2016年陕西省TI杯五校联赛

信号发生器设计报告摘要:基于单片机的信号发生器，由Tiva-C单片机、R-2R电阻树模块、直流偏置模块、乘法型DA模块、BOOST型DC-DC升压模块、功率放大模块和输出短路保护及报警模块组成，运用DDS技术，可输出正弦波、方波和三角波信号，并且信号电压幅度和频率均可程控调整。该系统具有自动短路保护及报警功能。经验证，该系统工作稳定，能够完全达到题目要求的基本功能和扩展功能。关键词：BOOST型DC-DC功率放大器DDS短路保护一、系统方案论证1.1方案比较与选择1.1.1波形产生方案比较与选择方案一：采用专用DDS信号发生芯片。该方案的优点是DDS芯片集成度好且精度高，缺点是价格较为昂贵并且不能直接产生三角波。方案二：基于单片机产生DDS信号。该方案的优点是产生波形易于控制，幅度和频率都可精确控制，缺点是需要单片机速度较快。方案三：文氏桥振荡器。该方案结构简单、成本低，但是难以实现幅度和频率可控。综上所述，这里选择方案二。1.1.2单片机外接DA的选择方案一：使用TLV5618的串行DA。该方案精度好、电路简单，缺点是虽然Tiva-C的SPI有40MHz，每一个数据有16位，在生成10kHz的正弦波时，每周期最多有250个点，但由于Tiva-C进出中断时的固有时间，导致输出正弦在10kHz时波形非常不理想，无法使用。方案二：使用自行搭建的R-2R电阻树。该方案虽然精度较方案一差，但是由于它相当于并行的DA，因此转换速度优于串行DA，易于实现，可以满足题目的要求。综上所述，考虑到本题对波形形状要求对比精度要求高，故选择方案二。1.1.3信号幅度可控方案比较与选择方案一：使用压控增益放大器。该方案可实现精准幅度控制，但缺点是要求增益控制端电压非常精确，而本题中有开关电源，对精度有极大影响，故该方案实现难度较大。方案二：使用乘法型DA进行衰减。使用乘法型DALTC1595对信号幅度进行衰减来实现幅度可控，该方案控制简单、精度高且功耗较小。综上所述，我们选择方案二。1.1.4电源升压方案比较与选择这里由于题目的要求，选择TI公司的开关电源芯片TPS61175将+5V电压升压为+21V。1.1.5输出缓冲器选择由于题目要求，选择TI公司的高压功率运放，OPA551其200毫安的持续驱动能力能满足设计需要。1.1.6短路保护功能方案一：使用继电器关断开关电源的输入。该方案电路简单，但关断时需要继电器上一直有电流，功耗大并且速度不理想。方案二：直接切断单片机的DDS输出。用单片机检测到过流后直接终止信号产生，功率运放将不会再有输出信号，起到了短路保护的功能，该方案没有额外电路，所有功能均在程序中实现，具有精度高、速度快的特点。综上所述，我们选择方案二来实现短路保护功能。1.2系统整体框图系统整体框图如图1所示，开关电源芯片TPS61175将电源电压升压后给运放OPA551供电。Tiva-C控制R-2R电阻树，产生正弦波、方波和三角波信号，三种信号由运放OPA2350进行偏置和幅度的调整，再通过乘法型DALTC1595完成幅度的程控。最后经过高压功率运放OPA551对三种信号进行输出缓冲，以达到题目要求。BOOST型DC-DC功率放大器Tiva-C单片机信号输出声光报警升压放大R-2R电阻树调节偏置和幅度DAOPA2350LTC1595采集短路信号INA228输出端短路短路保护图1系统整体框图二、理论分析与计算2.1程控增益参数计算使用了乘法型DA作为衰减器，将LTC1595与一个6.8kΩ的电阻串联分压，得到的电阻分压公式是06.8**655356.8outsUURN其中R0是乘法型DA的最小电阻即N=65535时，先用65535作为基准值，通过示波器计算R0和Us的值，实测当N=65535时，Uout=1.65V，Us=3.38V,所以R0=7.13kΩ。借由此式，即可推出输出与衰减系数的关系，乘上后级增益后，即可得到所需要的电压。2.2升压电路理论分析升压电路如图2所示，TPS61175基准源为1.229V，由R2，R3阻值关系可以得到输出电压为2out3V1.229*(1)RR图2升压电路2.3信号放大电路理论分析单片机输出信号经调理后，输出最大电压峰峰值约为3.3V，将放大器设置为4倍增益同相放大，可以得到峰峰值大于12V的输出信号，满足题目要求。