基于单片机的高压信号源的设计毕业论文

毕业设计说明书基于单片机的高压信号源的设计学生姓名：学号：学院：系名：专业：指导教师：2011年6月基于单片机的高压信号源的设计摘要随着电子技术的飞速发展，高压信号源在电子系统中的应用越来越广泛，对传输信号的电压放大是我们常常遇到，怎样能够方便、快速、稳定的对信号的电压进行放大是一个很值得探讨的问题。本文正是基于这一目的提出的。首先，文章开始部分简要阐述了高压信号源设计的市场现状和应用现状，并针对目前高压信号源设计的现状设计了本课题中阐述的主要方案。接下来对高压信号源的硬件电路和软件设计进行了深入的阐述。其次，文章详细的介绍了系统硬件电路的构成，对主要硬件模块给出了详尽的电路图，并对其工作原理和工作方式进行了详细的说明，这些硬件电路模块包括单片机MSP430F169三角波、正弦波信号产生模块、对低电压进行放大的高压运算放大模块、功率运算放大模块等。文章对这些电路中的关键元器件的选取原则和技术参数做了简单的介绍，因为这也是整个研究工作的一部分。再次，文章对系统的软件的设计也做了阐述，详细说明了系统总的程序流程，并给出了系统总的程序流程图，对各主要模块的编程也简要地进行了阐述，其中包括信号发生模块的三角波的编程及正弦波的说明，有的是用时序图，有的使用流程图，使得结构很清晰。最后，文章对整个设计做出了总结，并对整个思路的设计方面给出了几点说明，以及设计后期需要进一步改进的地方给出了几点建议。最终的仿真及实验结果结果表明，本课题设计的基于单片机的高压信号源的设计达到预期要求。关键词：信号源,单片机,高压运放,功放Thedesignofhigh-voltagesignalsourcebasedonSCMAbstractWiththerapiddevelopmentofelectronictechnology,thehigh-voltagesignalsourceintheapplicationofelectronicsystemismoreandmoreextensive,intransmission,thevoltageamplifierishowcanweoftenface,convenient,fastandstableonsignalvoltageamplifierisaveryworthyofdiscussion.Thispaperisproposedbasedonthisobjective.Firstly,thispaperbrieflyexpoundsthehigh-voltagesignalsourcedesignmarketsituationandapplicationsituation,andinviewofthepresentsituationofhighvoltagesourcedesignwasdescribedinthistopicdesignthemainscheme.Thehighvoltagesourcehardwarecircuitandsoftwaredesignfurtherelaboration.Secondly,thispaperintroducesthesystemhardwarecircuitstructure,themainhardwaremodulesgivesdetaileddiagram,anditsworkingprincipleandworkingwaymakesadetailedinstruction,thehardwarecircuitmoduleincludesmicrocontrollerMSP430F169trianglewave,sinesignalsoflowvoltagegeneratedmodule,amplificationhigh-pressureoperationamplifiermodule,poweroperationamplifiermodule,etc.Thispaperthekeycomponentsofthecircuitselectionprincipleandtechnologicalparameterssimplyintroducesthestudybecauseitispartofthejob.Again,thispaperthedesignofsoftwaresystemalsoelaborated,detailthesystemtotalprocesses,andgivesthesystemgeneralprogramflowchart,themainmoduleoftheprogrammingalsobrieflydiscussed,includingsignalproducingmoduleTrianglewaveofprogrammingandsinewaveinstructions，haveaplentyofsinewavewithtimingdiagram,someuseflowchart,makesthestructureisveryclear.Finally,thispapersummarizesthewholedesign,andmakethedesignofwholeideasthataregiven,andsomeinlateanddesignaregivenaneedtofurtherimproveplaceSuggestions.ThefinalsimulationandexperimentalresultresultsshowthatthistopicdesignbasedonSCMhigh-voltagesignalisexpectedtoreachthedesign.Keywords:sourcemicrocontroller,high-pressure,op-amp,poweramplifier目录TOC\o"1-5"\h\z\u1绪论 