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1、2012年TI杯电子设计大赛（A题） 微弱信号检测装置的设计本系统选用了MSP430G2553单片机，OPA2134双音频运放，INA2134差分运放，OPA2227低噪声高精度运放，OP07运算放大器，TL431稳压器件等6个TI器件。摘要：本系统为一套微弱信号检测装置，用以检测在强噪声背景下已知频率的微弱正弦波信号的幅度值，并数字显示出该幅度值。正弦波信号源可以由函数信号发生器来代替。噪声源采用给定的标准噪声（wav文件）来产生，通过PC机的音频播放器或MP3播放噪声文件，从音频输出端口获得噪声源，噪声幅度通过调节播放器的音量来进行控制。当输入正弦波信号VS 的频率为1 kHz、幅度峰峰值
2、在200mV 2V范围内时，要求误差不超过5%。采用以TI公司超低功耗单片机MSP430G2553为核心的Launchpad开发板来处理数据和驱动1602液晶屏显示正弦波信号的幅度值。关键字：噪声，微弱信号检测，MSP430G2553.Abstract: Weak Signal Detection system is used to test the magnitude of a Sine with known frequency,in the context of heavy noise,and display the magnitude with SMC1602. The noise is
3、 produced by the .wav file,and SDG1025 provide the Sine wave.Changing the volume can control the magnitude of the noise.The error should be under 5% when the Vpp ranging from 200mV to 2V with the frequency of 1KHz.The system is based on the Launchpad,with the core of ultra-low power MSP430G2553(MCU)
4、.Then deal with the data and display the magnitude with SMC1602.Keyword:noise, Weak Signal Detection system, MSP430G2553.1. 方案设计1.1理论分析（1）加法器电路分析：在加法器电路的前端，用OPA2134做两个缓冲器，对输入加法器的正弦信号和噪声信号进行一级缓冲，隔离信号源和加法电路。OPA2134是双音频运算放大器，噪声信号是音频，所以它完全符合要求，可以对噪声进行缓冲。加法器电路采用INA2134对正弦信号和噪声信号进行相加，INA2134是双音频差分运算放大器，按照
5、加法电路连接即可很好实现两信号的叠加，并且其带宽完全符合题目要求。（2）纯电阻分压网络的分析：题目要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。所以该部分电路采用精密电阻对叠加的信号进行100倍的衰减。（3）微弱信号检测电路的分析：由于信号本身就比较小，又经过衰减网络衰减了100倍，因此在进行信号检测之前先采用OPA2227对微小信号进行了前置放大，OPA2227是双路低噪声高精密的运放，可以精确的对信号进行放大。该前置放大网络将小信号又放大了100倍，以方便后续电路的测量。微弱信号检测电路采用了一个六阶的带通滤波器，中心频率是1KHZ，以滤掉除正弦信号以外的各种噪声信号。为后续电路的测量做准备。
6、带通滤波器主要采用了OP07运算放大器做为主芯片。只要外围模拟软件选择合适，误差不会超出2%。（4）显示电路的分析：交流电压信号不能直接测量，在显示正弦信号的大小之前需要先对交流电压信号进行处理，本设计让正弦信号通过AD637（真有效值转换芯片）转换成直流电压信号后测量，AD637转换精度高，失真小，最大失真误庆功为0.02%+2个字要求。测量采用双积分型ADCMC14433完成，MC14433是三位半模数转换芯片，精度为0.05%+1个字，完全符合电路精度的要求。1.2选用TI器件的依据与理由本系统选用了MSP430G2553单片机，OPA2134双音频运放，INA2134差分运放，OPA2
7、227低噪声高精度运放，OP07运算放大器，TL431稳压器件等6个TI器件。（1）MSP430G2551单片机：MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。它将许多模拟电路外设（如ADC、DAC、模拟比较器等）和各常用数字模块（如SCI、SPI、I2C、看门狗、PWM、CAP、定时/计数器）集成在芯片内部。由于它具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点，而且有很高的性价比，因此在许多领域内得到了广泛的应用。MSP430 单片机可以采用汇编语言或C 语言进行程序
8、设计。它支持JTAG 调试，其硬件仿真器是一个简单的并口转接器，并且适用于所有的MSP430 单片机。其超低功耗在睡眠模式时最低消耗电流可低至0.1uA，且有七种低功耗模式可供选择，多个I/O支持中断模式满足系统对外部中断的需求。其软件是由IAR 公司提供的Embedded Workbench 集成开发环境。此软件人机界面友好，并能很好的支持C 语言开发。由于本系统属于仪表类设计，因此涉及到自动控制以及低功耗方面的要求。MSP430单片机I/O口端丰富，所消耗的功耗低，因此是此系统设计最佳的选择。（2）OPA2134双音频运放：OPA2134 频带很宽，转换速率高，而且超低噪音超低失真，高输出
