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1、 摘 要本系统是基于MSP430单片机控制的受控正弦信号发生器，首先将电阻箱接入到电流传送部分，然后用长度大于1m的导线连接到电流接收部分，再用A/D采集。最后通过DDS合成技术，设计制作了一个步进值能随电阻箱调节的多功能信号源。可以充分利用单片机的运算和控制功能，使该信号源在1000kHz2000kHz范围内，输出稳定可调的正弦波。系统用带中文字库的液晶实时显示电阻和频率使系统更加智能化。关键词 受控，正弦信号， DDS，MSP430ABSTRACTThe system is based on the MSP430 MCU controlled sinusoidal signal gener
2、ator, designed by DDS synthesis of a stepper with adjustable resistance value to adjust the multi-source, can take advantage of microcontroller operation and control functions, the signal source in the range of 1MHz 2MHz sine wave can be adjustable output stability. System with Chinese font LCD with
3、 real-time display resistance and voltage, making the system more humane.Keywords Controlled, Sinusoidal signal, DDS,MSP430目 录摘 要IIABSTRACT2目 录31 前言12 总体方案设计22.1 方案一22.2 方案二22.3 方案选择33 硬件单元模块设计43.1 单元模块功能介绍43.1.1 电源部分设计43.1.2 按键和显示部分设计53.1.3 AD9835模块部分设计63.1.4 MSP430单片机A/D模块部分73.1.5电流变送器XTR10583.1.6
4、 电流接收器RCV42093.1.7 滤波电路和放大电路103.2 发挥部分电路改进设计113.2.1 电流发送部分电路113.2.2 电流接收部分电路113.3 特殊器件介绍123.4 各单元模块连接及其实现原理133.4.1系统模块连接图133.4.2信号采集与变送原理133.4.3正弦波的产生原理154 软件模块设计164.1键盘部分164.2液晶部分164.3 AD9835编程164.3 系统软件流程图175 系统功能175.1 基本功能175.2 提升功能186 系统测试186.1测试仪器186.1.1测试示波器介绍186.2 数据测试185 设计总结20附录：211 前言为了使电阻
5、变化信号传送到更远距离，我们采用了420mA的电流环传输技术，这样能有效的避开相关噪声的影响，使信号传输到更远。最后将接收到的电流信号转换成电压信号，并用A/D采集到单片机来控制波形发生器的输出频率。本设计使用的功能强大的MSP430单片机构成的系统控制部分，加上LCD显示器，并在LCD上显示电阻、频率。随着大规模集成技术和数模混合信号集成技术的发展，单片集成的DDS芯片纷纷出现。正弦信号发生器在电路调试、自动控制系统设计和教学实验等领域有广泛用途。直接数字频率合成(DDS)是从相位概念出发，直接合成所需要波形的一种新的频率合成技术，采用该技术可以按要求得到不同频率的正弦波，且具有精度高、稳定
6、性好、频率和波形容易控制等优点。本文采用集成DDS芯片AD9835作为正弦信号产生模块，配合单片机实时跟随可变电阻电阻变化产生在1000kHz2000kHz之间变化的正弦波。2 总体方案设计2.1 方案一该方案是通过一个自制的电源给系统供电。可调电阻经过二线式电流变送器，把电阻变化量，转变成电流变化量并传送出去，电流接收器将接收到的电流信号转换为电压信号。然后通过MSP430内部A/D对电压信号进行采集。单片机获取到信号后，将电压A/D转换后的值处理成实际电压，同时利用MSP430强大定时器功能产生SPWM,，然后在SPWM输出加虑波器和变换装置后，使输出信号变为正弦波。系统方框图 如图2.1
