基于单片机的受控正弦信号发生器设计说明

1、 PAGEIII / NUMPAGES14 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 旺 学 号 200810123 指 导 教 师 凌 泽 明 2010 年 5 月 25 日摘 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

2、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AbstractThe 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 modul

3、e, 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

4、 circuit, etc. Key words：sinusoidal signal generatordigital-to-analogue conversionMSP430f149; the signal of the DDS program;two lines in a V/I change.目 录TOC o 1-3 h z uHYPERLINK l _Toc2929132531 引言 PAGEREF _Toc292913253 h 1HYPERLINK l _Toc2929132542 方案论证与设计 PAGEREF _Toc292913254 h 2HYPERLINK l _Toc2

5、929132552.1单片机选型 PAGEREF _Toc292913255 h 2HYPERLINK l _Toc2929132562.2 单元电路设计方案 PAGEREF _Toc292913256 h 2HYPERLINK l _Toc2929132572.2.1电源电路设计方案 PAGEREF _Toc292913257 h 2HYPERLINK l _Toc2929132582.2.2 电流变送器方案 PAGEREF _Toc292913258 h 3HYPERLINK l _Toc2929132592.2.3 模数转换电路方案 PAGEREF _Toc292913259 h 3HY

6、PERLINK l _Toc2929132602.2.4 信号调制方案 PAGEREF _Toc292913260 h 3HYPERLINK l _Toc2929132612.3系统总体框图 PAGEREF _Toc292913261 h 4HYPERLINK l _Toc2929132623 理论分析与计算 PAGEREF _Toc292913262 h 5HYPERLINK l _Toc2929132633.1 DDS的理论分析 PAGEREF _Toc292913263 h 5HYPERLINK l _Toc2929132643.2 DDS的参数计算 PAGEREF _Toc292913

7、264 h 6HYPERLINK l _Toc2929132653.3载频参数计算 PAGEREF _Toc292913265 h 6HYPERLINK l _Toc2929132663.4 ADC参数计算 PAGEREF _Toc292913266 h 6HYPERLINK l _Toc2929132673.5电源运放的分析 PAGEREF _Toc292913267 h 7HYPERLINK l _Toc2929132684 硬件电路设计 PAGEREF _Toc292913268 h 8HYPERLINK l _Toc2929132694.1电源模块分析与设计 PAGEREF _Toc2

8、92913269 h 8HYPERLINK l _Toc2929132704.2压力桥与调理电路模块分析与设计 PAGEREF _Toc292913270 h 9HYPERLINK l _Toc2929132714.3两线制变换电路的设计与分析 PAGEREF _Toc292913271 h 10HYPERLINK l _Toc2929132724.4电流接收器模块 PAGEREF _Toc292913272 h 11HYPERLINK l _Toc2929132734.5 24位ADC转换电路设计 PAGEREF _Toc292913273 h 12HYPERLINK l _Toc29291

9、32744.6 MSP430最小系统设计 PAGEREF _Toc292913274 h 13HYPERLINK l _Toc2929132755 软件设计 PAGEREF _Toc292913275 h 14HYPERLINK l _Toc2929132766 系统测试 PAGEREF _Toc292913276 h 15HYPERLINK l _Toc2929132776.1变换精度测试 PAGEREF _Toc292913277 h 15HYPERLINK l _Toc2929132786.2电阻值非线性度测试 PAGEREF _Toc292913278 h 15HYPERLINK l

10、_Toc2929132796.3信号发生器测试 PAGEREF _Toc292913279 h 15HYPERLINK l _Toc2929132806.4变换精度测试 PAGEREF _Toc292913280 h 16HYPERLINK l _Toc2929132816.5频率非线性度测试 PAGEREF _Toc292913281 h 16HYPERLINK l _Toc2929132826.6 测试结论 PAGEREF _Toc292913282 h 16HYPERLINK l _Toc2929132837 结语 PAGEREF _Toc292913283 h 17HYPERLINK

11、l _Toc292913284致 PAGEREF _Toc292913284 h 18HYPERLINK l _Toc292913285参考文献 PAGEREF _Toc292913285 h 19HYPERLINK l _Toc292913286附录1 源程序清单 PAGEREF _Toc292913286 h 201 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

12、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2.1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

13、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，MSP4

14、30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，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2.2.1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3.1 DDS的理论分析DDS的基本

15、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4.1电源模块

16、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）图4-2 电源原理图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

17、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。图5-1 软件流程图6 系统测试6.1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)10001250150017502000R1(欧)1002.701251.501504.81752.301999.80I(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 结语系统中采用的低功耗器件主要是TI公司大学生

18、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 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1 帮文.新型集成器件家用电路M.：电子工业.2002.8 2 琢金译.C8051F020/1/2/3混合信号ISP FLASH微控器数据手册J.：新华电子.2002.附录1 源程序清单/*main.c*/程序功能：MCU的片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。