基于MSP430实现的简易信号发生器及源程序

MSP430G2系列Launchpad开发板应用实例作品基于MSP430G2211实现的简易信号发生器第二章作品硬件系统设计第一节MSP430G2系列Launchpad开发板介绍TI的MSP430G2系列Launchpad开发板是一款适用于TI最新MSP430G2xx系列产品的完整开发解决方案。其基于USB的集成型仿真器可提供为全系列MSP430G2xx器件开发应用所必需的所有软、硬件。LaunchPad具有集成的DIP目标插座，可支持多达20个引脚，从而使MSP430ValueLine器件能够简便地插入LaunchPad电路板中。此外，其还可提供板上Flash仿真工具，以直接连接至PC轻松进行编程、调试和评估。此外，它还提供了从MSP430G2xx器件到主机PC或相连目标板的9600波特UART串行连接。其实物图如图2.1所示。图2.1MSP430G2系列Launchpad开发板实物图MSP430G2系列Launchpad开发板的特性：USB调试与编程接口无需驱动即可安装使用，且具备高达9600波特的UART串行通信速度支持所有采用PDIP14或PDIP20封装的MSP430G2xx和MSP430F20xx器件分别连接至绿光和红光LED的两个通用数字I/O引脚可提供视觉反馈两个按钮可实现用户反馈和芯片复位器件引脚可通过插座引出，既可以方便的用于调试，也可用来添加定制的扩展板高质量的20引脚DIP插座，可轻松简便地插入目标器件或将其移除本作品中所使用的MSP430G2211单片机的资源和功能：16位RISC指令集处理器128字节RAM(数据)+2K字节Flash存储器（代码）一个16位TA定时器内置数控振荡器（DCO），最高频率可达21MHz9个双向I/O口，每个I/O口都可以作为中断源自带BOR检测电路，能自动避开上电瞬间的毛刺并产生可靠的复位信号内置低功耗低频振荡器（VLO）可通过软件配置的8通道比较器第二节方案论证、比较与选择方案一：控制部分由MSP430G2211实现，波形产生采用低温漂、低失真、高线性单片压控函数发生器（如ICL8038、MAX038等）。它们可同时产生频率可控可变的三角波、正弦波、脉冲波等。用D/A转换器的输出来改变调节电压，也可以实现频率的数控调整。优缺点：方法简单易行，采用单片专用芯片，系统体积大大减小。但由于压控的非线性，频率步进的步长控制困难。而且整个设计中MSP430G2211仅仅完成简单的控制功能，资源得不到充分的利用。方案二：控制部分由MSP430G2211实现，波形产生部分使用FPGA或CPLD芯片采用波形查找表结合高速的DAC产生。优缺点：此方案自由度大，符合现在的发展趋势。但是，FPGA或CPLD芯片价格相对比较高，加上高速的DAC芯片，使设计成本大大提高。而且整个设计中MSP430G2211仅仅完成简单的控制功能，资源得不到充分的利用。方案三：由MSP430G2211实现对专门的DDS芯片（如AD9850、AD9833）的控制，来产生各种波形。优缺点：利用此方案产生波形的频率稳定度高，易于程控。但是，专门的DDS芯片价格高，系统成本高。方案四：由MSP430G2211结合低通滤波器电路来模拟实现DDS芯片的功能，进而产生各种波形。优缺点：利用此方案可以充分利用MSP430G2211上资源，使系统成本大大降低。但是此方案只能产生低频率的波形。综上，方案四可以充分利用MSP430G2211的资源，外围电路简单、系统成本低，可以满足简易信号发生器的要求。所以本作品最终采用方案四。第三节主要模块电路（1）电源模块本作品中总共使用了三种电源：5V、3.6V、-5V。其中3.6V的产生是在1117-3.3的参考端加了一个二极管1N5819。由于1N5819的导通电压大约为0.3V，可将1117-3.3的输出电压太高0.3V，变为3.6V。-5V由负压产生芯片ICL7660产生。电源模块电路如图2.2所示。