7、精密电阻箱电流变送器电流接收器MSP 430芯片LCD显示SPWM波形处理正弦波及其处理部分A/D键盘输入定时器图2.1 方案一 系统方框图2.2 方案二该方案也是通过一个自制电源给系统供电。精密电阻信号经过电流变送器传递出去，电流变送器输出电流大小跟随电阻变化而变化，把这个变化的信号通过电流接收器接收，再送入MSP430内部A/D转换模块，转换后送入MSP430内核中处理，再将处理结果分别送入LCD显示模块和AD9835控制部分，单片机分析了A/D数据后计算出电阻然后根据电阻的大小发送相应的AD9835频率控制信号。系统方框图 图2.2精密电阻箱电流变送器MSP 430芯片LCD显示AD98
8、35正弦波及其处理部分A/D电流接收器键盘输入图2.2 方案二 系统方框图2.3 方案选择方案一和方案二比较，方案一直接使用MSP430内部资源A/D模块，定时器模块等产生正弦波，控制方便，节约成本。而方案二是利用DDS信号产生芯片，能直接产生正弦波，由MSP430控制其产生的波形和频率。两个方案的不同之处就在于方案二使用了专业波形发生芯片。相比之下方案二更加优越。我们在实际测试中发现，由定时器产生的PWM变换后的正弦波不稳定，而且要达到在1000kHz2000kHz之间变化，有些困难。致使结果不好，误差较大。方案二很好的克服了以上缺陷。方案二，使用AD9835芯片，很容易产生标准的正弦波。而
9、且频率可以在很大范围内精确控制。所以我们选择方案二进行实施。3 硬件单元模块设计3.1 单元模块功能介绍3.1.1 电源部分设计该电源提供稳定的直流电源+5V、-5V、+12V、-12V、+3.3V。如图3.1.1 图3.1.1 电源电路 正负12V电源为电流变送器供电，正3.3V为MSP430单片机供电，5V为其他器件供电。该电源主要通过整流、滤波和稳压三部分构成，部分功能如下：桥式整流电路：图3.1.1(a) 整流电路电容滤波电路的特点：（1）电流的有效值和平均值的关系与波形有关，在平均值相同的情况下，波形越尖，有效值越大。在纯电阻负载时，变压器副边的有效值I2=1.11IL，而有电容滤波
10、时I2=（1.52）IL。（2）负载平均电压VL升高，纹波（交流成分）减小，且RLC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。为了得到平滑的负载电压，一般取RL*C（35）T/2（式中T为电源交流电压的周期）。（3）负载直流电压随负载电流增加而减小。VL随IL的变化关系称为输出特性或外特性。 电容滤波电路简单，负载直流电压VL较高，纹波也较小，它的缺点是输出特性较差，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合。3.1.2 按键和显示部分设计图3.1.2按键和显示为了能提供良好的使用界面，我们选用了带中文字库的12864液晶显示。键盘为44的矩阵键盘，方便扩展其它功能。L
11、CD主要显示电阻和频率值以及当前工作模式。键盘用于模式选择和频率输入。3.1.3 AD9835模块部分设计图3.1.3 AD9835电路主要技术指标：1. 5V电源 2. 50 MHz时钟速度 3. 片内余弦查找表 4. 片内10位DAC 5. 串行加载 6. 省电选项 7. 功耗：200 mW AD9835在CMOS单芯片上集成了一个采用相位累加器的数字控制振荡器、一个余弦查找表和一个10位数模转换器，并提供相位调制和频率调制能力。该器件支持最高50 MHz时钟速率。频率精度可以控制在四十亿分之一。通过串行接口加载寄存器可实现调制。不使用AD9835时，可以用省电位关断，此时功耗降至1.75