11.1课题背景及意义 11.2主要器件介绍 21.2.1特点 21.2.2MSP430X1XX系列微控制器具有以下特征 21.2.3MSP430F169概述 52系统硬件设计 72.1系统总设计原理图 72.2信号产生电路 72.3高压放大模块 82.4功率放大模块 143系统软件设计 174仿真结果 224.1电路仿真 224.2实物示波器仿真 235结论 25附录AMSP430F160引脚功能表 26附录B系统设计原理图 29附录C系统PCB板图 30附录D系统程序 31参考文献 37致谢 381绪论1.1课题背景及意义

在现代科研、通信系统、科学试验以及各种电子测量技术中，常常离不开一个高精度、频率可变的信号源，并且要求由数字信号来控制。尤其是在工业应用中需要产生一个高电压、高频率的信号以实现所需功能。高压信号源广泛应用于电力系统、石油、化工以及环境监测等试验中。随着电子技术的飞速发展，人们对于信号源电压放大的仪器接触越来越频繁，然而在选择那些仪器时就无法判断其好坏或者真伪，仍只能用那些古老而简陋的方法，这对于需要利用到高压信号源的场合是非常不利的；再者，目前市场上出现的一些高压信号源的自动化程度不高，然而，随着目前对各种试验的进一步深入，实时地、动态地、准确而且稳定的根据需要产生高压信号源，同时对这些变化进行对比、分析是十分重要的。电力系统中经常会遇到有功无功补偿的问题，对于无功补偿，会涉及到电力系统中的电压、电容的大小以及测量的问题；另外，电力系统的直流电源接地故障查找的核心问题是现场干扰大，在不同的直流电源和不同的工作状态下测量，目前的很多测量仪器会误侧误判，抗干扰性差，对大部分产品都无法正常使用，正是该行业的最大特点，也是最普遍现象。怎样避免传统的查找方法的缺点，在不影响直流系统正常工作的情况下实现便捷、可靠、安全、快速、有效的设计，是一个很值得研究的课题。1.2主要器件介绍美国TI公司的MSP430系列单片机可以分为以下几个系列：X1XX、X3XX、X4XX等等，而且在不断发展，从存储器角度，又可分为ROM（C型）、OTP（P型）、EPROM（E型）FlashMemory（F型）。系列的全部成员均为软件兼容，可以方便地在系列各型号间移植。MSP430系列单片机的MCU设计成适合各种应用的16位结构。它采用“冯-纽曼结构”，因此，RAM、ROM和全部外围模块都位于同一个地址空间内。1.2.1特点：1.同其它微控制器相比、MSP430系列可以大大延长电池的使用寿命；2.6uS的启动时间可以使启动更加迅速；3.ESD保护，抗干扰力强；4.低电压供电；5.多达64KB寻址空间，包含ROM、RAM、闪存RAM和外围模块。将来计划扩大至1MB；6．通过堆栈处理，中断和子程序调用层次无限制；7．仅3种子令格式，全部为正交结构；8.尽可能做到1字/指令；9.源操作数有7种寻址模式，目的操作数有4种寻址模式；10.外部中断引脚。I/O口具有中断能力；11.中断优先级，对同时发生的中断按优先级别处理；12.嵌套中断结构，可以在中断服务过程中再次响应其它中断；13.外围模块地址为存储器分配，全部寄存器不占用RAM空间，均在模块内；14．定时器中断可用于事件计数、时序发生、PWM等；15.看门狗功能；16．A/D转换器（10位或更高精度）；17.正交指令简化了程序的开发：所有指令可以用任意寻址模式；18.已开发了C-编译器；19.模块设计思想：所有模块采用存储器分配；20.MSP430全部为工业级16位RISCMCU-40ºC~85ºC。1.2.2MSP430X1XX系列微控制器具有以下特征：结果框图如下：图1.1结构框图1.超低功耗结构体系:0.1~400uA额定工作电流,在1MHz；1.8~3.6V工作电压(C11XP11X和E11X为2.5-5.5V)；从备用模式唤醒为6uS；丰富的中断能力减少了查询的需要；2.灵活强大的处理能力：源操作数有七种寻址模式；目的操作数有四种寻址模式；仅仅27条核心指令；优先级嵌套中断结构；大寄存器组；程序可在RAM中执行；直接查表处理；快速的16进制与10进制的转换。3.丰富的存储器、外设：片内12-位A/D转换；片内精密比较器；多个定时器和PWM功能；斜边（SLOPE）A/D转换（所有型号）；片内USART（s）；看门狗定时器；多个I/O具有丰富的中断能力；片内可编程振荡器；32-kHz晶振（所有型号）；450-kHz~8-MHz晶振（选择型号）。4.功能强大的、易于使用的开发工具：模拟仿真（包括外设和断点仿真）；C编译器；汇编语言；连接器；评估板；编程器；应用记录；代码事例。5.