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

1、<p><b>　　畢業(yè)論文（設(shè)計）</b></p><p>　　基于單片機的受控正弦信號發(fā)生器設(shè)計</p><p>　　系 部 自動控制工程系 </p><p>　　專 業(yè) 名 稱 電氣自動化技術(shù) </p><p>　　班 級 電氣1083班

2、 </p><p>　　姓 名 </p><p>　　學 號 </p><p>　　指 導 教 師 </p><p>　　2010 年 9 月 19日</p><p>　　基于單片機的受控正弦信號發(fā)生器設(shè)計

3、</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　本設(shè)計中的受控正弦信號發(fā)生器，以模擬電路和MSP430F149單片機為核心的控制系統(tǒng)，采用單片機與DDS模塊相結(jié)合的方式，通過對DDS集成芯片AD9851的控制，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

4、線式V/I變換電路等組成。該系統(tǒng)的輸出頻率和各種調(diào)制方式由可調(diào)電阻設(shè)置，并通過LCD顯示。</p><p>　　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。</p><p>　　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</p&g

5、t;<p>　　Sinusoidal Signal Generator Based on Signal Chip Machine Design</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design of controlled sinusoidal signal generator , Which take ana

6、log circuits and MSP430F149 microconctroller as the core of the controlled system, using combination of Signal Chip Machine and DDS module , through controling of the intergrated chip AD9851 DDS requirements to achieve t

7、he basic function of the tile race . System made of the current receiver、current transducer、 microcontroller control module、DDS signal circuits、LCD display module、A / D converter module、signal conditioning circu</p>

8、;<p>　　Key words：sinusoidal signal generator digital-to-analogue conversionMSP430f149; </p><p>　　the signal of the DDS program ;two lines in a V/I change.</p><p><b>　　目 錄</b>&

9、lt;/p><p><b>　　1 緒 論1</b></p><p>　　2方案設(shè)計與論證2</p><p>　　2.1單片機選型2</p><p><b>　　2.2電源方案2</b></p><p>　　2.3電流變送器方案2</p><p>

10、;　　2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路方案3</p><p>　　2.5信號調(diào)制方案3</p><p>　　2.6系統(tǒng)總體框圖4</p><p>　　3理論分析與計算5</p><p>　　3.1 DDS的理論分析5</p><p>　　3.2 DDS的參數(shù)計算5</p><p>　　3.3載頻參

11、數(shù)計算6</p><p>　　3.4 ADC參數(shù)計算6</p><p>　　3.5電源運放的分析7</p><p><b>　　4硬件電路設(shè)計8</b></p><p>　　4.1電源模塊分析與設(shè)計8</p><p>　　4.2壓力橋及調(diào)理電路模塊分析與設(shè)計9</p>&

12、lt;p>　　4.3兩線制變換電路的設(shè)計與分析10</p><p>　　4.4電流接收器模塊11</p><p>　　4.5 24位ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計12</p><p>　　4.6 MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計12</p><p><b>　　5軟件設(shè)計14</b></p><p>

13、　　5.1主程序的設(shè)計14</p><p>　　5.2 ADC數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計15</p><p><b>　　6系統(tǒng)測試16</b></p><p>　　6.1硬件調(diào)試16</p><p>　　6.2軟件調(diào)試16</p><p>　　6.3軟件硬件聯(lián)調(diào)16</p>&l

14、t;p>　　6.4指標測試16</p><p><b>　　總 結(jié)19</b></p><p><b>　　致 謝20</b></p><p><b>　　參考文獻21</b></p><p>　　附錄1：源程序22</p><p>　　

15、附錄2：作品的實際效果圖37</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　在數(shù)字信號處理器飛速發(fā)展的今天，微處理器的應(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。</p><p>　　在許多電子系統(tǒng)中，經(jīng)常

16、需要用到頻率和幅度可調(diào)的正弦波信號作為基準或載波信號。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。</p><p>　　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 Digital Syn