三、电路与程序设计3.1升压电路设计题目要求在50Ω负载上，最大输出电压Vopp大于12V，故选择R2=390kΩ，R3=27kΩ，则输出电压为Vout=1.229×390/24(V)=21V设计BOOST型DC-DC升压电路如前一节图2所示3.2信号放大电路设计单片机输出信号经调理后幅度较小，需要用放大器将信号进行放大以满足题目中输出信号峰峰值大于12V要求，利用运放OPA551实现信号放大电路如图3所示图3OPA551信号放大电路3.3程序设计系统开机后进入初始化状态，初始化后显示菜单，然后等待按键输入，根据不同的按键执行相应的功能。程序流程图如图4所示开始初始化开始初始化菜单显示监听按键？解析按键处理按键正弦波发生方波发生三角波发生改变幅度改变频率改变幅度改变频率改变幅度改变频率NY图4程序流程图四、测试方案与结果4.1测试仪器测试仪器及型号如表1所示表1测试仪器及型号序号仪器名称型号指标生产厂家数量1数字示波器54622D100MHz200MSa/sAgilent12直流稳压电源SS33233CHSUING13信号发生器F80100uH~80MHzSP14数字万用表UT603三位半UNI—T14.2测试方案4.2.1基本部分测量方案(1)产生信号测量：用示波器测量输出的正弦波、方波和三角波，测量频率，观察波形是否失真。(2)50Ω负载上，输出电压峰峰值测量：在输出端接上50Ω负载，步进调整幅度，测量最大输出电压峰峰值。4.2.2发挥部分测量方案(1)设定频率测量：按键设定输出频率及步进，用示波器测量频率和步进是否正确。(2)输出短路保护测量：将输出端短路，看是否具有短路保护及声光报警功能。4.3测试结果及误差分析4.3.1基本部分测试(1)测试结果表明系统可通过切换输出的正弦波、方波和三角波(2)输出电压幅度及步进分别如表2、表3、表4所示测试条件：频率为1kHz的正弦波表2输出电压幅度及步进（单位：V）显示幅度0.10.20.51.02.05.08.010.012.013.0实测幅度0.100.200.501.041.974.987.949.7511.7012.94测试条件：频率为1kHz的方波表3输出电压幅度及步进（单位：V）显示幅度0.10.20.51.02.05.08.010.012.013.0实测幅度0.100.200.480.991.925.067.759.3011.9413.06测试条件：频率为1kHz的三角波表4输出电压幅度及步进（单位：V）显示幅度0.10.20.51.02.05.08.010.012.013.0实测幅度0.100.200.491.031.954.978.009.6911.5612.90测试结果表明，输出电压幅度可以步进调整，输出信号峰峰值范围是0~16V，满足题目要求。4.3.2发挥部分测试(1)输出频率范围分别如表5、表6、表7所示测试条件：Vpp=5V正弦波表5输出频率范围（单位：kHz）显示频率0.10.5151012131516实测频率0.100.501.005.0010.0012.1013.0715.0416.00测试条件：Vpp=5V方波表6输出频率范围（单位：kHz）显示频率0.10.5151012131516实测频率0.100.501.005.0010.0012.1013.0715.0416.00测试条件：Vpp=5V三角波表7输出频率范围（单位：kHz）显示频率0.10.5151012131516实测频率0.100.501.005.0010.0012.1013.0715.0416.00测试结果表明输出信号频率可以设定，设定频率范围为100Hz~16kHz，达到并超出题目指标要求。(2)将输出端短路，可以看到系统自动切断输出进行短路保护，LED灯亮，蜂鸣器发声。4.3.3误差分析总结误差来源，主要有以下几个方面：1)幅度误差主要来源于幅度增益和R-2R电阻树；2)频率误差主要来源于频率控制字和晶振误差。4.3.4改善误差措施1)使用精确的匹配电阻来构成DA；2)对运放的反馈电阻进行阻值调整来使幅度达到要求；3)配合示波器微调频率控制字使输出频率达到设计要求。五、总结经过两天一夜的奋斗，我们团队完成了本题的实物制作。经测试，本系统完成了所有基本部分及发挥部分的要求。