多种超低功耗器件选择:掩模型（MaskRom）；OTP型（在线编程）Flash型（在线编程）；-40ºC~+85ºC的工作温度范围；多达64K地址空间；支持所有类型寄存器RAM/ROM混合分配；其中MSP430F169包括下面的外设：基本时钟系统（片内DCO+一个或两个晶体振荡器）；看门狗定时器/通用目的定时器；Timer_A3（带3个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器）；Timer_B7（带7个捕获/比较寄存器和PWM输出的16位定时器）；I/O端口1，2（每一个有8个I/O，均具有中断功能）；I/O端口3，4，5，6（每一个有8个I/O）；比较器_A（精确的模拟比较器，常用于斜边（Slope）A/D转换；ADC12（12位A/D）；USART0；USART1；硬件乘法器。本次设计主要使用了使用了MSP430F169的DAC模块。利用Kei-c语言进行编程，下载到单片机中直接实现交流三角波、正弦波的输出。1.2.3MSP430F169概述MSP430F169是TI公司进入中国市场的MSP430F系列单片机中功能最强的芯片。具有60K程序存储区、2K的数据存储区、8路快速12位A/D转换器、双路12位D/A转换器，两个通用连续同步/异步通信接口(USART)、I2C、DMA数据传送模块和48个I/O口等外围模块。结构框图如图1.22所示。MSP430F169单片机为64引脚封装，其中大部分引脚有复用功能，见附录I。在波形发生器设计中使用两路DAC通道产生任意波形。在使用高速时钟和端口时要根据需要将其初始化。目前，只有MSP430F15/16X系列单片机具有DAC（数模转换）模块，可以将MSP430运算处理的数字量转换为模拟量。MSP430F169的DAC模块是12位电压输出的数模转换模块（DAC12）。DAC模块的主要性能指标：1）分辨率：这项指标反映了数字量在最低位上变化1位时输出模拟量的最小变化。一般用相对值来表示。对于8位的DAC模块来说，分辨率为最大输出幅度的0.39%，即1/256。而对于12位DAC模块来说，分辨率可以达到0.024%，即1/4096。2）偏移误差：它是指输入数字量为0时，输出模拟量对0的偏移值。3）线性度：是指DAC模块的实际转移特性与理想直线之间的最大偏差。4）转换速度：即每秒钟可以转换的次数，其倒数为转换时间。5）参考源电压源：是影响模拟量输出的基准值。MSP430F169单片机中的D/A功能如下所述：1）MSP430F169的DAC12模块包含两个DAC转换通道：DAC12_0和DAC12_1。这两个通道在操作上完全平等。2）DAC12的主要特征：12位分辨率，可选用内部或外部参考电压。输入二进制数。若选用内部2.5V参考源电压源，当输入DAC12的数字量从0x0到0xFFF变化时，对应的输出电压量也就从0到2.5V变化。输入数字量与输出电压关系如图1.2所示：1.2DAC12输出量示意图2系统硬件设计硬件是系统的基础，硬件系统的设计在整个系统中处于非常关键的地位，硬件系统设计的好坏直接关系到整个系统能否顺利完成已经整个系统性能的优劣，尤其在本课题中，电路基本上都是模拟电路，在电路原理的设计、参数的选取和器件的选择上更要严肃谨慎，即使小小的偏差都可能对系统产生很大的影响，因此，在本课题的硬件设计上，我经过反复的考证和推敲，最终才确定下来，总的系统框图参看图2-1.2.1系统总设计原理图：

图2-1是该系统设计原理框图。通过程序直接控制单片机MSP430F169产生三角波形与正弦波形通过随后的升压电路，输出所期望的高压的三角波、正弦波正弦波信号。在该系统的信号发生模块，主要是利用单片机MSP430F169用时钟模块来控制三角波，正弦波形的输出，然后在电压放大模块通过运算放大器TLE2142对前面单片机送入的正弦波和三角波进行电压放大，然后再通过功率放大模块（主要器件：MJE13003）对电压放大的信号进行功率放大，最后通过示波器对放大的波形进行输出并验证结果。信号发生模块电压放大模块信号发生模块电压放大模块功率放大模块时钟模块输出图2.1硬件原理图2.2信号产生电路MSP430F169小系统由169芯片、复位电路、低速时钟电路（32768Hz）、高速时钟电路（8MHz）、电池和发光二极管电路构成，如图2.2所示。可通过发光二极管是否闪烁，判定小系统电路是否正常工作。图2.2MSP430F169小系统电路图由单片机MSP430F169直接控制写入函数输出三角波和正弦波的交流信号，将电流信号转换成电压信号输入到后面的放大电路中。2.3高压放大模块电压放大电路如下图：图2.3电压放大电路其中运算放大器使用的是TLE2142，TLE2142是一种高精度单片运算放大电，具有很低的输入失调电压和漂移。TLE2142的优良特性使它特别适合做前级放大器来放大微弱信号，使用TLE2142一般不用考虑调零和频率问题就能满足要求。主要特性为：低输入失调电压，最大为76uV；低温漂，最大为1.3Uv/ºC；低噪声，最大为0.6uV；宽输入电压范围，输入电压从-15V到+15V；很宽的电源电压范围，为3V到18V。