17、thesizer）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)。 </p><p>　　正如其基本數(shù)學論所表現(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

18、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。</p><p>　　而DDS（又稱為NCO（數(shù)字控制振蕩器））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)學成像儀等各種設(shè)備。NCO所采用的形式也是多種

19、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。</p><p>　　在應(yīng)用中，DDS可以以相當?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。</p><p>　　我和周偉參加了2010年TI杯四川省大學生電子設(shè)計競賽，并在比賽中獲得了二等獎，經(jīng)領(lǐng)導

20、同意用電子設(shè)計競賽的文檔作為我的畢業(yè)設(shè)計，我的主要內(nèi)容是完成該設(shè)計的軟件部分。</p><p><b>　　2方案設(shè)計與論證</b></p><p><b>　　2.1單片機選型</b></p><p>　　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：</p><

21、;p>　　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。</p><p>　　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，故不采用。</p&

22、gt;<p>　　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。</p><p>　　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。</p

23、><p><b>　　2.2電源方案</b></p><p>　　在本系統(tǒng)中的電源主要考慮以下方案：</p><p>　　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，而且電路比較復雜，對元器件的要求較高。</p><p>　　方案二：采用LM317

24、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。</p><p>　　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，所以選擇方案二。</p><p>　　2.3電流變送器方案</p><p>　　在測

25、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，主要考慮以下幾點：</p><p>　　方案一：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。</p><p>　　方案二：在四線制的基礎(chǔ)上，省去兩根導

26、線，降低成本，減少使用的難度。</p><p>　　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。</p><p>　　2.4模數(shù)轉(zhuǎn)換電路方案</p><p>　　在系統(tǒng)中，數(shù)模轉(zhuǎn)換方案十分重要，有以下方案：</p><p>　　方案一：采用

27、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，但是其轉(zhuǎn)換精度比較低，不適合本系統(tǒng)對精度的要求。</p><p>　　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。</p><p>　　由于本系統(tǒng)對轉(zhuǎn)換精度和低功耗有相當高的要求，而單片機內(nèi)部的ADC對轉(zhuǎn)換精度比較低，權(quán)衡的考慮軟硬件復雜度和實際的效果，我們選擇24位數(shù)模

28、轉(zhuǎn)換芯片ADS1255作為模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的主芯片。</p><p><b>　　2.5信號調(diào)制方案</b></p><p>　　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：</p><p>　　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

29、成同一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。</p><p>　　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)，導致直接頻率合成器的結(jié)構(gòu)復雜，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。</p><p>　　方案三：采用直接數(shù)字合成（Dire

30、ct 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，

31、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。</p><p>　　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芯片進行頻率合成。</p><p><b&

32、gt;　　2.6系統(tǒng)總體框圖</b></p><p>　　圖2-1系統(tǒng)總體框圖</p><p><b>　　3理論分析與計算</b></p><p>　　3.1 DDS的理論分析</p><p>　　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

33、波?？删幊藾DS系統(tǒng)原理如圖3-1所示。</p><p>　　圖3-1 DDS原理圖</p><p>　　N：相位累加器位數(shù)； </p><p>　　M：相位累加器實際對ROM尋址的位數(shù)；</p><p>　　S：ROM輸出正弦信號(離散化)的位數(shù)；</p><p>　　位數(shù)：相位累加器舍去的

34、位數(shù)，滿足位數(shù)=N-M。</p><p>　　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

35、累加寄存器的數(shù)據(jù)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0~360°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，

36、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。</p><p>　　3.2 DDS的參數(shù)計算</p><p>　　對于計數(shù)容量為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</p><p>　　f o=kfc/2N

37、 （式3—2）</p><p>　　輸出信號頻率的頻率分辨率為</p><p>　　△f min=fc/2N

38、 （式3—3）</p><p>　　由奈奎斯特采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為</p><p>　　f max=fc/2 (式3—4 )</p><p>　　頻率控制字可由以上公式推出：</p><p>　　K=f o&#

