎悖?把它對應(yīng)的頻率控制字送到 ad9851 模塊中，并把電阻值、電流值、頻率在液晶上顯 示出來。adc 的任務(wù)是對電阻的變化最終引起電壓變化的模擬量進行采集。軟件流程 圖如圖 5-1 所示，具體程序參見附錄 1。 開始 單片機、液晶和ad9851初始化 查詢adc并引發(fā)終端 在led上顯示

39、電阻、電流、頻率 調(diào)用子程序進行各參數(shù)的轉(zhuǎn)化 把相應(yīng)的控制字寫入ad9851 把相應(yīng)的頻率控制字寫入ad9851 y n 中斷返回 圖 5-1 軟件流程圖 6 系統(tǒng)測試 16 6 系統(tǒng)測試 6.1 變換精度測試變換精度測試 電阻箱設(shè)定值 r0(歐)，液晶顯示電阻值 r1(歐),環(huán)路電流值為 i(ma)。數(shù)據(jù)如 6-1 所示。 表 6-1 變換精度測試表 r0(歐)10001250150017502000 r1(歐)1002.701251.501504.81752.301999.80 i(ma)4.008.0412.0816.0220.01 值變化精度的計算：變化精度=（實際值-理論值）/理論。

40、 從上表中可以看出，液晶顯示電阻值，變換精度優(yōu)于 1%的要求。 6.2 電阻值非線性度測試電阻值非線性度測試 電阻箱設(shè)定值 r0(歐)，液晶顯示電阻值 r1(歐)。所測數(shù)據(jù)如 6-2 所示。 表 6-2 電阻值非線性測試表 10001100120013001400150016001700180019002000 1002.71105.81208.31298.51407.01504.81599.5 1698.518001899.71999.8 非線性度：非線性度最大誤差/(滿度零度)*100%。 從上表中可以看出，液晶顯示的電阻值，變換非線性度優(yōu)于 2%的要求。 6.3 信號發(fā)生器測試信號發(fā)生器

41、測試 電阻箱設(shè)定值 r0(歐)，液晶顯示電阻值 r1(歐),dds 產(chǎn)生頻率值為 f(khz)。數(shù)據(jù) 如表 6-3 所示。 表 6-3 信號發(fā)生器測試表 r0(歐)10001250150017502000 r1(歐)1002.701251.501501.81752.301999.80 f(khz)00400040004000 6 系統(tǒng)測試 17 從上表可以看出，液晶顯示的電阻值，dds 產(chǎn)生頻率都達到要求。 6.4 變換精度測試變換精度測試 電阻箱設(shè)定值 r0(歐)，信號發(fā)生器上頻率顯示值 f0(khz),測量值 f1(khz)數(shù)據(jù)如 6-4 所示。 表 6-4 變換精度測試表 r0(歐)10

42、001250150017502000 f0(khz)10201240154017701990 f1(khz)10101230153017501980 變化精度的計算：變化精度=（實際值-理論值）/理論值。 從上表可以看出，正弦信號發(fā)生器的頻率范圍，測量值都滿足了指標(biāo)的要求。 6.5 頻率非線性度測試頻率非線性度測試 電阻箱設(shè)定值 r0(歐)，信號發(fā)生器上頻率顯示值 f0(khz),測量值 f1(khz)數(shù)據(jù)如 6-5 所示。 表 6-5 頻率非線性度測試表 r0(歐) 10001100120013001400150016001700180019002000 f0(khz)10201115121

43、012901400154016101730182019101990 f1( khz) 1 010 1 110 1 205 1 295 1 410 1 520 1 600 1 710 1 810 1 920 1 995 非線性度：非線性度最大誤差/(滿度零度)*100%。 從上表可以看出，正弦信號發(fā)生器的頻率范圍，非線性度，失真度都優(yōu)于指標(biāo)要 求。 6.6 測試結(jié)論測試結(jié)論 這個系統(tǒng)不僅實現(xiàn)了題目要求的全部基本要求，而且出色地完成了發(fā)揮部分，每 項指標(biāo)都達到題目的指標(biāo)要求。 7 結(jié)語 18 7 結(jié)語 系統(tǒng)中采用的低功耗器件主要是 ti 公司大學(xué)生計劃贊助的高性能模擬器件（例如 adc）和 msp

44、430 單片機。這些芯片優(yōu)良的性能和較低的功耗使接收點易于設(shè)計。 本系統(tǒng)以高性能 dds 芯片 ad9851 為核心，利用 msp430 單片機為控制系統(tǒng)，加 上 ad9851 相配合，硬件與軟件相結(jié)合，完美地實現(xiàn)了題目提出的指標(biāo)。在系統(tǒng)設(shè)計 過程中，力求硬件電路簡單，充分發(fā)揮軟件編程靈活的特點，來滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。 電路進行調(diào)試的整個過程中，我們遇到了很多問題，但是都被我們一個個解決， 讓我們“產(chǎn)生柳暗花明又一村”的感覺，有時候，遇到了問題，不要太局限于電路的局 部，這樣反而會阻礙你發(fā)現(xiàn)問題，而要用系統(tǒng)的眼光去看待問題，綜合考慮各個方面 的因素。在這期間，我們學(xué)會了調(diào)試電路與科研時的那種態(tài)