TLE2142主要参数为：供电电压：从-Vs到+Vs为350；输入电流：在安全工作区内的连续电流为60mA，峰值电流为120mA；耗散功率：在温度为25ºC时的持续耗散功率为14W；输入电压：输入差分电压范围为-16V—+16V，输入共模电压范围为-Vs到+Vs；器件温度：最大结温为150ºC，器件表面的温度范围为-40ºC—+125ºC；通过高压运放想要得到有效值为大于200V（峰值为300V）的电压，对运放的供电电压也很高，由TLE214组成反响比例放大电路，输入电压Vin通过电阻R12作用于运放的反相输入端，故输出电压Vout与Vin反向。电阻R9和R14跨接在集成运放的输出端和反相输入端，引入了电压并联反馈，放大电路中引入交流负反馈后，其性能会得到多方面的改善，比如，可以稳定放大倍数，改变输入电阻和输出电阻，展宽频带，减小非线性失真等。由于理想运放的净输入电压和净输入电流均为零，集成运放两个输入端的点位也均为零（通常称之为虚地），根据节点电流方程可求得Vout与Vin的比例系数为-（R14+R12）/R9，成反比例关系，其中负号表示Vout与Vin反向，比例系数的数值可以是大于、等于、小于1的任何数值，本模块的比例系数参看以上电路中各电路的取值。因为电路引入了深度电压负反馈，且1+AF趋近无穷大，所以输出电阻R0=0，电路带负载后运算关系不变。因为从电路输入端和地之间看进去的等效电阻等于输入端和虚地之间看进去的等效电阻，所以电路的输入电阻Ri=R14。从这里也可以看出，虽然理想运放的输入电阻为无穷大，但是由于电路引入的是并联负反馈，反相比例运算电路的输入电阻却不大。从MSP430F169过来的正弦波的频率为200Hz，有效值为1.2V，要将该正弦信号放大到200V以上，这是一个比较高的电压，对其进行放大是很容易的事，当初选择方案时考虑过用变压器放大、用分立器件放大和高压运算放大器几种方案，但考虑到变压器放大精度不够，分立器件放大电路容易受到外界干扰以及各种漂移不易控制，所以最终确定用高压运算放大器进行放大，经过仔细考虑，最终选用TLE2142高压运算放大器。运算放大器的应用电路同一般运算放大器的差异较大，不同之处主要体现在保护电路上，因为高压运算放大器的电源电压和输出电压很高，很容易使器件损坏，所以必须进行相应的保护，以下对TLE2142的保护工作进行详细阐述。静电问题（ESD）多数运放的双极型设计都是选用小体积晶体管作为输入级，它也易受静电的影响。ESD会使放大器的失调电压升高，静态电流增大或完全损坏。而TLE2142是在防静电很好的环境下生产的，运输过程中也采用防静电包装，在整个过程中都注意静电问题，一些地方要求静电测量，包括人、工作台、地板、容器以及测试设备等。在将器件焊接到电路板上时要很小心，电烙铁不能长时间接触TLE2142的引脚，要迅速接触后就拿开，而且，最好使用能防止静电的电烙铁。2．最大绝对参数放大器应工作在最大绝对值下避免永久性损坏，如果工作时其中一个参数达到了最大值，这将不会导致永久性损坏，但两个或者更多的参数同时到达了最大值，放大器或许会损坏。注意：放大器应工作在参数表中所列的范围内。最大绝对功率损耗是在假设放大器的壳温保持在25℃，结温工作在最大额定值的条件下给出的。它为各个制造商的产品提供了标准，然而，它并不是一个合理考察点，因为它需要一个理想的散热器，即使有一个理想的散热器，长时间工作在最大结温下，将会降低产品的寿命。最大绝度共模电压是另个一参数，它说明了最大绝对值是给定值的不同。在许多放大器中，两个输入管脚可以同时达到最大电压电源，然而放大器工作于线性区时，它的输入电压应比电源电压低5到30V。这意味着，输入电压超过了线性区，虽然不会损坏放大器，但放大器或许不能获得参数表中的抑制比，或许导致信号失真，甚至输出嵌位到电源电压。3.电源电源电压给定电压（Vs）表明一个相等的双电源（例如：+250V，-250V）,也可以采用不对称电源或者单电源（如：+350V），只要全部电压超过它的最大值就行。绝不允许在电源管脚上加反向电压，对于双电源电路，如果只有一个电源管脚连接是不能工作的。电源旁路不充分的电源旁路会导致放大器电路震荡，每一个电源管脚都应选用一个“低频旁路”的电容来对地旁路，容值至少为10Uf/A，在工作温度高于0℃时，计算机用的铝电解电容也可以用。另外，一个“高频旁路”的0.1uF到1uF的此节电容应并联在“低频旁路”的电容上。过压保护放大器不能工作在电压绝对最大值以外，放大器应该保护任何情况下引起的过压。一种过压是因为电感负载的高能量脉冲通过快速恢复耦合到一个高阻抗的电源上，另一种是交流电源上的瞬态电压通过电源电压出现在放大器管脚上，单极型器件应防止极性反向。注意：一个悬空的电源管脚会导致电源极性反向而损坏放大器。额定电压大于最大电源电压额定值但小于放大器的二次击穿电压的瞬态抑制器可以防止放大器损坏。用瞬态抑制器或双向稳压二极管能够嵌位交流的瞬态电压。将这些器件中的任何一种连接到电源输入端上以减小瞬态电压。在交流电网和电源间增加低通滤波器也能减小高频能量。注意电源滤波器中的电感会流过所有高频能量，而通常使用的电解电容具有很高的ESR。因为ESR很高，高频能量不可能被完全抑制掉，因此应避免电容容值减小。本课题中的过压保护用的是瞬态电压抑制器，关于瞬态电压抑制器的具体使用参看高压运放应用电路的D2和D3，使用的型号是1N6300A。4.电流限制电流限制最主要的功能是使放大器工作在安全工作区（SOA）内。