39、215;2N/fc （式3—5）</p><p>　　當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)?00MHz，這樣就可利用以上公式計算出DDS的需要設(shè)定的控制頻率字K=248/300。</p><p><b>　　3.3載頻參數(shù)計算

40、</b></p><p>　　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。</p><p>　　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：</p><p>　　25M ÷ 100 ＝ 250000 （小于2的18次方）</p>

41、;<p>　　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。</p><p>　　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)定度為10-6量級，所以整體頻率穩(wěn)定度： 10-6×6=0.6×10-5，在10-5量級，滿足題目要求。</p&g

42、t;<p>　　3.4ADC參數(shù)計算</p><p>　　本題要求當變送器端輸入的可調(diào)電阻值在1000Ω－2000Ω之間變化時，輸出的相應(yīng)正弦信號的頻率在1000kHz－2000kHz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： </p><p>　?。?000K-1000K）/100=10000個</p>&l

43、t;p>　　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）。</p><p>　　3.5電源運放的分析</p><p>　　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

44、。</p><p>　　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-0.3V～Vcc-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)成基準源，產(chǎn)生2.5V穩(wěn)定的基準電壓。OP27構(gòu)成一個同向放大器，將基準放大，向調(diào)理電路及傳感器供電。因為寬輸入電壓、低功耗的穩(wěn)壓器稀少成本高；將基準放大作為穩(wěn)壓

45、電源是一個廉價的方案。所以選擇LM324。</p><p><b>　　4硬件電路設(shè)計</b></p><p>　　4.1電源模塊分析與設(shè)計</p><p>　　圖4-1電源的基本框圖 </p><p>　　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

46、，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所示）</p><p>　　圖4-2 電源原理圖 </p><p>　　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

47、達到大范圍的輸出電壓的調(diào)整。</p><p>　　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。</p><p>　　集成穩(wěn)壓器的自身保護原理：</p><p>　　為獲得

48、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D1放電，保護穩(wěn)壓器。</p><p>　　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。</p><p

49、>　　4.2壓力橋及調(diào)理電路模塊分析與設(shè)計</p><p><b>　　圖4-3 調(diào)理電路</b></p><p>　　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)

50、整Rg輸出20mA,完成校準。在設(shè)計電路時，壓力傳感器相當于一個千歐級的電阻，耗電一般比大。適當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，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。</p><p>　　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

51、轉(zhuǎn)化為線性的電壓輸出。</p><p>　　4.3兩線制變換電路的設(shè)計與分析</p><p>　　圖4-4 兩線制變換電路</p><p>　　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。同時，還要從電流環(huán)路上提取穩(wěn)定的電壓為調(diào)理電

52、路供電。</p><p>　　圖4—4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?，負反饋的結(jié)果是：OP1虛斷，A點電壓=0V。</p>

53、;<p>　　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</p><p>　　Uo=(1+Rf/R1)U+=(1+Rf/R1)Ui （式4—5）當Uo=5V,Ui=2.5V時；</p><p>　　Uo=(1+Rf/R1)Ui

54、 （式4—6）</p><p>　　Rf= R1=100k</p><p>　　分析V0對耗電的控制原理：</p><p><b>　　流過R1的電流：</b></p><p>　　I1=Vo/R1

55、 （式4—7）</p><p><b>　　B點的電壓：</b></p><p>　　VB=-I1*R2=-Vo*R2/R1 （式4—8）</p><p>　　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

56、電流流過Rs和R2。</p><p><b>　　電路的總電流：</b></p><p>　　Is=Vo/(Rs∥R1) （式4—9）</p><p>　　如果取R2﹥﹥Rs:</p><p><b>　　則Is=V

57、o/Rs</b></p><p>　　當調(diào)理電路輸出0.4V-2.0V的時候，總耗電電流4mA-20mA，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)在校準時可以消除。</p><p>　　4.4電流接收器模塊</p><p>　　圖4-10電流接收電路</p><p>　　

