毕业设计（论文）-基于单片机的受控正弦信号发生器设计.doc

宜宾职业技术学院宜宾职业技术学院 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 2010 年 10 月 5 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。本系统有效地使用 MSP430F149 单片机的 片内资源，将数字电路与模拟电路高效的融合到一起，配合自动控制算法，实现题目 的基本要求的所有项及发挥部分的要求。 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. 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 circuit 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 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 2.2.2 电流变送器方案.3 2.2.3 模数转换电路方案.3 2.2.4 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。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。 正如其基本数学论所表现的，基于数字的信号处理模块在架构上常常会使人联想 起以前的模拟模块。例如，连续时间与离散时间过滤器设计所采用的傅立叶变换与 Z 变换的并行处理，构成了像“形”与“阶”这样的表达式。还有许多其他并行结构的例子。 的确，非类似结构在采用线性与数字实现的基本函数中并不常见。因此，数字电路常 常用数字信号来表现模拟电路一般用电压或电流来表示的相同物理现象。 而 DDS（又称为 NCO（数字控制振荡器） ）则正相反。不像大多数频率发生器， DDS 不采用可调谐反馈回路，而是直接用数字形式来构造其输出波形。因为简单，故 其结构特别通用，已广泛用于汽车收音机、数据通信系统及医学成像仪等各种设备。 NCO 所采用的形式也是多种多样的，例如：IP（知识产权或专利） 、IC、板卡及仪器等， 全都能从不同供应商处得到。 在应用中，DDS 可以以相当低的成本提供一对具有无与伦比的幅度匹配与相位一 致性的 I、Q 通道。DDS 还能在时间与温度变化条件下提供出色的长期频率与幅度稳 定性，且只有很少的参数依赖性。 我们参加了 2010 年 TI 杯四川省大学生电子设计竞赛，并在比赛中获得了二等奖， 经领导同意用其作为我们的毕业设计。 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。 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。 根据系统的要求和电路本身的特性，三端集成可调的稳压电源输出电压比开关电 源稳定，可以输出多挡不同的电压。电路本身还有过压、过流、过热保护，所以选择 2 方案论证与设计 3 方案二。 2.2.2 电流变送器方案电流变送器方案 在测量各类非物理量，都需要转换成模拟量电信号才能传输到显示设备上，这种 将物理量转换成电信号的设备是十分重要的，主要考虑以下几种方案。 方案一：电流型变送器将物理量转换成 4-20mA 电流输出，必然要有外电源供电。 最典型的是采用变送器需要的两根电源线，再加上两根电流线，总共 4 根线，但在应 用设备中控制的距离远，就意味着成本高。 方案二：在四线制的基础上，省去两根导线，降低成本，减少使用的难度。 根据题目要求，采用电流信号的原因是不容易受干扰。并且电流源内阻无穷大， 导线电阻串联在回路中不影响精度。但是二线制的成本低，所以选择二线制电流变送 器。 2.2.3 模数转换电路方案模数转换电路方案 在系统中，数模转换方案十分重要，有以下方案。 方案一：采用单片机内部的 ADC 转换电路，这种方案节省资源，减轻软件设计难 度，但是其转换精度比较低，不适合本系统对精度的要求。 方案二：使用 24 位数模转换芯片 ADS1255，具有业界最高性能的模数转换器，可 以达到较高的转换精度。 由于本系统对转换精度和低功耗有相当高的要求，而单片机内部的 ADC 对转换精 度比较低，权衡的考虑软硬件复杂度和实际的效果，选择 24 位数模转换芯片 DS1255 作为模数转换电路的主芯片。 2.2.4 信号调制方案信号调制方案 由于题目的要求和所需得到的波形，DDS 在本电路的要求中比较高，有以下方案。 方案一：采用专用信号发生器。MAX038 是美信公司的低失真单片信号发生器集 成电路，内部电路完善。使用该芯片，设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形 信号，但频率精确度和稳定度都难以达到题目要求。 2 方案论证与设计 4 方案二：采用传统的直接频率合成法直接合成。利用混频器、倍频器、分频器和 带通滤波器完成对频率的算术运算。由于采用大量的倍频、分频、混频和滤波环节， 导致直接频率合成器的结构复杂，体积庞大，成本高，而且容易产生过多的杂散分量， 难以达到较高的频谱纯度。 