在设计电路时，一定要使器件工作在安全工作区以内，为了防止运算放大器输出电流过大，超过它的安全工作区，在TLE2142D输出端加了一个限流电阻RP5，保证其工作在安全工作区以内。用其他外加电路实现限流时必须引起高度注意。通常同时间有关，而且常常因此导致失败，许多供电电源的限流只是在输出滤波电容存储的能量消耗尽以后才有效，这个能量加上电源旁路电容上的能量常常或毁坏放大器。即使用最快的保险丝也会有问题。通常对于一个200%过流的保险丝，响应时间将在15秒左右。在许多应用中放大器反而保护了保险丝，即使保险丝断了，放大器或许已经坏了，保险丝烧断是在大电流下的一个机械触点动作，在它断开时，通常会有一个尖峰电压出现，或许会超过放大器的额定电源电压。5.输出保护负载电流的突然变化会导致已给很大的电压尖峰，这个尖峰电压出现在放大器的输出上，会损坏输出级。比如，由刷直流电机可以产生连续的高电压、高频电压尖峰，另外，压电传感器的机械振动也将产生一个尖峰电压，这些都会损坏放大器的输出级。尽管大多数的功率放大器都有内部输出保护二极管，但是这些内部二极管对放大器保护持续的高频、高能量的尖峰脉冲是不够的。这些二极管通常都是固定在达林顿管上，有很慢的恢复时间，或许还有很大的正向压降。对于一个持续高能量尖峰电压，应对电源用一个高速的快恢复二极管，这个二极管的恢复时间应小于100ns，因为高频能量在20ns以下。当电流反方向流动时，电源必须是一个真正的低阻抗源。否则，这个尖峰能量将耦合到电源管脚上，导致一个尖峰电压出现在电源上，这有可能使放大器处于过压状态而损坏。6.共模电压抑制在许多的运算放大器参数中，最容易被误解的一个是共模电压范围，在期间的PDF数据表中，两个输入管脚的共模电压非常接近电源。当超过这个范围，放大器将不能工作在线性区。在大多数数据表中绝对最大共模电压参数是指输入信号不能超过它，如果超过或许会损坏放大器。7.差分输入电压的限制和保护输入差分电压超过“绝对最大差分输入电压”会导致放大器永久的损坏，它将导致输入失调电压和输入偏置电流升高和漂移，最终导致输出级损坏。尽管在正常闭环条件下差分输入电压是mV级，但有几种情况会导致超过这个范围：（1）输入信号的快速上升时间；（2）当没有加电时输入信号；（3）反馈回路中的开关；因此，在实际应用中应尽量避免以上情况，要对高压运放的输入级进行保护，有效的输入保护有两个功能：限制输入差分电压低于输入晶体管基极-发射极的反向击穿电压，典型值约等于6V；限制输入瞬时电流低于150mA；另外，我们要清楚的知道，当高压运算放大器向负载传输功率时，它本身要损耗功率。只有在某个唯一的信号下，输出功率同耗散功率才是相等的，低阻抗或大的电抗式负载将同样导致更高的内部耗散功率，好的电路设计应尽量减小电抗以提高效率。由于放大器本身要损耗功率而发热，因此散热器的使用时不可避免的，选择散热器的过程中主要有两个步骤：第一，必须计算最大的内部耗散功率；第二，必须确定最大结温，壳温。根据以上步骤可以选出合适的散热器，放大器越好价格越高而且有时体积更大，比起散热器的尺寸和重量，加大放大器的体积是微不足道的，如果采用一个体积大的放大器能够省去使用液体或者风扇制冷，增加放大器的费用或许不是很大的问题。在选择放大器时，一个合理的出发点就是寻找一个绝对最大值为电路工作时产生的功率值的两倍放大器。高压运放价格通常都很昂贵，而且由于电源电压和输出电压很高，很容易烧毁，按照以上介绍的方法进行保护后，高压运放的使用就很安全了。2.4功率放大模块从电压放大模块过来的信号功率都很小，带负载能力很差，不能向负载提供足够的功率，所以我们必须在电压放大模块后面加上功率放大模块，以提高信号带负载的能力。从能量控制和转换的角度看，功率放大电路与其他放大电路在本质上没有根本的区别：只是功放既不是单纯追求输出高电压，也不是单纯追求输出大电流，而是追求在电源电压确定的情况下，输出尽可能大的功率。因此，从功放电路的组成和分析方法，到其他元器件的选择，都与小信号放大电路有着明显的区别。在功率放大电路中，当输入信号为正弦波时，若晶体管在信号的整个周期内均导通，则称之为工作在甲类状态；若晶体管仅在信号的正半周或负半周导通，则称之为工作在乙类状态；若晶体管的导通时间大于半个周期且小于周期，则称之为工作在甲乙类状态。功放电路的效率很重要，提高功放效率的根本途径是减小功放管的功耗，方法之一是减小功放管的导通角，增大其在一个信号周期内的截止时间，从而减小管子所消耗的平均功率。在本课题中，为了提高功放效率，采用使用很广泛的对称互补的甲乙类功放电路，本课题实际使用电路如下图：图2.4功放电路图因为功率放大电路的输出电压和输出电流的幅值均较大，功放管的非线性不可忽略，在这来说下功放管的选择，在功率方法电路中，应根据晶体管所承受的最大关押将、集电极最大电流和最大功耗来选择晶体管。管子承受的最大管压降为U=2Vcc；从电路最大输出功率的分析可知，晶体管的发射极电流等于负载电流，而发射极和集电极电流基本相等，因此，在本课题中晶体管集电极的最大电流为1A；在功率放大电路中，电源提供的功率，除了转换成输出功率外其余部分主要小号在晶体管上。