45、度，這些經(jīng)驗也許是在永 遠在課堂上永遠需不到的。我們?nèi)齻€隊員慶幸在大學(xué)生活中有一次讓我們鍛煉在自己 的機會。 致 謝 19 致 謝 時至今日，我們的畢業(yè)設(shè)計終于可以畫上一個圓滿的句號了，現(xiàn)在回想起來在做 畢業(yè)設(shè)計的整個過程，頗有感悟，其中有苦也有甜，但樂趣也盡在其中！不僅讓我們 對單片機有了更深一步的了解，同時也增加了自己的動手實踐能力，為以后的工作打 下了基礎(chǔ)?？梢哉f畢業(yè)設(shè)計不僅是對前面所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力 的一種提高。 本次畢業(yè)設(shè)計是在我們的指導(dǎo)老師凌澤明老師的悉心指導(dǎo)下完成的。從論文的選 題到論文的完成，無不傾注著凌澤明老師辛勤的汗水和心血。凌澤明老師的嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué) 的態(tài)度

46、、淵博的知識、無私奉獻的精神使我受益匪淺，從尊敬的指導(dǎo)老師身上，我們 不僅學(xué)到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，而且還學(xué)到了做人的道理。在此我要向我們的指 導(dǎo)老師致以最衷心的感謝和深深的敬意!同時我們在這里還要感謝我的同學(xué)們，正是由 于你們的幫助和支持，我們才能順利完成本設(shè)計。 最后，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導(dǎo)、老師、同學(xué)和朋友表示由衷的謝意。 參考文獻 20 參考文獻 1 黃志偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社.2006. 2 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編m.北京：北京 理工大學(xué)出版社.2004. 3 潘琢金譯.c8051f020/1

47、/2/3 混合信號 isp flash 微控器數(shù)據(jù)手冊j.沈陽：沈陽新華電 子有限公司.2002. 4 謝自美.電子線路設(shè)計.實驗.測試（第三版）m.武漢：華中科技大學(xué)出版社.2000.7 5 楊幫文.新型集成器件家用電路m.北京：電子工業(yè)出版社.2002.8 6 第二屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編m.北京： 北京理工大學(xué)出版社.1997.3 7 李炎清.畢業(yè)論文寫作與范例j.廈門：廈門大學(xué)出版社.2006.10 8 潭博學(xué)、苗江靜.集成電路原理及應(yīng)用m.北京：電子工業(yè)出版社.2003.9 附錄 1 源程序清單 21 附錄 1 源程序清單 /*main.c*

48、/ 程序功能： mcu 的片內(nèi) adc 對 p6.0 端口的電壓進行轉(zhuǎn)換 將模擬電壓值顯示在12864 液晶上。 - 測試說明：調(diào)節(jié)電位器r7 的旋鈕觀察液晶顯示數(shù)字變化。 */ #include #include cry12864.h #include ad9851.h #define num_of_results 32 unsigned long sum = 0; const uchar shuzi = 0123456789.; static uint resultsnum_of_results;/保存 adc 轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)組 void trans_val(uint hex_val); v

49、oid trans_shuzi(uint hex_val); void trans_dianzhu(uint hex_val); /*主函數(shù) */ void main(void) wdtctl = wdtpw+wdthold; /關(guān)閉看門狗 ini_lcd(); disp_hz(0 x80, (ad9851) ,8); disp_hz(0 x90,頻率： 0000.0 khz,8); disp_hz(0 x88,電阻： 0000.0 ,8); disp_hz(0 x98,電流 : 00.00 ma,8);/顯示文字 p6sel |= 0 x03 ; / 使能 adc 通道 adc12ctl0

50、= adc12on+sht0_11+msc; / 打開 adc，設(shè)置采樣時間 adc12ctl1 = shp+conseq_2; / 使用采樣定時器 adc12ie = 0 x03; / 使能 adc 中斷 adc12ctl0 |= enc; / 使能轉(zhuǎn)換 adc12ctl0 |= adc12sc; / 開始轉(zhuǎn)換 /adc12mctl0|=inch_1+sref2+inch_8; /p6.1 口的電壓 /輸出 vref+ avss while(1) frequency_out_9850=sum*100; 附錄 1 源程序清單 22 write_9850() /* 函數(shù)名稱： adc12isr

51、功 能： adc 中斷服務(wù)函數(shù)，在這里用多次平均的 計算 p6.0 口的模擬電壓數(shù)值 參 數(shù)：無 返回值 ：無 */ #pragma vector=adc_vector _interrupt void adc12isr (void) static uint index = 0; resultsindex+ = adc12mem0; / move results if(index = num_of_results) uchar i; / unsigned long sum = 0; index = 0; for(i = 0; i = 5; /除以 32 sum=4095; trans_val(s

