2015年陕西工科五校联赛-信号发生器设计报告

2015年陕西工科五校（TI）杯校际联赛设计报告参赛题目：数字信号发生器参赛单位：空军工程大学信息与导航学院参赛编号：空工26成员：袁延鑫、王振昊、刘桐彤指导老师：王延伟MSP430控制的基于DDS的信号发生器摘要：本设计是一款基于MSP430F5529单片机控制的信号发生器。通过MSP430F5529的单片机控制DDS产生波形信号，后经运算放大器OPA551对信号实现功率放大，驱动负载。按键控制单片机MSP430F5529输出的频率和幅度的变化，并输出到LCD显示屏。该信号发生器结构简单，成本经济，满足题目要求。关键词：DDS功率放大器DC-DC升压转换器数字电位器1方案论证与比较该系统的硬件模块包括：微处理器控制单元、DDS波形产生单元、功率放大单元、电源转换单元。系统总体设计框图如图1所示：MSP430(MCU)DDS功率放大器DC-DC升压转换器数字电位器LCD显示屏按键输入5V电源输入图1该套电路以MSP430F5529的单片机为控制核心，控制DDS产生要求波形信号，经运算放大器OPA551对信号进行功率放大，驱动负载，并输出到LCD显示屏。其中单片机根据输入的信息控制波形信号的形状和频率、功率放大器的增益及LCD屏幕的显示。DDS进行分析计算产生数字信号在经过DA转化产生模拟信号。功率放大器按照由数字电位器确定的增益对初始信号进行功率放大。电源转换电路把5V的输入电压转化成13-16V的高电压供给运算放大器供电。1.1DDS芯片的选择方案一：选用AD9850，该芯片最大工作频率是125MHz，工作电压3.3-5V,最大功耗480mw。方案二：选用AD9833，该芯片最大工作频率是25MHz，工作电压2.5-5.5V,最大功耗20mw。方案三：选用AD9858，该芯片最大工作频率是1000MHz，工作电压3.3V,最大功耗2000mw。根据本题要求，信号频率要求为1KHz，考虑发挥部分，频率最大不超过10KHz，方案二的AD9833满足题目要求且功耗低、结构简单且成本经济，故选择AF9833。1.2功率放大器的选择方案一：采用B类模拟功率放大器，这种放大器的特点是管子功耗低，工作效率较高(78%)。但是因放大器有一段工作在非线性区域内，故其缺点是交越失真较大。方案二：采用OPA551运算放大器，供电电源范围大，电流高，低噪声，输出功率大，工作带宽大等一系列优点。综合考虑以上原因，最终我们选定方案二。1.3数字电位器的选择方案一：选用AD8402，该芯片是一种两通道的RDAC。AD8402通过标准的三线串行SPI接口与微处理器或其它数字电路相连不需要专门的I／O和接口连接逻辑，并且可以用软件方式控制滑动臂的位置控制阻值，但在附近较大干扰源启动时数字电位器AD8402较易受到干扰方案二：选用X9110，该芯片具有1024个电阻抽头，10位分辨率。通过电位器写读传输操作的SPI串行接口与微处理器相连，可以对滑动端的多个位置进行非易失性存储。X9110具有有耐冲击、抗振动、噪音小、使用寿命长等优点，故选择X9110。2功能电路分析与设计2.1DDS信号产生电路AD9833是ADI公司的一款低功耗的DDS器件，能够输出正弦波、三角波、方波。其工作原理如图2所示图2AD9833的输出频率和相位通过软件编程设置，易于调节。我们在ROM存放一个周期正弦波幅值和相位中，通过SIN-ROM查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅值的数字量信号，驱动D／A转换器输出正弦信号，如果输出三角波只需控制积分电路对正弦信号进行积分，如果输出方波信号只需控制一个D触发器产生方波。