当输出电压为零，即输出功率最小时，由于集电极电流很小，使管子的损耗很小；当输入电压最大，即输出功率最大时，由于管子压降很小，管子的损耗也很小；可见管耗最大既不会发生在输入电压最小时，也不会发生在输入电压最大时，经过计算可得：Pcm=0.2Pom可见，晶体管集电极最大功耗仅为最大输出功率的五分之一。所以，在查阅资料选择晶体管时，应使极限参数满足以下条件：Vceo＞2Vcc=280VIc＞Vcc/Z=1APcm＞0.2Pom=18W在本设计中使用的功放管是MJE13003，MJE13003是NPN型的管子，主要参数如下：集电极-发射极反向击穿电压Vceo为400V；集电极-基极反向击穿电压压Vcbo为700V；发射极-基极反向击穿电压压Vebo为9V；集电极-发射极击穿电压Vcex为400V；集电极持续电流Ic为15A，峰值电流为30A；基极持续电流Ib为1.5A；总耗散功率Pd为230W；由以上对功放管MJE13003的介绍可以看出，他们的性能完全满足本设计的要求。另一个值得一说的是，本课题中设计的功率放大电路的输入输出电压几乎相同，即相当于一个电压跟随器，考虑到高压运放输出电压调节的方便，将高压运算放大器的负反馈直接连接到了功率放大电路的输出端，实际电路如图：图2.5电压放大和功率放大电路3系统软件设计硬件系统与软件系统是嵌入式系统实现目标任务不可或缺的两个方面。硬件系统为系统目标的实现提供了硬件平台，但是只有硬件系统还不行，必须配以相应的软件才能达到设计目标。软件与硬件之间既相互独立，又相互依存。软件设计不仅需要考虑硬件系统的特点，同时还需要从实现系统功能的角度出发，进行功能需要分析，流程的设计，代码编写和代码测试。下面将对软件系统进行阐述。三角波#include<msp430x16x.h>voiddelay();voidZhenjing();voidmain(void)for(;;){if(DAC12_0DAT==0x000)//EnterLPM0,Enableinterrupts{for(;;){DAC12_0DAT++;delay(5000);if(DAC12_0DAT==0xFFF)break;}//DAC12_0DAT++;//Positiveramp//DAC12_0DAT&=0xFFF;}elseif(DAC12_0DAT==0xFFF){for(;;){DAC12_0DAT--;delay(5000);if(DAC12_0DAT==0x000)break;}}//delay(500);}}voiddelay(inti)//延时函数{unsignedintd1,d2,j;j=i/2;for(d1=0;d1<i;d1++)for(d2=0;d2<j;d2++){_NOP();}}正弦波#include<msp430x16x.h>voiddelay();voidZhenjing();voidmain(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//WDT~0.064msintervaltimerunsignedintn;intsin[33]={0X000,0X010,0X020,0X0A1,0X161,0X225,0X393,0X4F5,0X676,0X808,0X999,0XB1A,0XC7C,0XDBD,0XEAE,0XF6E,0XFF9,0XF6E,0XEAE,0XDBD,0XC7C,0XB1A,0X999,0X808,0X676,0X4F5,0X393,0X225,0X161,0X0A1,0X020,0X010,0X000};intj;BCSCTL1&=~XT2OFF;//XT2on do { IFG1&=~OFIFG; //ClearOSCFaultflag for(n=0xFF;n>0;n--); //Timeforflagtoset } while((IFG1&OFIFG));//OSCFaultflagstillset? BCSCTL2=0x88;//MCLK=SMCLK=XT2(safe)//EnableWDTinterruptADC12CTL0=REF2_5V+REFON;//Internal2.5VrefonDAC12_0CTL=DAC12IR+DAC12AMP_5+DAC12ENC+DAC12CALON;//Internalrefgain1for(;;){for(j=0;j<33;j++){DAC12_0DAT=sin[j];delay(300);}}//DAC12_0DAT=0X00;//for(;;)//{//if(DAC12_0DAT==0x000)//EnterLPM0,Enableinterrupts{for(;;){DAC12_0DAT++;delay(5000);if(DAC12_0DAT==0xFFF)break;}//DAC12_0DAT++;//Positiveramp//DAC12_0DAT&=0xFFF;}elseif(DAC12_0DAT==0xFFF){for(;;){DAC12_0DAT--;delay(5000);if(DAC12_0DAT==0x000)break;}}//delay(500);}}voiddelay(inti)//延时函数{unsignedintd1,d2,j;j=i/2;for(d1=0;d1<i;d1++)for(d2=0;d2<j;d2++){_NOP();}}4仿真结果4.1电路仿真图4.1三角波仿真图图4.2正弦波仿真图4.2实测示波器仿真图图4.3三角波放大波形图4.4正弦波放大波形5结论