方案三：采用直接数字合成（Direct Digital Frequency Synthesizer,简称 DDS 或 DDFS） 。用随机读/写存储器 RAM 存储所需波形的量化数据，按照不同频率要求，以 频率控制字 K 为步进对相位增量进行累加，以累加相位值作为地址码读取存在存储器 内的波形数据，经 D/A 转换和幅度控制，再滤波即可得所需波形。DDS 具有相对带宽 很宽，频率转换时间极短(可小于 20 微妙)，频率分辨率高，全数字化结构便于集成以 及输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，因此，可以完全满足本题目的要 求。DDS 运算速度高，系统集成度强的优势设计的这种信号发生器，比以前的数字式 信号发生器具有速度更快，且实现更加简便。 从题目要求来看，上述三种方案都可以满足题目合成频率范围的要求，但信号发 生器产生的频率稳定度、精确度都不如 DDS 合成的频率；另一方面，DDS 比信号发生 器更容易精确控制，所以我们选择 DDS 芯片进行频率合成。 2.3 系统总体框图系统总体框图 可 调 电 阻 信 号 调 理 电源 电 流 接 收 电 流 变 送 A D C 液晶 DDS +24V 4-20mA MSP430单片机 可 调 电 阻 信 号 调 理 电源 电 流 接 收 电 流 变 送 A D C 液晶 DDS +24V 4-20mA MSP430单片机 图 2-1 系统总体框图 3 理论分析与计算 5 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 N：相位累加器位数； M：相位累加器实际对 ROM 寻址的位数； S：ROM 输出正弦信号(离散化)的位数； 位数：相位累加器舍去的位数，满足位数=N-M。 DDS 系统由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、数/模转换器和低通滤波器组 成。参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步 DDS 各组成部分的工作。 DDS 系统的核心是相位累加器，它由 N 位加法器与 N 位相位寄存器构成，类似于一个 简单的计算器。每来一个时钟脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值， 加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加 寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数 溢出，这个溢出频率即为 DDS 的输出频率。正弦查询表是一个可编程只读存储器 (PROM)，存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正 弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中 0360范围的一个相位点。将相位寄 存器的输出与相位控制字相加，得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查 询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动 DAC，输出模拟信号。低通 滤波器平滑并滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。 3 理论分析与计算 6 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 32） 输出信号频率的频率分辨率为 f min=fc/2N （式 33） 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 34 ) 频率控制字可由以上公式推出： K=f o2N/fc （式 35） 当外部参考时钟频率为 50MHz，输出频率需要为 1MHz 时，系统时钟经过 6 倍频， 使得 f c 变为 300MHz，这样就可利用以上公式计算出 DDS 的需要设定的控制频率字 K=248/300。 3.3 载频参数计算载频参数计算 本题要求：输出频率范围是 1000KHz-2000KHz，频率分辨率为 100Hz，频率稳定 度优于 10-4，信号波形无明显失真。 系统频率调整的步进是 100Hz。DDS 逻辑电路的工作时钟是 25M，所以： 25M 100 250000 （小于 2 的 18 次方） 所以，DDS 的频率字只要多于 18 个 bit，频率调整的步进就能小于 100Hz。本系 统采用的频率控制字为 32bit，充分满足频率调整步进的要求。 本系统的工作时钟由晶振提供的时钟通过 DDS 芯片 AD9851 的 6 倍频得到。而晶 振的频率稳定度为 10-6 量级，所以整体频率稳定度： 10-66=0.610-5，在 10-5 量级， 满足题目要求。 