12、 mW。 3.1.4 MSP430单片机A/D模块部分图3.1.4 MSP430 A/D转换结构图主要技术指标：ADC12模块中是由以下部分组成：输入的16路模拟开关(外部8路，内部4路)，ADC内部电压参考源，ADC12内核，ADC时钟源部分，采集与保持/触发源部分，ADC数据输出部分，ADC控制寄存器等组成。四种采样模式：(1)单通道单次转换模式(2)序列通道单次转换模式(3)单通道多次转换模式(4)序列通道多次转换模式3.1.5电流变送器XTR105图3.1.5电流变送器XTR105电路主要技术指标：(1)满量程输入范围5mV1V(2)激励源输出两路0.8mA电流源(3)输出电流Io/m
13、A 420(4)环路电源Us/V 7.336主要特点带2线制或3线制铂电阻接口，能实现温度/电流转换3.1.6 电流接收器RCV420图3.1.6电流接收器RCV420电路RCV420是精密电流环接收器芯片，用于将4-20mA输入信号转换成为05V输出信号，具有很高的性能价格比。它包含一个高级运算放大器、一个片内精密电阻网络和一个精密10V电压基准。其总转换精度为0.1，共模抑制比CMR达86dB，共模输入范围达40V。RCV420在满量程时的电压下降仅为1.5V，在环路中串有其他仪表负载，或者在对变送器电压有严格限制的应用场合非常有用。10V电压基准提供了一个典型温漂为5ppm/的精密10V
14、输出。RCV420无需其它外围器件辅助，就能实现诸多功能。增益、偏置和CMR无需调节，较之由分立器件设计的印制板电路，RCV420具有更低的开发成本、制造成本和现场维护费用。3.1.7 滤波电路和放大电路图3.1.7滤波及放大电路滤波电路采用OPA404二阶有源滤波，放大电路采用 AD828。在实际测试中这个电路能有效滤出1000kHz到2000kHz的正弦波中的杂波，而且放大部分能使输出峰峰值能达到6V以上，完全能达到题目要求。图3.1.7（1）滤波及放大电路仿真图3.2 发挥部分电路改进设计3.2.1 电流发送部分电路图3.2.1电流发送部分改进电路在实际测试中用电阻箱代替图3.2.1的滑
15、动变阻器A，通过调节R1和R5分别为图中数值时，当电阻箱为1k时输出4mA的电流，当电阻箱为2k时输出20mA电流。经过这一步过后电流发送部分电流就调整好了。3.2.2 电流接收部分电路图3.2.2电流接收改进电路3.3 特殊器件介绍（1）MSP430单片机MSP430的性能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)。称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。 MSP430特点：MSP430 系列单片机
16、的迅速发展和应用范围的不断扩大，主要取决于以下的特点。 强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125ns 。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。 首先，MSP430系列单片机的电源电压采用的是1.83.6V电压。因而可使其在1MHz的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200400uA左右，时钟关断模
17、式的最低功耗只有0.1uA。丰富的片上外围模块MSP430系列单片机的各成员都集成了较丰富的片内外设。它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、IIC总线直接数据存取（DMA）、端口16（P1P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块的不同组合。其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出A/D转换器；16位定时器（Timer_A和Timer_B）具有捕获/比较功能，大量的捕获/比较寄存器，可用于事件计