随着电子技术的飞速发展，高压信号源的使用越来越频繁，尤其在工业、实验用途中，人们常常要对电子线路中的各种信号进行电压放大，因此，能够快速，稳定而有效的对信号进行电压放大的仪器必不可少。本次课题设计也正是基于这一目的提出的。本文开始部分回顾了当前高压信号源设计的市场现状和应用现状，并针对目前高压信号源设计的现状设计了本课题中阐述的主要方案。接下来对高压信号源的硬件电路和软件设计进行了深入的阐述。本次设计是基于MSP430F169单片机而设计的。通过利用单片机对MSP430F169写入的正弦波与三角波的信号源的高压输出的实现，并具有频率发生控制方便、稳定性和分辨率高等优点。由于本次设计对单片机的要求不是太高，因为设计中对单片机的应用不是很多，因此本次设计对单片机的应用主要是通过单片机产生三角波、正弦波，然后通过之后的放大电路：电压放大电路和功率放大电路来实现本次设计。本文在“硬件系统设计”部分主要详细阐述了组成硬件系统的各个硬件模块的原理和工作方式，其中包括单片机外围电路、对传输信号的高压运算放大电路、功率放大电路等电路。值得一提的是，本文花了较多的笔墨介绍了高压运算放大电路和功率放大电路，这也是我在课题研究过程中花费精力最多的部分。软件是系统运行的灵魂，系统有了良好的硬件还不行，必须要有与硬件相配合的高效软件。本文详细介绍了系统的总的程序流程，并给出了相应的程序流程图，在对总的程序流程分析的基础上也对各主要模块的编程进行了简单的介绍。当然，系统还有需要进一步完善的地方，例如，随着电子技术的飞速发展，更多性能好的器件不断推出，而且价格也可能更便宜，因此，本硬件系统的成本还有可降价的空间；如果正弦波查表寻找更多的点数对应，那么正弦波的精度、曲线也就更好了；另外，在高压运算放大器和功率放大器的过压过流保护方面有待进一步提高。这些方面希望在后续的工作中得到完善。附录AMSP430F169引脚功能表表1：MSP430F169引脚功能表引脚名称引脚编号I/O描述AVCC64模拟正电源端，AVSS62模拟负电源端，内部连接于DVCC。DVCC1数字正电源端，提供所有部件电源（由AVCC供电的除外）。DVSS63数字地，所有部件的接地端（由AVCC/AVSS供电的除外）。VREF+7ADC12正向参考电压。VeREF+10外部参考电压输入。VREF–/VeREF–11参考电压负端，内部参考电压,或应用外部参考电压XT2IN53I/O晶振XT2输入。XT2OUT52I/O晶振XT2输出。P5.7/TBoutH/SVSOUT51I/O通用数字I/O；交换所有PWM数字输出端口到定时器_B7的TB0到TB6高电平端,SVS比较器输出。P5.6/ACLK50I/O通用数字I/O；辅助时钟ACLK输出。P5.5/SMCLK49I/O通用数字I/O；子时钟SMCLK输出。P5.4/MCLK48I/O通用数字I/O；主要系统时钟MCLK输出。P5.3/UCLK1†47I/O通用数字I/O；外部时钟输入端。P5.2/SOMI1†46I/O通用数字I/O。P5.1/SIMO1†45I/O通用数字I/O。P5.0/STE1†44I/O通用数字I/O。P3.7/URXD1†35I/O通用数字I/O。P3.6/UTXD1†34I/O通用数字I/O。P3.5/URXD033I/O通用数字I/O。P3.4/UTXD032I/O通用数字I/O。续表1：MSP430F169引脚功能表P3.3/UCLK0/SCL31I/O通用数字I/O。P3.2/SOMI030I/O通用数字I/O。P3.1/SIMO0/SDA29I/O通用数字I/O。P3.0/STE028I/O通用数字I/O。P2.7/TA027I/O通用数字I/O；定时器_A比较方式：OUT0输出。P2.6/ADC12CLK/DMAE026I/O通用数字I/O；转换时钟-12位ADC,直接存储器存取通道0外在触发器。P2.5/Rosc 25I/O通用数字I/O。P2.4/CA1/TA224I/O通用数字I/O；比较器A输入端；比较方式：OUT2输出。P2.3/CA0/TA123I/O通用数字I/O；比较器A输入端；比较方式：OUT1输入。P2.2/CAOUT/TA022I/O通用数字I/O；比较器A输出端；捕获方式：CCIOA输入。P2.1/TAINCLK21I/O通用数字I/O。P2.0/ACLK 20I/O通用数字I/O；辅助时钟ACLK输出。P1.7/TA2 19I/O通用数字I/O；定时器_A比较方式：OUT2输出。P1.6/TA1 18I/O通用数字I/O；定时器_A比较方式：OUT1输出。P1.5/TA0 17I/O通用数字I/O；定时器_A比较方式：OUT0输出。P1.4/SMCLK 16I/O通用数字I/O；SMCLK信号输出。P1.3/TA2 15I/O通用数字I/O。P1.2/TA1 14I/O通用数字I/O。P1.1/TA0 13I/O通用数字I/O。P1.0/TACLK 12I/O通用数字I/O；定时器A时钟输入。P4.0/TB036O通用数字I/O。P4.1/TB1 37I/O通用数字I/O。P4.2/TB2 38I/O通用数字I/O。