58、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。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。</p><p>　　當輸出4-20mA電流對應(yīng)0-5V電壓輸出時，要求電路的傳輸阻抗為：</p><p>　　Vout/Iin=5V/16mA=0.3125V/mA</p><p>　　為了得到期望的輸出（4

59、mA時0V，20mA時5V），放大器的輸出必須有一個偏置：</p><p>　　Vos=-4mA×(03125 V/mA)=-1.25V</p><p>　　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。</p><p>　　兩個匹配的75Ω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

60、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0-5V輸出信號。</p><p>　　4.5 24位ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計</p><p>　　本設(shè)計中AD采樣的精度對正弦信號的控制要求相當高，在本設(shè)計基礎(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

61、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0～5V的電壓信號，前面設(shè)計的電流接收電路產(chǎn)生電壓信號1~5V，剛好可以用來完成題目的設(shè)計。其原理圖如圖4-11所示。</p><p>　　圖4-11 ADS1255工作

62、原理圖</p><p>　　4.6 MSP430最小系統(tǒng)設(shè)計</p><p>　　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

63、所示。該最小系統(tǒng)主要用于采集ADS1255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。</p><p>　　圖4-12 MSP430單片機最小系統(tǒng)原理圖</p><p><b>　　5軟件設(shè)計</b></p><p><b>　　5.1主程序的設(shè)計</b><

64、/p><p>　　軟件部分主要完成三個功能，即信號采集、控制DDS產(chǎn)生正弦信號、控制LCD顯示電阻值及相關(guān)頻率信息。如圖5-1所示，MSP430單片機對ADS1255數(shù)據(jù)進行采樣，然后通過軟件方法對在硬件電路中實測得出的系統(tǒng)誤差進行補償。通過計算采集回來的數(shù)據(jù)得出電阻的阻值，然后向DDS寫入頻率控制字，控制其輸出相應(yīng)的正弦波信號。并且通過液晶顯示出當前的電阻值及輸出的正弦波的頻率信號。</p><

65、p>　　圖5-1 軟件流程圖</p><p>　　5.2 ADC數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計</p><p>　　信號采集采集模塊在設(shè)計中起著很重要的作用，他的采集的精度直接關(guān)系到后面正弦信號發(fā)生的準確性，為了讓系統(tǒng)更具有準確性，設(shè)計加入了數(shù)字濾波，他的作用是將A/D轉(zhuǎn)換器采集到的電壓信號經(jīng)數(shù)據(jù)軟件濾波后存入內(nèi)部RAM的數(shù)據(jù)存儲器中，具體做法是將每次的數(shù)據(jù)去掉最大值和最小值，然后再求他們的最小值

66、，具體的軟件流程圖如下：</p><p>　　圖5-2 數(shù)據(jù)采集流程圖</p><p><b>　　6 系統(tǒng)測試</b></p><p><b>　　6.1硬件調(diào)試</b></p><p>　?。?）MCU控制的調(diào)試；主要問題在于模擬與數(shù)字的走線問題，防止相互干擾，保證MCU的穩(wěn)定工作。</p

67、><p>　?。?）DDS電路的調(diào)試，在本系統(tǒng)中DDS為重要的組成部分，其工作狀態(tài)與外圍電路有直接的聯(lián)系，因此在調(diào)試的過程中注意數(shù)字與模擬部分的隔離，在電路中注意了電源的濾波。</p><p><b>　　6.2軟件調(diào)試</b></p><p>　　本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)比較大，全部用IAR來編寫。除了語法錯誤和邏輯差錯外，當確認程序沒問題時，通過直接下

68、載到單片機來調(diào)試。采取的是自下到上得調(diào)試方法，即單獨調(diào)試好每一模塊，然后在連接成一個完整的系統(tǒng)調(diào)試。</p><p><b>　　6.3軟件硬件聯(lián)調(diào)</b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計為模塊化設(shè)計，一個模塊一個模塊個逐級調(diào)試。</p><p><b>　　6.4指標測試</b></p><p>