18、数、时序发生、SPWM等； MSP430系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。MSP430的内部结构图3.4 各单元模块连接及其实现原理3.4.1系统模块连接图精密电阻箱电流变送器MSP 430芯片LCD显示AD9835正弦波及其处理部分A/D电流接收器键盘输入图3.4.1 系统总结构图精密电阻箱变化经过电流变送器后转换成电流变化，然后电流接收器接收电流信号后转换成电压信号。单片机采集电流接收器的电压信号好送入单片机处理，单片机分析数据后，计算出电阻后，使AD9835输出对应的正弦波频率。同时LCD显示相应频率值。3.4.2信号采集与变送原理基础部分XTR105和RCV
19、420组成的信号采集器原理图如图4所示：图3.4.2 XTR105和RCV420连接图精密变阻器也有固有的非线性。外加一个或两个外部电阻LIN和LIN，就可能弥补这些非线性，而得到在未补偿输出上40：1的线性改善。带线性化的2线RTD连接。电阻RLIN1提供正反馈并控制线性修正。RLIN1根据想要的阻值进行选择。本题要求测量1000W2000W的电阻变化，根据要求可以计算出以下参数：=1000W=2000W基本的参数确定后，就可以确定一个被测电阻与电流信号相对应的线性关系，如下：而电流信号又与被测的电压信号产生和一个对应的线性关系，如下：通过参数的调整，使得单片机最后接受到的电压范围是03.3
20、3V。 MSP430F49内部集成了一个12位A/D转换器，所以，最大分辨率为。所以最大的电压分辨率为：对应的电阻的分辨率为：3.4.3 DDS正弦波的产生原理（1）DDS的原理DDS的工作过程为:1).将存于数表中的数字波形,经数模转换器D/A,形成模拟量波形2).两种方法可以改变输出信号的频率a、改变查表寻址的时钟CLOCK的频率, 可以改变输出波形的频率b、改变寻址的步长来改变输出信号的频率.DDS即采用此法。步长即为对数字波形查表的相位增量，由累加器对相位增量进行累加，累加器的值作为查表地址。3) D/A输出的阶梯形波形，经低通(带通)滤波，成为质量符合需要的模拟波形(2)任意频率合成
21、及数字调频、调相设计AD9835内部有两个32位的频率寄存器，这种结构使AD9835在通信调制中得到了广泛的运用。在相应控制器的控制下，用户可以根据需要通过控制器接口输入相应的频率控制字，单片机通过串行方式将频率控制字加载到AD9835的两个频率控制字中，其输出频率如式（3-4-3）所示： (3-4-3) 用户可以根据需要随意设定两个频率寄存器的数值，在进行2FSK调制时，数字调制信号通过FSELECT管脚输入，从而选择当前输出的频率信号的频率寄存器，四个相位寄存器还可以设置两频率信号的相位，通过相位累加实现两个不同频率信号的输出，实现数字调频。 AD9835内部拥有4个12位的相位寄存器，在
22、单片机的控制下，通过串行方式可以加载12位相位寄存器的值，调制信号通过两个相位寄存器选择管脚PSEL0和PSEL1，选择当前输出信号的相位偏移度，输出以当前选择的频率寄存器所决定的频率值为输出信号频率，当前选择的相位寄存器所决定的相位偏移为输出相位偏移的已调信号，从而实现数字信号的相位调制。4 软件模块设计4.1键盘部分 键盘程序使用循环扫描检测；担忧按键按下时经过消除抖动后，在计算出相应在实际键盘位置与软件数据对应关系。本程序涉及到两种模式的选择，一是基础模式，二是发挥模式。经过键盘左下角两个按键选择切换。4.2液晶部分 为了使显示效果更好，我们采用了带中文字库的12864液晶，这样可以同时
23、显示更多的数据，比如我们现在显示了，电流接收器的输出电压，电阻值和频率值等。在程序部分首先初始化液晶，并显示初始数据部分，然后根据实时数据对应显示到液晶上，让人们能直观的看到系统运行情况。4.3 AD9835编程由于AD9835是串行传输，对AD9835进行编程必须严格按照数据传输时序，和精确掌握AD9835的控制字。实际测试中发现，不能对AD9835频繁的写控制字，过于频繁时会使AD9835出现输出波形不稳定。为了解决上面的问题，我们在模式一时软件编程时采用了，跳变检测法，当电阻从1500上下发生跳变时才相应的更新AD9835的控制字。在模式二时采用了，标志延时写AD9835的控制字。图4.
