基于SPWM的信号产生器设计

1、课 程 设 计 报 告课程名称 综合电子设计 题 目 基于SPWM的信号产生器设计 指导 教师 杨鸿波 设计起止日期 2014年4月-5月 系 别 自动化 专 业 信息与系统控制 学生姓名 、 班 级 自控1102 学 号 、 成 绩 _ 摘要：本次实验以MSP430单片机为控制核心，由信号发生器产生正弦波，再由模数转换模块将正弦信号转换为数字信号送给单片机，通过MSP430程序控制产生SPWM波，最后通过二阶低通滤波电路，在低频条件下还原正弦波。一、 功能介绍1. 具有产生正弦波、方波周期性波形的性能。2. 输出波形频率范围为1Hz800Hz（非正弦波频率按10 次谐波计算；重复频率可调，频

2、率步进间隔1Hz。3. 输出波形幅度范围05V（峰-峰值），可按步进为0.1V（峰-峰值）。4. 具有显示输出重复频率（周期）和幅度的功能。二、 系统设计基本要求：（1）单片机最小系统产生的SPWM 信号，通过有源低通滤波器生成正弦信号，有源低通滤波器的截止频率为1kHz； （2）正弦信号的频率可调，频率范围为100Hz800Hz； （3）正弦信号的幅度峰峰值为5V，波形无明显失真； （4）正弦信号So(t)能实时跟踪外部输入正弦信号Si(t)的频率，实现同频。发挥要求：电路能测量和显示外部输入正弦信号Si(t)的电压（峰峰值）和频率，电压测量精度为1，频率测量精度为0.1；Si(t)的频率范

3、围为100Hz800Hz，幅度峰峰值范围为0.5V15V；所用设备：直流电源，双踪示波器，万用表，信号发生器等，电阻、电容、二极管、三端稳压等。实验室能满足实施条件。 硬件部分.由单片机MSP430的P1.1口输入正弦波信号P1.2口输出经程序A/D转换处理后的波形(P1.1和 P1.2具有控制I/O方向、输出、输入的功能) 二阶低通滤波及放大电路对单片机输出波形进行滤波去噪。将单片机输出的数值转化为所需的正弦波形,进行放大、平整光滑处理。软件部分.由于单片机处理的是数字信号,而正弦波是一个连续变化的模拟量,所以就必须对一个周期内的正弦波形进行点数选择(斩波处理).周期内选择的点数越

4、多,得到的波形就越接近真实的波形;但另一方面,由于单片机处理的速度有限,点数如果选取过多,单片机就无法处理其它程序,进而导致死机。2.1 MSP430 单片机模版 图2.1 MSP430 launchpad电路图MSP430 LaunchPad是一款易于使用的闪存编程器和调试工具，它提供了在 MSP430 超值系列器件上进行开发所需的一切内容。它提供了具有集成仿真功能的 14/20 引脚 DIP 插座目标板，可通过 Spy Bi-Wire（2 线 JTAG）协议对系统内置的 MSP430 超值系列器件进行快速编程和调试。由于 MSP430 闪存的功耗极低，因此无需外部电源即可在数秒内擦除闪存并

5、对其进行编程。LaunchPad 将 MSP430 器件与 Code Composer Studio 版本 4 或 IAR 嵌入式工作平台等集成软件环境相连接。MSP430 超值系列器件上的这些 IDE 是免费且非受限的软件。LaunchPad 支持所有采用 14 或 20 引脚 DIP 封装（TI 封装代码：N）的 MSP430G2xx 闪存器件。LaunchPad 还采用用于定制项目和应用的板载可编程 LED 和按钮！10 引脚 PCB 连接器还可用于连接 LaunchPad 和附加器件。2.1.1 Msp430G2553的管脚示意图如图 图2.2 Msp430G2553的管脚示意图2.2

6、二阶有源低通滤波器模块 图2.3 二阶有源低通滤波电路电路性能参数 其通带电压放大倍数即为同相比例放大电路的放大倍数：其传递函数：其中：   Wo=1/RC   截止角频率，它是二阶低通滤波器通带与阻带的界限频率。为品质因数，它的大小影响低通滤波器在截止频率处幅频特性的形状。2.2.1设计要求设计一个压控电压源型二阶有源低通滤波电路,要求通带截止频率f0=1kHz,等效品质因数Q=1，带宽为700Hz,适合用于波形发生电路，脉冲放大电路。2.2.2󰀂电路参数设计为设计方便选取R=16k,C1=2.201 uF

7、，C2=0.001 uF,则通带截止频率为f0=fn= 1/2RC =1kHz，R1=100K，Rf=2k。2.2.3芯片选择 图2.4 LM324芯片管脚示意图 LM324系列器件带有差动输入的四运算放大器。与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。每一组运算放大器可用图2.4所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信

8、号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。三SPWM信号的产生。3.1 SPWM信号产生原理。 图3.1 SPWM信号原理图在进行脉宽调制时，使脉冲系列的占空比按正弦规律来安排。当正弦值为最大值时，脉冲的宽度也最大，而脉冲间的间隔则最小，反之，当正弦值较小时，脉冲的宽度也小，而脉冲间的间隔则较大，这样的电压脉冲系列可以使负载电流中的高次谐波成分大为减小，称为正弦波脉宽调制。 3.2 Msp430G2553单片机产生SPWM信号实验。软件程序首先关闭开门狗程序。开启ADC10使能，之