P4.3/TB3† 39I/O通用数字I/O。P4.4/TB4†40I通用数字I/O。P4.5/TB5†41I/O通用数字I/O。续表1：MSP430F169引脚功能表P4.6/TB6†42I/O通用数字I/O。P4.7/TBCLK43I/O通用数字I/O。P6.0/A059I/O通用数字I/O。P6.1/A160I/O通用数字I/O。P6.2/A261I/O通用数字I/O。P6.32I/O通用数字I/O。P6.43I/O通用数字I/O。P6.54I/O通用数字I/O。P6.65I/O通用数字I/O。P6.76I/O通用数字I/O。RES/NMI58I复位输入或非屏蔽中断输入端。XIN8I基本振荡器XT1输入端。可以连接标准晶体或晶体振荡器。XOUT9I/O晶体振荡器XT1输出端。附录B系统总设计图附录C系统PCB板图附录D系统程序三角波#include<msp430x16x.h>voiddelay();voidZhenjing();voidmain(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//WDT~0.064msintervaltimerunsignedintn;BCSCTL1&=~XT2OFF;//XT2on do { IFG1&=~OFIFG; //ClearOSCFaultflag for(n=0xFF;n>0;n--); //Timeforflagtoset } while((IFG1&OFIFG));//OSCFaultflagstillset? BCSCTL2=0x88;//MCLK=SMCLK=XT2(safe)//EnableWDTinterruptADC12CTL0=REF2_5V+REFON;//Internal2.5VrefonDAC12_0CTL=DAC12IR+DAC12AMP_5+DAC12ENC+DAC12CALON;//Internalrefgain1for(;;){if(DAC12_0DAT==0x000)//EnterLPM0,Enableinterrupts{for(;;){DAC12_0DAT++;delay(5000);if(DAC12_0DAT==0xFFF)break;}//DAC12_0DAT++;//Positiveramp//DAC12_0DAT&=0xFFF;}elseif(DAC12_0DAT==0xFFF){for(;;){DAC12_0DAT--;delay(5000);if(DAC12_0DAT==0x000)break;}}//delay(500);}}voiddelay(inti)//延时函数{unsignedintd1,d2,j;j=i/2;for(d1=0;d1<i;d1++)for(d2=0;d2<j;d2++){_NOP();}}voidZhenjing(void)//振晶初始化{unsignedintn;BCSCTL1&=~XT2OFF;//XT2on do { IFG1&=~OFIFG; //ClearOSCFaultflag for(n=0xFF;n>0;n--); //Timeforflagtoset } while((IFG1&OFIFG));//OSCFaultflagstillset? BCSCTL2=0x88;//MCLK=SMCLK=XT2(safe)}正弦波#include<msp430x16x.h>voiddelay();voidZhenjing();voidmain(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//WDT~0.064msintervaltimerunsignedintn;intsin[33]={0X000,0X010,0X020,0X0A1,0X161,0X225,0X393,0X4F5,0X676,0X808,0X999,0XB1A,0XC7C,0XDBD,0XEAE,0XF6E,0XFF9,0XF6E,0XEAE,0XDBD,0XC7C,0XB1A,0X999,0X808,0X676,0X4F5,0X393,0X225,0X161,0X0A1,0X020,0X010,0X000};intj;BCSCTL1&=~XT2OFF;//XT2on do { IFG1&=~OFIFG; //ClearOSCFaultflag for(n=0xFF;n>0;n--); //Timeforflagtoset } while((IFG1&OFIFG));//OSCFaultflagstillset? BCSCTL2=0x88;//MCLK=SMCLK=XT2(safe)//EnableWDTinterruptADC12CTL0=REF2_5V+REFON;//Internal2.5VrefonDAC12_0CTL=DAC12IR+DAC12AMP_5+DAC12ENC+DAC12CALON;//Internalrefgain1for(;;){for(j=0;j<33;j++){DAC12_0DAT=sin[j];delay(300);}}//DAC12_0DAT=0X00;//for(;;)//{//if(DAC12_0DAT==0x000)