24、3 调频、调相控制流程4.3 系统软件流程图开始关看门狗单片机工作频率设置模块初始化 模式选择 发挥模式 基础模式计算当前电阻R1500 否 是输出1000kHz频率计算输出频率不输出波形AD9835执行5 系统功能5.1 基本功能基本功能：受控正弦信号发生器通过软件实现频率智能跟随电阻变化并显示。可以通过键盘选择模式一和模式二，模式一为基本部分，当电阻大于1500时输出1000kHz的正弦波，当电阻不大于1500时，不输出频率，波形发生器停止工作；模式二，输出频率将跟随精密电阻的电阻变化而变化，输出相应的频率。5.2 提升功能在自我发挥部分我们设计了在基础模式下可以自行用4 x 4键盘选择当
25、电阻大于1500输出正波形的频率，默认输出1000kHz。而且我们实时显示出了电流接收部分的输出电压，以方便了解电流接收部分的工作状态。6 系统测试6.1测试仪器6.1.1测试示波器介绍DS1000E示波器是一款高性能指标、经济型的数字示波器，广泛应用于教育培训、产线测试和企业科研等各个领域。产品特性1. 提供2个模拟通道，最高100MHz带宽，1 GSa/s实时采样率及25GSa/s等效采样率；2. 5.6英寸QVGA（320240），64k色TFT彩色液晶显示屏3. 1Mpts存储深度4. 边沿、脉宽、斜率、视频、交替触发功能 6.1.2 TH2818型自动元件分析仪TH2818型自动元件
26、分析仪是一种精度高、测试范围宽、6位测试分辨率的阻抗测量仪器，高达300kHz的测试频率,以0.01Hz步进任意编程、5mV2V信号电平及直流内偏置电压, 并能提供变压器测试能力及元件频率响应分析能力，可满足生产线质量保证、进货检验及实验室高精确度测量要求。仪器所提供的HANDLER、GPIB、RS232C接口为仪器使用于元件自动分选系统、与计算机通讯及测试过程记录提供了条件。6.2 数据测试 6.2.1基础部分数据测试通过键盘选择基础模式，使变阻箱分别调到表格中的值并用TH2818验证电阻准确度，把输出接到DS1000E数字示波器上，分别读出显示值和测量值，得出以下参数：表6.2.1测试数据
27、设定电阻（W）显示电阻（W）环路电流（mA）测得频率（kHz）100010034.06无125012518.02无1500149811.97149991800179816.721499.92000199419.931499.9由表6.2.1的数据可以看出，基础部分的要求我们已经满足。观察示波器发现波形没有明显失真。6.2.2发挥模式数据测试通过键盘选择发挥模式，得到数据如下表：表6.2.2部分测试数据设定电阻（W）显示电阻（W）显示频率（kHz）测得频率（kHz）100010031002.81002.5125012491248.51249.0150014991499.91499.8180017
28、971796.81795.5200019961993.91990.7把输出端接上50W的负载电阻，从数字示波器上读出Vopp =5.95V，基本达到设计要求。示波器的波形较平滑，无明显失真。根据贝塞尔公式计算：1000W时1250W时1500W时1800W时2000W时根据非线性度计算公式为：非线性度最大误差(满度零度)100%非线性度为=0.4%从表6.2.2和上面计算可以看出，系统基本上稳定但还有待继续提高精度。5 设计总结通过几天的共同努力我们完成了基础部分的功能，和发挥部分的功能。通过键盘选择基础模式后。当电阻箱电阻变化经过电流传送和接收部分后提供给单片机处理。当电阻大于1500输出固
29、定频率1000kHz，当小于1500时波形发生器停止工作。发挥部分我们采用了其它电路代替XTR105和RCV420芯片。经过测试发挥部分的功能能基本完成。当电阻在1000和2000之间变化时输出正弦波频率能跟随电阻在1000kHz到2000kHz内变化。在波形输出端加了我们设计的滤波和放大电路能有效排除干扰，使波形无明显失真，在50W负载电阻上的电压峰峰值Vopp 5V 。最后我们还对基础部分的功能进行了改进，当电阻大于1500默认输出固定频率为1000kHz，我们还可以用键盘设定输出固定频率的值。参考文献1 王超.模拟电路.安徽大学出版社.20052 沈建华.MSP430系列16位超低功耗单
30、片机实践与系统设计.清华大学出版社.20053 秦龙.MSP430 单片机C语言应用程序设计实例精讲.电子工业出版社.20064 何希才.稳压电源电路的设计与应用.中国电力出版社.2005附录：/*-2010四川省电子竞赛受控正弦信号发生器使用程序- 包含：1.LCD12864显示程序 2.键盘输入程序 3.ADC12采集程序 4.AD9835波形产生程序*/#include msp430x14x.h#include key.h/键盘，循环扫描#include AD9835.h#include lcd12864.h/LCD12864并行#define Num_of_Results 32char
31、 AD9835_OK01=0;/检测调变标志char AD9835_OK00=0;char lrj11=0;/检测调变标志char lrj22=0;unsigned int ad9=0;unsigned int ad1=0;unsigned char shuzi = 0123456789.;unsigned char dianya = 电压值;unsigned char dianya_danwei = V;unsigned char dianzu = 电阻值;unsigned char dianzu_danwei = ;unsigned char pinglv = 频率;unsigned ch