52、um); trans_shuzi(sum); trans_dianzhu(sum); /*/ void trans_val(uint hex_val) /電流顯示 unsigned long caltmp; uchar i; uint temp; uchar ptr4; uchar x5; uint curr_volt; caltmp =hex_val; caltmp =caltmp *500; 附錄 1 源程序清單 23 curr_volt=caltmp 12; /curr_volt = caltmp /2n temp= curr_volt; ptr0=temp/1000; ptr1=tem

53、p/100%10; ptr2=10; ptr3=temp%100/10; for(i = 0;i 4;i+) xi=shuziptri; disp_hz( 0 x98+3,x,2); /*/ void trans_dianzhu(uint hex_val) /電阻顯示 float temp; uint temp1; uchar i; uchar ptr4; uchar x5; temp=(float)hex_val; temp=temp*0.244+1000; temp1=temp/1; ptr0=temp1/1000; ptr1=temp1/100%10; ptr2=temp1%100/10

54、; ptr3=temp1%10; for(i = 0;i 4;i+) xi=shuziptri; disp_hz( 0 x88+3,x,2); /*/ void trans_shuzi(uint hex_val)/數(shù)字顯示 uchar i; uint temp; uchar ptr4; uchar x4; temp=hex_val; 附錄 1 源程序清單 24 ptr0=temp/1000; ptr1=temp/100%10; ptr2=temp%100/10; ptr3=temp%10; for(i = 0;i 4;i+) xi=shuziptri; disp_hz( 0 x90+3,x,2

55、); /*/ cry12864.h void delay_1ms(void); void delay(unsigned int n); void write_cmd(unsigned char cod); void write_data(unsigned char dat); void ini_lcd(void); void disp_hz(unsigned char addr,const unsigned char * pt,unsigned char num); void disp_nd(unsigned char addr,unsigned int thickness); void dr

56、aw_tx(unsigned char yaddr,unsigned char xaddr,const unsigned char * dp) ; void draw_pm(const unsigned char *ptr); /*/ cry12864.c #include typedef unsigned char uchar; typedef unsigned int uint; extern const unsigned char shuzi_table; #define lcd_datain p4dir=0 x00 /數(shù)據(jù)口方向設(shè)置為輸入 #define lcd_dataout p4d

57、ir=0 xff /數(shù)據(jù)口方向設(shè)置為輸出 #define lcd2mcu_data p4in #define mcu2lcd_data p4out #define lcd_cmdout p3dir|=0 x07 /p3 口的低三位設(shè)置為輸出 #define lcd_rs_h p3out|=bit0 /p3.0 #define lcd_rs_l p3out for(i = 150;i 0;i-) _nop(); /* 函數(shù)名稱： delay_nms 功 能：延時 n 個 1ms 的時間 參 數(shù)： n-延時長度 返回值 ：無 */ void delay_nms(uint n) uint i; fo

58、r(i = n;i 0;i-) delay_1ms(); /* 函數(shù)名稱： write_cmd 功 能：向液晶中寫控制命令 參 數(shù)： cmd-控制命令 返回值 ：無 */ void write_cmd(uchar cmd) uchar lcdtemp = 0; lcd_rs_l; lcd_rw_h; lcd_datain; do /判忙 lcd_en_h; _nop(); lcdtemp = lcd2mcu_data; lcd_en_l; while(lcdtemp lcd_dataout; lcd_rw_l; mcu2lcd_data = cmd; lcd_en_h; 附錄 1 源程序清單

59、26 _nop(); lcd_en_l; /* 函數(shù)名稱： write_data 功 能：向液晶中寫顯示數(shù)據(jù) 參 數(shù)： dat-顯示數(shù)據(jù) 返回值 ：無 */ void write_data(uchar dat) uchar lcdtemp = 0; lcd_rs_l; lcd_rw_h; lcd_datain; do /判忙 lcd_en_h; _nop(); lcdtemp = lcd2mcu_data; lcd_en_l; while(lcdtemp lcd_dataout; lcd_rs_h; lcd_rw_l; mcu2lcd_data = dat; lcd_en_h; _nop(); lcd_en_l; /* 函數(shù)名稱： ini_lcd 功 能：初始化液晶模塊 參 數(shù)：無 返回值 ：無 */ void ini_lcd(void) lcd_cmdout; /液晶控制端口設(shè)置為輸出 附錄 1 源程序清單 27 delay_nms(500); write_cmd(0 x30); /基本指令集 delay_1ms(); write_cmd(0 x02); / 地址歸位 delay_1ms(); write_cmd(0 x0c); /整體顯示打開 ,游標(biāo)關(guān)閉 delay_1ms(); write_cmd