69、<b>　?。?）測試儀器</b></p><p>　　60MHZ數(shù)字式雙蹤示波器</p><p><b>　　高頻率函數(shù)發(fā)生器</b></p><p><b>　　精密電阻箱</b></p><p><b>　?。?）變換精度測試</b></p&g

70、t;<p>　　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。</p><p>　　表6-1 變換精度測試表</p><p>　　值變化精度的計算：變化精度=（實際值-理論值）/理論。</p><p>　　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。</p><p>　

71、?。?）電阻值非線性度測試</p><p>　　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。</p><p>　　表6-2 電阻值非線性測試表</p><p>　　非線性度：非線性度＝[最大誤差/(滿度－零度)]*100%。</p><p>　　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。<

72、;/p><p>　?。?）信號發(fā)生器測試</p><p>　　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6-3所示。</p><p>　　表6-3 信號發(fā)生器測試表</p><p>　　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。</p><p><b&g

73、t;　?。?）變換精度測試</b></p><p>　　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。</p><p>　　表6-4 變換精度測試表</p><p>　　變化精度的計算：變化精度=（實際值-理論值）/理論值。</p><p>　　從上表可以看出，正弦信號發(fā)生器的

74、頻率范圍，測量值都滿足了指標的要求。</p><p>　?。?）頻率非線性度測試</p><p>　　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。</p><p>　　表6-5 頻率非線性度測試表</p><p>　　非線性度：非線性度＝[最大誤差/(滿度－零度)]*100%。</

75、p><p>　　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)于指標要求。</p><p><b>　?。?）測試結(jié)論</b></p><p>　　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，每項指標都達到題目的指標要求。</p><p><b>　　總 結(jié)</b>

76、;</p><p>　　系統(tǒng)中采用的低功耗器件主要是TI公司大學生計劃贊助的高性能模擬器件（例如ADC）和MSP430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。</p><p>　　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。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

77、編程靈活的特點，來滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。</p><p>　　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，我們學會了調(diào)試電路與科研時的那種態(tài)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€隊員慶幸在大學生活中有一次讓我

78、們鍛煉在自己的機會。</p><p>　　本文是在凌澤明老師的精心指導下完成的。在此，向他表示衷心的感謝！</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　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

79、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知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。</p><p>　　本次畢業(yè)設(shè)計是在我們的指導老師xx老師的悉心指導下完成的。從論文的選題到論文的完成，無不傾注著xx老師辛勤的汗水和心血。xx老師的嚴謹治學的態(tài)度、淵博的知識、無私奉獻的精神使我受益匪淺，從尊敬的指導老師身上，我們不僅學到了扎實、寬廣的專業(yè)知識，而且還學到了做人的道

80、理。在此我要向我們的指導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。</p><p>　　最后，向所有關(guān)心和幫助過我的領(lǐng)導、老師、同學和朋友表示由衷的謝意。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]黃志偉.全國大學生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計[M

81、].北京：北京航空航天大學出版社.2006.</p><p>　　[2]全國大學生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編[M].北京：北京理工大學出版社.2004.</p><p>　　[3]潘琢金譯.C8051F020/1/2/3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.</p><p>　　[4]謝自美

82、.電子線路設(shè)計.實驗.測試（第三版）[M].武漢：華中科技大學出版社.2000.7</p><p>　　[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 </p><p>　　[6]第二屆全國大學生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編[M].北京：北京理工大學出版社.1997.3 </p><p>　　[7]李炎清.畢業(yè)

83、論文寫作與范例[J].廈門：廈門大學出版社.2006.10 </p><p>　　[8]潭博學、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 </p><p><b>　　附錄1：源程序</b></p><p>　　/*******************main.c***************************

84、****/</p><p>　　程序功能：MCU的片內(nèi)ADC對P6.0端口的電壓進行轉(zhuǎn)換</p><p>　　將模擬電壓值顯示在12864液晶上。。</p><p>　　*********************************************************/</p><p>　　#include <msp4