9、驱动能力，声音是属于细致型的。非常适合用于本设计的噪声及信号。（3）INA2134差分运放：INA2134完全指定高性能音频应用，低失真，高压摆率，良好的动态响应，此外高输出电压摆幅和高输出驱动能力，允许应用在要救济苛刻的各种场合。片内集成了精密电阻，可组成差分，求和等各种信号组合，外接元件还可实现放大等功能。精确度高热稳定度好。完全适合本设计的应用。一般与OPA2134配合使用。（4）OPA2227低噪声高精度运放：运算放大器 低噪 高精密。精确放大信号电压。（5）OP07运算放大器：OP07是常用的低噪声高精度运算放大器，具有极低的输入失调电压，极低的温漂，非常低的输入噪声电压幅度，高的共
10、模抑制比（-126dB）及稳定性好等特点。其输入失调电压为10uV，输入失调电压温漂为0.2uV/，电源电压范围宽，输入阻抗高。可广泛应用于积分电路、精密绝对值电路、比较器及微弱信号精确放大电路。（6）TL431 稳压器件：在小电阻测量时需要10mA 的恒定电流，系统设计采用TL431稳压器件产生稳定的2.5V电压做基准设计出精密恒流源。TL431 是一个有良好的热稳定性的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref（2.5V）到36V范围内的任何值。该器件的典型动态阻抗为0.2_，电压波动差值为正负0.4%，低噪音输出，与其他产品相比，TL431 物美价廉，故采用T
11、L431 作为系统设计的电压基准器件。1.3设计方案论证方案一：锁相放大法，锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或者倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光信号检测的一种有效方法。但原理比较复杂且不易实现，因此本设设计没有采用此种方法。方案二：取样积分法，取样积分法与锁相放大法基本相同，只是取样积分是时域信号的累计平均，可恢复被噪声淹没的信号波形，信号波形重复出理且形状不变。而锁相放大是频域信
12、号的窄带化处理，可得到淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位。两种方法都是弱信号幅值检测的有效方法，只是电路实现比较复杂，才没有采用这两种方法。方案三：滤波器法，滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的，将输入或输出经过过滤而得到纯净的信号。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。本设计采用一个多阶的带通滤波器，中心频率是1KHZ，滤除除有效信号以外的交流信号。用滤波器设计软件设计该滤波器，方便简单，而且还基本可实现题目要求，所以本设计采用滤波器的方法。2.系统实现2.1硬件实现2.1.1系统框图电源正弦波信号源微弱信
13、号检测电路噪声源VS VN VC Vo 纯电阻分压网络显示电路加法器Vi A B C D E 系统框图如图所示。MSP430G2553单片机是本系统的核心器件，负责控制整个系统的正常工作，包括读取MC14433 转换后的结果，LCD1602液晶的驱动与显示等。输入的电压信号可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。电压测量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应的RMS 值。MC14433模块的功能是实现模拟量到数字量的转换，其转换后的数字量由单片机读取并送到显示模块中显示。2.1.2 不同功能单元电路及接口设计（1） 电源硬件电路题目要求系统具有低功耗模式，即在一定的时间内没有操作，系统在单片
14、机的控制下自动切断一部分电路的工作电源。电源管理电路原理图如图3 所示，电池的正极分成两路，第一路是直接接入到SPX1117 的输入端，SPX1117是三端集成稳压芯片，其输出端输出恒定的3.3V，作单片机系统电源。另一路是经过三极管9012可以开关控制，本设计中在系统处于正常工作状态时，单片机控制口输出高电平，9011处于饱和状态，9012的基极电压与地电压相近，9012 饱和，即处于导通状态。9V 叠层电池的正极电压到达78L05 三端集成稳压芯片的输入端，其输出端输出稳定的+5V电压。-5V 由负压电荷泵7660S 产生。当系统处于“低功耗”状态时，单片机控制口输出为低电平。9011 处
15、于截止状态，9012的基极电压为9V ,也处于截止状态，模拟部分电源电压为零。而单片机将一直处于不同模式的工作状态。(2)加法器电路加法器电路是信号的输入端，是对信号最开始的处理。如果此处失真比较大，刚对后续的电路将会产生非常大的影响。因此在加法器电路的前端，用OPA2134做两个缓冲器，对输入加法器的正弦信号和噪声信号进行一级缓冲，隔离信号源和加法电路。加法器电路采用INA2134对正弦信号和噪声信号进行相加，INA2134是双音频差分运算放大器，按照加法电路连接即可很好实现两信号的叠加，并且失真小。电路如下图所示。（3）纯电阻分压网络题目要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。所以该部分
