受控正弦信号发生器.doc

PAGE PAGE 受控正弦信号发生器 设计报告 摘 要 本设计一个受控正弦信号发生器，以模拟电路为核心，以MSP430F149单片机系统为控制系统，采用单片机与DDS模块相结合的方式，通过对DDS集成芯片AD8951的控制，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。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单片机；DDS；数模转换；二线式V/I变换电路 一、方案设计与论证 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.电源方案 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，所以选择方案二。 3.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，主要考虑以下几点： 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。 4.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，我们选择24位数模转换芯片ADS1255作为模数转换电路的主芯片。 5.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。 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