85、30x14x.h></p><p>　　#include "cry12864.h"</p><p>　　#include "ad9851.h"</p><p>　　#define Num_of_Results 32</p><p>　　unsigned long sum = 0;<

86、;/p><p>　　const uchar shuzi[] = {"0123456789."};</p><p>　　static uint results[Num_of_Results];//保存ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)組 </p><p>　　void Trans_val(uint Hex_Val); </p><p

87、>　　void Trans_shuzi(uint Hex_Val);</p><p>　　void Trans_dianzhu(uint Hex_Val);</p><p>　　/**********************主函數(shù)****************************/</p><p>　　void main(void)</p>

88、<p><b>　　{</b></p><p>　　WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD; //關(guān)閉看門狗</p><p>　　Ini_Lcd();</p><p>　　Disp_HZ(0x80," (AD9851) ",8);</p><

89、;p>　　Disp_HZ(0x90,"頻率：0000.0 KHZ",8);</p><p>　　Disp_HZ(0x88,"電阻：0000.0Ω ",8);</p><p>　　Disp_HZ(0x98,"電流: 00.00 mA",8);//顯示文字 </p><p>　　P6SEL |= 0x0

90、3 ; // 使能ADC通道</p><p>　　ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_11+MSC; // 打開ADC，設(shè)置采樣時間</p><p>　　ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_2; // 使用采樣定時器</p><p>　　ADC12IE = 0x03;

91、 // 使能ADC中斷</p><p>　　ADC12CTL0 |= ENC; // 使能轉(zhuǎn)換</p><p>　　ADC12CTL0 |= ADC12SC; // 開始轉(zhuǎn)換</p><p>　　//ADC12MCTL0|=INCH_1+SREF2+I

92、NCH_8; //P6.1口的電壓</p><p>　　//輸出 Vref+ AVss</p><p><b>　　while(1)</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　Frequency_Out_9850=sum*100;</

93、p><p>　　Write_9850()</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/*******************************************</p><p>　　函數(shù)名稱：ADC12ISR&

94、lt;/p><p>　　功 能：ADC中斷服務(wù)函數(shù)，在這里用多次平均的</p><p>　　計算P6.0口的模擬電壓數(shù)值</p><p>　　參 數(shù)：無 </p><p><b>　　返回值 ：無</b></p><p>　　*************************

95、*******************/</p><p>　　#pragma vector=ADC_VECTOR</p><p>　　__interrupt void ADC12ISR (void)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　static uint index = 0;</p>

96、;<p>　　results[index++] = ADC12MEM0; // Move results</p><p>　　if(index == Num_of_Results)</p><p><b>　　{</b></p><p><b>　　uchar i;</b></p>

97、<p>　　// unsigned long sum = 0;</p><p>　　index = 0;</p><p>　　for(i = 0; i < Num_of_Results; i++)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　sum += results[i];<

98、/p><p><b>　　}</b></p><p>　　sum >>= 5; //除以32</p><p><b>　　sum=4095;</b></p><p>　　Trans_val(sum);</p><p>　　T

99、rans_shuzi(sum);</p><p>　　Trans_dianzhu(sum);</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/********************************************/</p&

100、gt;<p>　　void Trans_val(uint Hex_Val) //電流顯示</p><p><b>　　{</b></p><p>　　unsigned long caltmp;</p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　uin

101、t temp;</p><p>　　uchar ptr[4];</p><p>　　uchar x[5];</p><p>　　uint Curr_Volt;</p><p>　　caltmp =Hex_Val;</p><p>　　caltmp =caltmp *500;</p><p>　

102、　Curr_Volt=caltmp >> 12; //Curr_Volt = caltmp /2^n</p><p>　　temp= Curr_Volt;</p><p>　　ptr[0]=temp/1000;</p><p>　　ptr[1]=temp/100%10;</p><p>　　ptr[2]=10;</p&g