16、电路采用精密电阻对叠加的信号进行100倍的衰减。电路如下图（4）微弱信号检测电路由于信号本身就比较小，又经过衰减网络衰减了100倍，因此在进行信号检测之前先采用OPA2227对微小信号进行了前置放大，OPA2227是双路低噪声高精密的运放，可以精确的对信号进行放大。该前置放大网络将小信号又放大了100倍，以方便后续电路的测量。微弱信号检测电路采用了一个六阶的带通滤波器，中心频率是1KHZ，以滤掉除正弦信号以外的各种噪声信号。微弱信号检测电路的前级庆大电路如下图带通滤波器电路如下图所示（5）显示电路交流电压测量真有效值的转换电路是测量交流电压的关键部分，其设计的好坏直接影响到交流电压信号的测量精
17、度，在本次设计中我们通过比较选择采用AD637来实现交流信号到直流量的转变，电路如图4所示。此电路完成了交流到直流的转换，实验测试时发现对于5000Hz 交流信号转换效果仍良好。我们采用MC14433做为电压的AD转换器，然后AD转换器将测量后的数据交给单片机处现，最后MCU控制LCD显示出所测量的正弦波的幅值。MC14433的电路如下图所示2.1.3 硬件设计注意事项及窍门（1）对于模拟器件和数字器件的电源供给端并上合适的电容。例如运算放大器的电源端都并上一个0.1uF的瓷片电容，起到滤掉高频干扰的作用，使电路工作更加稳定。（2）模拟地与数字地隔离。所有的模拟地连接在一点，所有的数字地也连接
18、在一点，然后再将模拟地与数字地连接到一起，这样做的目的是防止开关的数字干扰信号窜到模拟电路中。2.2软件设计2.2.1软件流程图主程序流程图如下所示开始关闭看门狗初始化液晶中断读数待添加的隐藏文字内容1进入Scan（）液晶显示结束2.2.2 MSP430 相关软件设置目前，支持MSP430的开发调试环境比较多。本程序的设计环境是由IAR 公司提供的开发调试环境：IAR Embeded Workbench 及调试器C-SPY。Embeded Workbench 支持多种单片机，它具有以下特性：支持Windows98/Windows NT/Windows 2000/Windows XP 操作系统；
19、Windows 风格可视化的开发环境；集成所有的工具（编译、连接等），方便使用；支持直观的拖放功能、具有超文本风格的帮助、可以采用Make 进行重新编译、连接。 IAR430 软件的使用非常方便及简单，该软件内部已经集成了下载调试器，只需要进行一些简单的设置即可编译下载。主要有以下的设置：在IAR Embeded Workbench 环境中的主菜单项中的：“projetc”“option”选项中，在“General Option”项中的“Device” 选择“MSP430F148”；Dubugger中的Driver项中选择“FET Debugger”；进入FET Debugger项，在“con
20、nection” 中选择“TexasInstrument LPT-IP”和“parallel port1”两项。2.2.3 编程感想及软件设计注意事项（1）写程序时思路一定要清晰，写程序之前，一定要有先画程序流程图的好习惯。绘制的程序流程图不仅便于程序代码的书写，而且还有利于以后程序的改错及排错。（2）程序设计所用语言是C 语言。在编写函数时一定要注意做到子函数功能的模块化。其函数功能应该内聚性高，耦合小。编程风格力求简炼，程序语句的书写严格按照C 程序语句书写标准。（3）MSP430单片机中断函数中所用变量最好都设为全局变量。3 作品性能测试3.1 测试仪器介绍TDS1002 型60MHZ
21、10GS/s 双通道数字存储示波器，交流信号发生器，数字万用表， DS-1 双通道直流稳压源。3.2 系统测试方法对电路进行分模块测试，每接出一个模块先对一个模块进行测试，以保证整体测试的时候每一个模块都是工作的，若是出了问题，知道哪里的问题，防止不知所措。加法器电路：接通加法器电路之后，用交流信号发生器产生两个不同频率的信号输入加法器，然后用示波器观察加法器输出端的信号，是否是两个信号的叠加，如若不是，检查电路问题所在，直至产生标准的叠加信号。衰减电路：主要是分压电阻的选取，保证加法器出来的信号衰减要求的倍数。小信号检测电路：小信号检测电路也可以分两个模块进行测量，一个是前置放大电路一个是滤
22、波电路，先对前置放大电路进行测试，检查输出的信号是否放大了要求的倍数，然后再将其接入滤波电路，滤除不需要的噪声信号。其次是用示波器检查滤波电路的输出是否将噪声信号有效的滤除掉了。模数转换电路：模数转换和程序一起调试，先调试出数模转换的程序，再将要求测量的信号接入数模转换电路，让单片机进行显示控制。3.3 测试性能概览输入电压（mv）测量电压误差20501001022%2001943%5004843.2%7006881.7%10009782.2%110010841500150817001688200020343.4 误差分析本系统误差主要由模拟电咱、AD真有效值转换、双积分ADC 器件等几个方面
23、所带来的误差。AD 真有效值转换，在误差允许的范围内可以将所测交流电压转换成对应的真有效值，但不可避免地受到环境温度的影响，造成转换时可能引起误差；由于环境温度的改变，在测量电压时，会引起模拟器件不为一个定值，导致所测的电压有所偏差，特别是在测小电压时，鳄鱼夹与被测小电压之间的接触会引起测量的较大误差，双积分ADC 器件与前端处理电路同样受到温度、电磁场、工频干扰的影响，会引起数据的不稳定。参考文献1 李智奇著. MSP430系列低功耗单片机原理与设计. 西安电子科技大学出版社,2008.2 谭浩强著. C 语言程序设计(第三版). 清华大学出版社,2005.3 胡大可著. MSP430 系列超低功耗16 位单片机原理与应用(第三版). 北京航空航天出版社,2006.4 李朝青著. 单片机原理及接口技术. 北京航空航天大学出版社,2005.附件：电路实物图
