毕业设计（论文）-基于单片机的受控正弦信号发生器设计.doc

宜宜宾职业宾职业技技术术学院学院 毕业论文（设计） 基于单片机的受控正弦信号发生器设计 系 部 自动控制工程系 专 业 名 称 电气自动化技术 班 级 电气 1083 班 姓 名 学 号 指 导 教 师 x x x 20xx 年 x 月 xx 日 摘 要 i 摘 要 以模拟电路为核心，采用 msp430f149 单片机与 dds 模块相结合的方式，通过对 dds 集成芯片 ad9851 的控制，设计受控正弦信号发生器，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。该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。 关键词：正弦信号发生器；msp430f149；dds；数模转换；二线式 v/i 变换 abstract the design of the program - controlled signal, and impersonate the circuit at the core to msp430f149 monolithic integrated circuits to 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, display, a conversion, d, and the second line of electrical signals restrain a v/i change of circuit, etc. key words：sinusoidal signal generator digital-to-analogue conversionmsp430f149; the signal of the dds program ;two lines in a v/i change. 目 录 ii 目 录 1 1 引言引言 1 1 2 2 方案论证与设计方案论证与设计 2 2 2.1 单片机选型.2 2.2 单元电路设计方案 2 2.2.1 电源电路设计方案 .2 22.2 电流变送器方案3 22.3 模数转换电路方案3 22.4 信号调制方案3 2.3 系统总体框图.4 3 3 理论分析与计算理论分析与计算 5 5 3.1 dds 的理论分析 .5 3.2 dds 的参数计算 .6 3.3 载频参数计算.6 3.4 adc 参数计算 .6 3.5 电源运放的分析.7 4 4 硬件电路设计硬件电路设计 8 8 4.1 电源模块分析与设计.8 4.2 压力桥及调理电路模块分析与设计.9 4.3 两线制变换电路的设计与分析10 4.4 电流接收器模块11 4.5 24 位 adc 转换电路设计 .12 4.6 msp430 最小系统设计 .13 5 5 软件设计软件设计 1414 6 6 系统测试系统测试 1515 6.1 变换精度测试15 6.2 电阻值非线性度测试15 目 录 iii 6.3 信号发生器测试15 6.4 变换精度测试16 6.5 频率非线性度测试16 6.6 测试结论 .16 7 7 结语结语 1717 致致 谢谢 1818 参考文献参考文献 1919 附录附录 1 1 源程序清单源程序清单2020 1 引言 1 1 引言 在数字信号处理器飞速发展的今天，微处理器的应用已主领着电子技术领域的潮 流，先进的数 字信号处理技术，能实现各种复杂的功能。对正弦波信号发生器而言， 数字 dds 技术的诞生，使波形发生器技术有了进一步的飞跃。 在许多电子系统中，经常需要用到频率和幅度可调的正弦波信号作为基准或载波 信号。正弦渡信号主要通过模拟电路或 dds(direct digital synthesis)等两种方式产生.相 对于模拟电路，dds 具有相位连续、频率分辨率高、转换速度快、信号稳定等诸多优 点，因此，dds 存雷达、通信、测试、仪表等领域得到了广泛的应用。 dds 是一项关键的数字化技术。dds 是直接数字式频率合成器（direct digital synthesizer）的英文缩写1。与传统的频率合成器相比，dds 具有低成本、低功耗、高 分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字 化的一个关键技术。 2 方案论证与设计 2 2 方案论证与设计 2.1 单片机选型单片机选型 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2。 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。 2.2 单元电路设计方案单元电路设计方案 2.2.1 电源电路设计方案电源电路设计方案 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。 3 理论分析与计算 3 3 理论分析与计算 3.1 dds 的理论分析的理论分析 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 3-1 所示。 图 3-1 dds 原理图 3.2 dds 的参数计算的参数计算 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 f o，参考时钟频率为 f c，则 dds 系统输出信号的 频率为 f o=kfc/2n （式 31） 输出信号频率的频率分辨率为 f min=fc/2n （式 32） 由奈奎斯特采样定理可知，dds 输出的最大频率为 f max=fc/2 (式 33 ) 频率控制字可由以上公式推出： k=f o2n/fc （式 35） 4 硬件电路设计 4 4 硬件电路设计 4.1 电源模块分析与设计电源模块分析与设计 电源变压器整流滤波稳 压 图 4-1 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 4-2 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 . . . . . . . . . 图 4-2 电源原理图 5 软件设计 5 5 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 图如图 5-1 所示，具体程序参见附录 1。 开始 单片机、液晶和ad9851初始化 查询adc并引发终端 在led上显示电阻、电流、频率 调用子程序进行各参数的转化 把相应的控制字写入ad9851 把相应的频率控制字写入ad9851 y n 中断返回 图 5-1 软件流程图 6 系统测试 6 6 系统测试 6.1 变换精度测试变换精度测试 电阻箱设定值 r0(欧)，液晶显示电阻值 r1(欧)，环路电流值为 i(ma)。数据如 6-1 所示。 表 6-1 变换精度测试表 r0(欧)10001250150017502000 r1(欧)1002.701251.501504.81752.301999.80 i(ma)4.008.0412.0816.0220.01 值变化精度的计算：变化精度=（实际值-理论值）/理论。 从上表中可以看出，液晶显示电阻值，变换精度优于 1%的要求。 7 结语 7 7 结语 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。 致 谢 8 致 谢 本次毕业设计是在我们的指导老师凌泽明老师的悉心指导下完成的。从论文的选 题到论文的完成，无不倾注着凌泽明老师辛勤的汗水和心血。 参考文献 9 参考文献 1 杨帮文.新型集成器件家用电路m.北京：电子工业出版社，2002.8 2 潘琢金译.c8051f020/1/2/3 混合信号 isp flash 微控器数据手册j.沈阳：沈阳新华电 子有限公司，2002. 附录 1 源程序清单 10 附录 1 源程序清单 /*main.c*/ 程序功能： mcu 的片内 adc 对 p6.0 端口的电压进行转换 将模拟电压值显示在12864 液晶上。 - 测试说明：调节电位器r7 的旋钮观察液晶显示数字变化。 */ #include #include “cry12864.h“ #include “ad9851.h“ #defin