电路原理如图3所示：图3相位累加器(N位)波形存储器（N位）D/A转换器低通滤波器fsfs频率控制字K2.2功率放大电路OPA551是高压大电流运算放大器，利用此芯片搭成功率放大电路，电路图如图4所示：VCC1.5KΩ50Ω数字电位器1000μF800Ω1000μF0.1μF2200μF1.5KΩ2200μFOPA551图4数字电位器最大阻值为100KΩ,要达到要求电压输出，要保证增益，故选择R3为800Ω，R1、R2如果选择值太大，充放电时间慢，输出大信号时效果不好。选择R1、R2均为1.5KΩ。如果滤波电容小，输出矩形波是电压不稳定，因此选择电容C0、C1均选择2200μF。经测试符合标准。2.3数字电位器电路X9110将一个单数控电位器(XDCP)集成在一个单片CMOS集成电路中，数控电位器由包含1023个电阻单元的电阻阵列构成，在每个电阻单元之间有通过开关连接到滑动端的抽头，点阵列中滑动端的位置由用户通过SPI总线接口控制电位器，还相应地配有一个易失性滑动端计数寄存器WCR和四个非易失性的数据寄存器，这些数据寄存器可由用户直接读出或写入，滑动端计数寄存器WCR的内容通过开关控制电阻阵列中滑动端的位置上电时可将默认数据寄存器DR0的内容重新调用至滑动端计数寄存器WCR中。XDCP可用作三终端的电位器或两终端的可变电阻应用范围广泛包括控制参数调整和信号处理实现电压步进值为100mV。经测试，达到题目要求。其电路如图5所示：图52.4DC-DC升压转换电路TPS61175是一款单片开关稳压器，带有集成3A/40V电源开关。我们用这个芯片配置成DC-DC升压转换器。电路如图6所示：图6TPS61175使用电流模式脉宽调制控制来调节输出电压。PWM的开关频率由外部电阻设定，考虑到如果开关频率过高，芯片能耗增大，设定开关频率为500KHz，通过查手册表确定电阻R4为200k，为消除输电压过冲，并降低峰值电感电流查手册得C3为47nF。考虑到泄漏电流通过电阻分压器和噪声的去耦FB引脚，R2的最佳值是10k左右，而1211301.229VoutRRk。经测试符合标准。SW1SW2VIN3EN4SS5Syn6AGND7COMP8FB9FREQ10NC11PGND12PGND13PGND14u1TPS611751234P1Header41234P2Header4D1DZenerR1R2R3R4L1C2104100nFC3C4C5470uFGNDC11000uFC61043系统软件设计3.1软件设计思想本系统通过MSP430F5529单片机把按键输入信号经过计算分别给DDS和数字电位器发送控制信号，产生信号波形并放大，并通过控制LCD显示波形。4系统测试4.1测试仪器及型号直流稳压电源数字示波器函数信号发生器万用表4.2测试数据⑴信号频率从100Hz开始到500Hz产生的波形频率目的频率(Hz)100200300400500实测频率(Hz)100200300400500⑵信号频率从1KHz开始到10KHz产生的波形频率目的频率(KHz)12345678910实测频率(KHz)12345678910⑶以正弦波信号频率信号为例分析系统性能信号形状最大电压幅值最小电压幅值电压步进间隔频率间隔最大频率值最小频率值正弦波15.2v0．6v10020mv100Hz10KHz100Hz⑷输出波形如图6、图7、图8所示，可以看到输出正弦波、方波、三角波频率为1000Hz,波形无明显失真，输出电压均大于12V。图6图7图8⑸当输出电压减小到600mv左右时，MCU启动短路保护电路，控制蜂鸣器报警，二极管发光。参考文献[1]Datasheet:MSP430F5529、AD9833、TPS61175、OPA551、X9100等[2]胡大可编著《MSP430系列FLASH型超低功耗16位单片机》北京航空航天大学出版社ISBN：7-81077-096-92001年11月[3]胡大可编著《MSP430系列单片机C语言程序设计与开发》北京航空航天大学出版社ISBN：7-81077-245-72003年1月