3.4 ADC 参数计算参数计算 本题要求当变送器端输入的可调电阻值在 10002000 之间变化时，输出的相 3 理论分析与计算 7 应正弦信号的频率在 1000kHz2000kHz 之间变化。显示分辨率为 100Hz,由此可计算 出单片机发送的频率控制字 K 的个数至少为： （2000K-1000K）/100=10000 个 对应的数字量至少为 10000 个，这样需要一个高精度的 ADC 转换芯片，至少对输 入的模拟量能产生不少于 10000 个采样点，因此选用 ADC 芯片的分辨率不低于 16 位， 为了取得更高的精度，所以本设计选用分辨率为 24 位 ADC 转换芯片 （ADS1255IDBT） 。 3.5 电源运放的分析电源运放的分析 在设计两线制 V/I 变换电路时，需要选择一款合适的电源运放芯片。 LM324 是最常见的也是价格最低的单电源运放，耗电 400uA/运放。单电源供电时， 输入从-0.3VVcc-1.5V 范围内正常工作。若果换成 OP07 等精密放大器，因为输入电 压不允许低至 0V，在该电路中反而不能正常工作。R5 和 U1 构成基准源，产生 2.5V 稳定的基准电压。OP27 构成一个同向放大器，将基准放大，向调理电路及传感器供电。 因为宽输入电压、低功耗的稳压器稀少成本高；将基准放大作为稳压电源是一个廉价 的方案。所以选择 LM324。 4 硬件电路设计 8 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 为了让输出的电压稳定，我们采用 LM317 三端集成可调的稳压电源，LM317 是可 调集成稳压器芯片，可以达到大范围的输出电压的调整。 4 硬件电路设计 9 稳压电源一般有 5 部分，即电流降压电路、整流电路、滤波电路、稳压电路、保 护电路。由 LM317 组成的稳压电路，交流 220V 电压经电源变压器降压整流得到直流 电压，此电压通过滤波电路输入到集成稳压器输入端，在集成稳压器可达到 1.2V-37V 直流电压。 集成稳压器的自身保护原理： 为获得较高的输出电压值，LM317 稳压器的调节端余地之间的电阻值及其压降往 往较大。稳压器的输入端接入电容，提供足够的电流供给，同时防止可能发生的自激 振荡以及减小高噪声和改善负载的瞬态响应。当输入端发生短路时，为此在稳压器两 端并接二极管 D1，输入端短路时通过 D1 放电，保护稳压器。 在此电路中我们采用的器件有:有极性电容、无极性电容、LM317、变压器、二极 管、电位器。 4.2 压力桥及调理电路模块分析与设计压力桥及调理电路模块分析与设计 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 图 4-3 调理电路 选用 AD623 可在 5V 电压下工作，AD623 是常用的低功耗精密差动放大器，用在 差分输出前级放大。AD623 失调最大 200uA，变送应用保证的精度足够。Ro 将 0.4V 叠加在 AD623 的 REF 脚上，在压力等于零的情况下通过调整 Ro 使输出 4mA，再调整 Rg 输出 20mA,完成校准。在设计电路时，压力传感器相当于一个千欧级的电阻，耗电 一般比大。适当降低压力桥的激励电压可以减小耗电电流。但是输出幅度也随之下降， 4 硬件电路设计 10 需要提高 AD623 的增益。图中我们采用恒压供电，在实际的应用中需要恒流供电才能 获得较好的特性，可用一个运放构成恒流源为其提供激励。 通过调整压力桥的电阻值，将物理量转换成电参量，调理电路将输出的微弱信号 或非线性的电信号进行放大、调理、最终转化为线性的电压输出。 4.3 两线制变换电路的设计与分析两线制变换电路的设计与分析 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 图 4-4 两线制变换电路 两线制 V/I 变换电路是一种可以用电压信号控制输出电流的电路。两线制 V/I 电路 与一般 V/I 变换电路不同。两线制 V/I 电路的电压信号不是直接控制输出电流，而是控 制整个电路自身耗电电流。同时，还要从电流环路上提取稳定的电压为调理电路供电。 图 44 是基本的原理图，图中 OP1、Q1、R1、R2、Rs 构成了 V/I 变换器。分析 反馈过程：若 A 点因为某种原因高于 0V，则运放 OP1 输出电压升高，通过 Re 电流变 大。相当于整体耗电变大，通过采样电阻的 Rs 的电流也变大，B 点电压变低。结果通 过 R2 的将 A 点电压拉下来。反之，若 A 点因某种原因低于 0V，也会被负反馈抬高回 0V。总之，负反馈的结果是：OP1 虚断，A 点电压=0V。 由于 u-=u+,所以可求得输出电压 UO 与输入电压 Ui 的关系为 Uo=(1+Rf/R1)U+=(1+Rf/R1)Ui （式 45） 4 硬件电路设计 11 当 Uo=5V,Ui=2.5V 时； Uo=(1+Rf/R1)Ui （式 46） Rf= R1=100k 分析 V0 对耗电的控制原理： 流过 R1 的电流： I1=Vo/R1 （式 47） B 点的电压： VB=-I1*R2=-Vo*R2/R1 （式 48） 取 R2=R1 时，有 VB=Vo 电源负和整个变送器电路之间只有 Rs、R2 两个电阻， 因此所有的电流流过 Rs 和 R2。 