9、后设置每个口的用途P1.1为ADC10输入口，P1.2为输出I/O口，并设置其为特殊功能输出PWM波。设置定时器数值为128，对应输出时参数为采样值除8。在实验刚开始时，我们设想的程序是先在正弦波前半个周期测出正弦波的峰值，通过峰值与当前值得比值来确定出输出正弦波的占空比。3.2.1单片机程序如下：#include <msp430.h>/* * = Grace related includes = */#include <ti/mcu/msp430/csl/CSL.h>/* * = main = */float a=0;int main(int argc, char *

10、argv) CSL_init(); / Activate Grace-generated configuration WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop WDT ADC10CTL0 = ADC10SHT_2 + ADC10ON + ADC10IE; / ADC10ON, interrupt enabled ADC10CTL1 = INCH_1; / input A1 ADC10AE0 |= 0x02; / PA.1 ADC option select P1DIR |= 0x01; / Set P1.0 to output direction P1DIR |= 0x

11、0C; / P1.2 and P1.3 output P1SEL |= 0x0C; / P1.2 and P1.3 TA1/2 options CCR0 = 128-1; / PWM Period CCTL1 = OUTMOD_7; / CCR1 reset/set / CCR1 PWM duty cycle TACTL = TASSEL_2 + MC_1; / SMCLK, up mode P1DIR |= 0x08; for (;) ADC10CTL0 |= ENC + ADC10SC; / Sampling and conversion start _bis_SR_register(CP

12、UOFF + GIE); / LPM0, ADC10_ISR will force exit / >>>>> Fill-in user code here <<<<< return (0);/ ADC10 interrupt service routine#pragma vector=ADC10_VECTOR_interrupt void ADC10_ISR(void) CCR1 = ADC10MEM/8; _bic_SR_register_on_exit(CPUOFF); / Clear CPUOFF bit from 0(SR)3

13、.2.2 SPWM信号产生实验结果。 图3.2 spwm产生实验图 3.2.3 实验结果分析 由图3.2实验结果可知，单片机产生的spwm波有少许的失真，波形有些毛刺，不过波形还是比较理想，毕竟实验条件有限。正弦波经过A/D转换为数字信号送给单片机，再由程序使其在单片机内各运算单元转换为spwm信号，可见转换之间必会有误差存在。四，SPWM信号还原及滤波 4.1 有源二阶低通滤波电路作用 有源滤波电路的作用就是允许某段频率范围内的信号通过，而阻止或削弱其他频率范围的信号。有源滤波电路由电阻、电容和集成运算放大器组成，又称为有源滤波器。有源滤波器能 够在滤波的同时还能对信号起放大作用，

14、这是无源滤波无法做到的。因为本实验采用的低频信号，所以有源低通滤波电路能够实现实验滤波，放大环节，减少电路设计麻烦，简便易行。 4.2 SPWM信号在不同频率正弦波下的还原结果。 4.2.1 正弦波频率f=100Hz时，spwm信号还原的波形。 图4.1 f=100Hz时，spwm信号还原的正弦波 4.2.2正弦波频率f=200Hz时，spwm信号还原的波形。 图4.2 f=200Hz时，spwm信号还原的正弦波4.2.3正弦波频率f=300Hz时，spwm信号还原的波形。 图4.3 f=300Hz时，spwm信号还原的正弦波4.2.4正弦波频率f=400Hz时，spwm信号还原的波形。 图4

15、.4 f=400Hz时，spwm信号还原的正弦波4.2.5正弦波频率f=500Hz时，spwm信号还原的波形。 图4.5 f=500Hz时，spwm信号还原的正弦波4.2.6正弦波频率f=600Hz时，spwm信号还原的波形。 图4.6 f=600Hz时，spwm信号还原的正弦波 4.2.7正弦波频率f=700Hz时，spwm信号还原的波形。 图4.7 f=700Hz时，spwm信号还原的正弦波 4.2.7正弦波频率f=700Hz时，spwm信号还原的波形。 图4.7 f=700Hz时，spwm信号还原的正弦波4.3波形分析 当输入正弦信号的频率在范围为100Hz800Hz调节是时，输出的正弦信号也随之变化，输出的正弦信号的频率也随着增大。当输入正弦信号频率为100hz时，输出的正弦波有一两个毛刺，但波形失真较少，与输入的正弦波相比没有太大差异。但是随输入的正弦信号频率的升高，波形变得“曲折”，不过幅值相对失真较小。当频率达到700hz的时候，输出正弦波开始有比较明显的失真，经过实际的测试发现实际的效果并不理想，勉强达到实验要求。五，实验总结。 经过两周的电子综合设计，我们通过学习大致了解了Msp430单片机的一些功能。在设计SPWM的信号产生器过程中，我们遇到了许多困难，尤其在设计外设电路有源