32、ar pinglv_danwei = K;unsigned char yi = 一;unsigned char er = 二;unsigned char xuan = 选;unsigned char space = ;unsigned char chu1 = 1 ;unsigned char chu2 = 5 ;unsigned char chu3 = 0 ;unsigned char chu4 = 0 ;unsigned int resultsNum_of_Results; / AD转换结果uchar lrj1=2010电子竞赛;void Trans_val(uint Hex_Val) un
33、signed long caltmp; unsigned long rr; unsigned long Curr_Volt; uchar r4; uchar t1,i; uchar ptr4; caltmp = Hex_Val; caltmp = (caltmp 5) + Hex_Val; /caltmp = Hex_Val * 33 caltmp = (caltmp 3) + (caltmp 12; /Curr_Volt = caltmp / 2n ptr0 = Curr_Volt / 100; /Hex-Dec? t1 = Curr_Volt - (ptr0 * 100); ptr2 =
34、t1 / 10; ptr3 = t1 - (ptr2 * 10); ptr1 = 10; /显示小数点 rr=100000+303*Curr_Volt; r0=rr/100000; r1=(rr%100000)/10000; r2=(rr%10000)/1000; r3=(rr%1000)/100; for(i = 0;i 150000) if(ad9=0) AD9835_OK00=1; ad9=1; else if(ad9=1) AD9835_OK01=1; ad9=0; XIE_HZ(0X9B,1,chu1);/频率显示1500KHZ XIE_HZ(0X9c,1,chu2);/频率显示 X
35、IE_HZ(0X9d,1,chu3);/频率显示 XIE_HZ(0X9e,1,chu4);/频率显示 else if(rr150000) AD9835_WORK(); else if(rr150001) AD9835_STOP(); lrj22=0; if(lrj22=1) if(ad1=100) freq3=r0; freq2=r1; freq1=r2; freq0=r3; AD9835_WORK(); for(i = 0;i 0;t-); while(IFG1&OFIFG)!=0);BCSCTL1=0X77 ;/ 采用4MHZ外部时钟，0分频 BCSCTL2=0X88;/P5DIR |=0
36、X10;/P5.4 输出SMCLK系统时钟P5SEL |=0X10;/-初始化函数- LCD12864_INIT(); KEY_INIT(); AD9835_INIT(); /-初始化显示部分- XIE_HZ(0x80,6,lrj1);/标题 XIE_HZ(0X90,3,dianya); /电压值 XIE_HZ(0x97,1,dianya_danwei); /单位V XIE_HZ(0X88,3,dianzu); /电阻值 XIE_HZ(0x8f,1,dianzu_danwei); /电阻单位欧 XIE_HZ(0X98,3,pinglv); /频率 XIE_HZ(0x9F,1,pinglv_da
37、nwei); /单位kHz XIE_HZ(0x87,1,xuan); /-A/D设置部分- ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_8+MSC; / 打开ADC 设置采样时间 ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_2; / 使用采用定时器 ADC12IE = 0x01; / 使能P6.0AD中断 ADC12CTL0 |= ENC; / 开AD ADC12CTL0 |= ADC12SC; / 开始转换 _EINT();/允许中断/AD9835_WORK(); while(1) KEY_VALUE(); if(key_Flag = 1) key_Flag = 0; if(key_
38、val=13) lrj11=1;/初级部分 lrj22=0; XIE_HZ(0x87,1,yi); P5OUT |=0X80; if(key_val=14) lrj22=1;/提升部分 lrj11=0; XIE_HZ(0x87,1,er); P5OUT &=0X7F; /-A/D中断部分- #pragma vector=ADC_VECTOR_interrupt void ADC12ISR (void) static uint index = 0; resultsindex+ = ADC12MEM0; / Move results if(index = Num_of_Results) uchar i;