103、t;<p>　　ptr[3]=temp%100/10;</p><p>　　for(i = 0;i < 4;i++)</p><p>　　x[i]=shuzi[ptr[i]];</p><p>　　Disp_HZ( 0x98+3,x,2); </p><p><b>　　}</b></p>

104、<p>　　/********************************************/</p><p>　　void Trans_dianzhu(uint Hex_Val) //電阻顯示</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　float temp;</p><p&g

105、t;　　uint temp1;</p><p><b>　　uchar i;</b></p><p>　　uchar ptr[4];</p><p>　　uchar x[5];</p><p>　　temp=(float)Hex_Val;</p><p>　　temp=temp*0.244+100

106、0; </p><p>　　temp1=temp/1;</p><p>　　ptr[0]=temp1/1000;</p><p>　　ptr[1]=temp1/100%10;</p><p>　　ptr[2]=temp1%100/10;</p><p>　　ptr[3]=temp1%10;&l

107、t;/p><p>　　for(i = 0;i < 4;i++)</p><p>　　x[i]=shuzi[ptr[i]];</p><p>　　Disp_HZ( 0x88+3,x,2); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　/**********************

108、**********************/</p><p>　　void Trans_shuzi(uint Hex_Val)//頻率顯示</p><p>　　{ uchar i;</p><p>　　uint temp;</p><p>　　uchar ptr[4];</p><p>　　uchar x[4]

109、;</p><p>　　temp=Hex_Val; </p><p>　　ptr[0]=temp/1000;</p><p>　　ptr[1]=temp/100%10;</p><p>　　ptr[2]=temp%100/10;</p><p>　　ptr[3]=temp%10;</p><p>

110、;　　for(i = 0;i < 4;i++)</p><p>　　x[i]=shuzi[ptr[i]];</p><p>　　Disp_HZ( 0x90+3,x,2); </p><p><b>　　}</b></p><p>　　/******************* cry12864.h**********

111、***************************************/</p><p>　　程序功能：cry12864對頻率、電流和電阻值進行顯示。</p><p>　　**********************************************************************/</p><p>　　void Delay_1

112、ms(void);</p><p>　　void Delay(unsigned int n);</p><p>　　void Write_Cmd(unsigned char cod);</p><p>　　void Write_Data(unsigned char dat);</p><p>　　void Ini_Lcd(void);<

113、/p><p>　　void Disp_HZ(unsigned char addr,const unsigned char * pt,unsigned char num);</p><p>　　void Disp_ND(unsigned char addr,unsigned int thickness);</p><p>　　void Draw_TX(unsigned

114、char Yaddr,unsigned char Xaddr,const unsigned char * dp) ; </p><p>　　void Draw_PM(const unsigned char *ptr);</p><p>　　/****************************************************/</p><p>　

115、　cry12864.c</p><p>　　#include <msp430x14x.h></p><p>　　typedef unsigned char uchar;</p><p>　　typedef unsigned int uint;</p><p>　　extern const unsigned char shuzi_

116、table[];</p><p>　　#define LCD_DataIn P4DIR=0x00 //數(shù)據(jù)口方向設(shè)置為輸入</p><p>　　#define LCD_DataOut P4DIR=0xff //數(shù)據(jù)口方向設(shè)置為輸出</p><p>　　#define LCD2MCU_Data P4IN</p><p>

117、　　#define MCU2LCD_Data P4OUT</p><p>　　#define LCD_CMDOut P3DIR|=0x07 //P3口的低三位設(shè)置為輸出</p><p>　　#define LCD_RS_H P3OUT|=BIT0 //P3.0</p><p>　　#define LCD_RS_L P3OUT&a

118、mp;=~BIT0 //P3.0</p><p>　　#define LCD_RW_H P3OUT|=BIT1 //P3.1</p><p>　　#define LCD_RW_L P3OUT&=~BIT1 //P3.1</p><p>　　#define LCD_EN_H P3OUT|=BIT2