电路的总电流： Is=Vo/(RsR1) （式 49） 如果取 R2Rs: 则 Is=Vo/Rs 当调理电路输出 0.4V-2.0V 的时候，总耗电电流 4mA-20mA，若不能满足 R2 Rs 也没关系，R2 与 Rs 并联是个固定的值，Is 与 Io 仍然是线性的关系，误差比例系数 在校准时可以消除。 4.4 电流接收器模块电流接收器模块 1 3 6 2 4 5 12 710 11 8 13 14 15 16 9 RCV 420 +24V - V out(0-5v) + 0V 。 . . . 图 4-10 电流接收电路 RCV420 是精密的电流它包含了一个高级运算放大器、一个精密电阻网络和一个 精密电压基准。其总转换精度为 0.1，RCV420 在满量程的电压下降压仅为 1.5V。 当输出 4-20mA 电流对应 0-5V 电压输出时，要求电路的传输阻抗为： 4 硬件电路设计 12 Vout/Iin=5V/16mA=0.3125V/mA 为了得到期望的输出（4mA 时 0V，20mA 时 5V） ，放大器的输出必须有一个偏置： Vos=-4mA(03125 V/mA)=-1.25V 输入电流信号接至+IN 端还是-IN 端取决与信号的极性，并经过中心抽头 CT 返回 地端。 两个匹配的 75 检测电阻 Rs 构成对称输入，可最程度地抑制 CT 脚的共模电压信 号，消除不同输入端电流在差分电压转换时的不均衡。检测电阻将输入的电流信号经 过差分放大器放大，转换成一个与之成正比的电压。环接受芯片，用于将 4-20mA 输 入信号转换成 0-5V 输出信号。 4.5 24 位位 ADC 转换电路设计转换电路设计 AD 采样的精度对正弦信号的控制要求相当高，在题目基础部分中我们曾用到 MSP430 系列单片机内部自带 12 位 ADC，但发现其不能满足题目发挥部分对信号采集 分辩率的要求，因此必须选择一款分辩率位数较高的 AD 芯片。ADS1255 是 TI 公司生 产的一款 24 位高精度 AD 转换器，其内部集成多路选择开关(MUX)、可编程增益控制 器(PGA)，可编程数字滤波器等，是一款性能较高的 ADC 芯片，它能够接收输入幅度 05V 的电压信号，前面设计的电流接收电路产生电压信号 15V，刚好可以用来完成 题目的设计。其原理图如图 4-11 所示。 4 硬件电路设计 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 R1 49.9 R2 49.9 R3 301 R4 301 R5100 R6100 R7100 1 2 3 4 5 6 J3 CO N6 图 4-11 ADS1255 工作原理图 4.6 MSP430 最小系统设计最小系统设计 TI 公司生产的 MSP430F149 系列单片机是一款超低功耗的单片机。该系列单片机 集成有 16 位寄存器和常数发生器，能发挥其最高代码效率。它采用数字控制振荡器 (DCO)，使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于 6us。其内部资源丰富，可应用 于开发较复杂的系统。本设计使用的 MSP430 最小系统设计电路图如图 4-12 所示。该 最小系统主要用于采集 ADS1255 送入的数字信号，作计算处理，同时控制 DDS 输出 相应的频率和控制 LCD 显示出电阻值及输出频率的相关信息。 4 硬件电路设计 14 图 4-12 MSP430 单片机最小系统原理图 5 软件设计 15 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 16 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。 6.2 电阻值非线性度测试电阻值非线性度测试 电阻箱设定值 R0(欧)，液晶显示电阻值 R1(欧)。所测数据如 6-2 所示。 表 6-2 电阻值非线性测试表 10001100120013001400150016001700180019002000 1002.71105.81208.31298.51407.01504.81599.5 1698.518001899.71999.8 非线性度：非线性度最大误差/(满度零度)*100%。 从上表中可以看出，液晶显示的电阻值，变换非线性度优于 2%的要求。 6.3 信号发生器测试信号发生器测试 电阻箱设定值 R0(欧)，液晶显示电阻值 R1(欧),DDS 产生频率值为 f(KHZ)。数据 如表 6-3 所示。 表 6-3 信号发生器测试表 R0(欧)10001250150017502000 R1(欧)1002.701251.501501.81752.301999.80 f(KHz)00400040004000 6 系统测试 17 从上表可以看出，液晶显示的电阻值，DDS 产生频率都达到要求。 6.4 变换精度测试变换精度测试 电阻箱设定值 R0(欧)，信号发生器上频率显示值 f0(KHZ),测量值 f1(KHZ)数据如 6-4 所示。 表 6-4 变换精度测试表 R0(欧)10001250150017502000 f0(KHz)10201240154017701990 f1(KHz)10101230153017501980 变化精度的计算：变化精度=（实际值-理论值）/理论值。 从上表可以看出，正弦信号发生器的频率范围，测量值都满足了指标的要求。 6.5 频率非线性度测试频率非线性度测试 电阻箱设定值 R0(欧)，信号发生器上频率显示值 f0(KHZ),测量值 f1(KHZ)数据如 6-5 所示。 表 6-5 频率非线性度测试表 R0(欧) 10001100120013001400150016001700180019002000 f0(KHz)10201115121012901400154016101730182019101990 f1( KHZ) 1 010 1 110 1 205 1 295 1 410 1 520 1 600 1 710 1 810 1 920 1 995 非线性度：非线性度最大误差/(满度零度)*100%。 从上表可以看出，正弦信号发生器的频率范围，非线性度，失真度都优于指标要 求。 6.6 测试结论测试结论 这个系统不仅实现了题目要求的全部基本要求，而且出色地完成了发挥部分，每 项指标都达到题目的指标要求。 7 结语 18 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。 电路进行调试的整个过程中，我们遇到了很多问题，但是都被我们一个个解决， 让我们“产生柳暗花明又一村”的感觉，有时候，遇到了问题，不要太局限于电路的局 部，这样反而会阻碍你发现问题，而要用系统的眼光去看待问题，综合考虑各个方面 的因素。在这期间，我们学会了调试电路与科研时的那种态度，这些经验也许是在永 远在课堂上永远需不到的。我们三个队员庆幸在大学生活中有一次让我们锻炼在自己 的机会。 致 谢 19 致 谢 时至今日，我们的毕业设计终于可以画上一个圆满的句号了，现在回想起来在做 毕业设计的整个过程，颇有感悟，其中有苦也有甜，但乐趣也尽在其中！不仅让我们 对单片机有了更深一步的了解，同时也增加了自己的动手实践能力，为以后的工作打 下了基础。可以说毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力 的一种提高。 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。凌泽明老师的严谨治学 的态度、渊博的知识、无私奉献的精神使我受益匪浅，从尊敬的指导老师身上，我们 不仅学到了扎实、宽广的专业知识，而且还学到了做人的道理。在此我要向我们的指 导老师致以最衷心的感谢和深深的敬意!同时我们在这里还要感谢我的同学们，正是由 于你们的帮助和支持，我们才能顺利完成本设计。 最后，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意。 参考文献 20 参考文献 1 黄志伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社.2006. 2 全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编M.北京：北京 理工大学出版社.2004. 3 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. 4 谢自美.电子线路设计.实验.测试（第三版）M.武汉：华中科技大学出版社.2000.7 5 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 6 第二届全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M.北京： 北京理工大学出版社.1997.3 7 李炎清.毕业论文写作与范例J.厦门：厦门大学出版社.2006.10 8 潭博学、苗江静.集成电路原理及应用M.北京：电子工业出版社.2003.9 附录 1 源程序清单 21 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 #define Num_of_Results 32 unsigned long sum = 0; const uchar shuzi = 0123456789.; static uint resultsNum_of_Results;/保存 ADC 转换结果的数组 void Trans_val(uint Hex_Val); void Trans_shuzi(uint Hex_Val); void Trans_dianzhu(uint Hex_Val); /*主函数 */ void main(void) WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD; /关闭看门狗 Ini_Lcd(); Disp_HZ(0 x80, (AD9851) ,8); Disp_HZ(0 x90,频率： 0000.0 KHZ,8); Disp_HZ(0 x88,电阻： 0000.0 ,8); Disp_HZ(0 x98,电流