C110uf/10vVin31Vout2GNDU1TLV1117-33CDCYC210uf/10v123J25VDC_JKR13K35VDCGNDD2LED_R+3.6VD1IN4007+5VBOOST1CAP+2GND3CAP-4VOUT5LV6OSC7V+8U210uFC310uFC6+5V-5VD7581910uFC14GNDS1SW-SPDT图2.2电源模块电路（2）滤波电路模块滤波电路模块主要有低通滤波器和高通滤波器（隔直电路）组成。前面的R15、R16、R17、C10、C11和C12组成三阶低通滤波器。3dB点为600Hz，可以有效的将信号中的高频成分滤除。高通滤波器电路。C9和R19组成高通滤波电路，3dB点为362mHz，可以将信号中的直流成分有效的滤除。滤波电路如图2.3所示。200R15200R17200R16105C12105C11105C10GNDSignalOut2kR19220ufC9图2.3滤波电路模块（3）幅度调节及信号输出模块幅度调节电路是由运算放大器LM358和一些电阻电容组成的反相放大电路。其中R10是精密可调电位器，方便用户对信号的幅度进行调节。信号输出电路有一个50Ω的电阻和SMA头组成。50Ω的电阻可以保证整个信号发生器的输出阻抗为50Ω。信号幅度调节和输出部分电路如图2.4所示。50R18P7SMAGND10K1122R10+5V-5V814321U3ALM358AD2kR21104C8104C13GNDGND2kR14图2.4信号幅度调节和输出电路（4）菜单按键和指示模块作品设计了四个菜单按键，如下图所示。各自的功能见表2.1。按键S3S4S5S6功能信号输出使能键频率-频率+信号选择键表2.1菜单按键功能系统开机启动后，默认输出的波形是10Hz的正弦波。通过点按S5和S4可以实现频率的加1减1，长按可以实现频率的快速加减。通过点按S6，可以切换波形，同时相应的LED灯会亮（各LED灯代表的波形见表二）。切换波形时，为了保护用户电路，禁止信号输出。当用户切换到需要的波形时，可以点按S3，使能信号输出。灯亮代表输出波形如表2.2所示。LED灯D3黄色LED灯D4绿色LED灯D5红色LED灯输出波形锯齿波三角波正弦波表2.2LED指示灯代表波形菜单按键和LED信号指示灯的电路见图2.5。S4S6S3GNDP17P16P26R33K3R43K3R53K3+3.6VR6100330R7D3YELLOWD4GREENGNDR83K3D5REDP14P15P13S5P27R223K3图2.5菜单按键和信号指示灯电路第四节系统组成原理图及元器件清单系统组成的原理图请见图2.6。图2.6系统原理图元器件清单列表见表2.3。CommentDescriptionDesignatorFootprintQuantity10uf/10vC1,C2,C3,C6,C12065DVCC1P1.0/TA0CLK/ACLK2P1.1/TA0.03P1.2/TA0.14P1.35P1.4/SMCLK/TCK6P1.5/TA0.0/SCLK/TMS7P1.6/TA0.1/SDO/SCL/TDI/TCLK8P1.7/SDI/SDA/TDO/TDI9RST/NMI/SBWTDIO10TEST/SBWTCK11XOUT/P2.712XIN/P2.6/TA0.113DVSS14MSP1MSP430G22x1IPMC110uf/10vVin31Vout2GNDU1TLV1117-33CDCYC210uf/10v123J25VDC_JKR13K35VDCGNDD2LED_R+3.6VS4S6S3GNDP17P16P26GNDNC1P31PINNC1P41PINNC1P51PINNC1P61PIND1IN4007200R15200R17200R16105C12105C11105C10GND50R18P7SMAGND+5V104C4+3.6VGNDGND1234567891011121314P2Header7X21234567891011121314P1Header7X2TDOTDITMSTCKRSTSignalOutSignalOutP10P11P12P13P14P15P16P17SBW_DATASBW_CLKP26P27*Y1*C7*C5GNDXINXOUTXOUTXINBOOST1CAP+2GND3CAP-4VOUT5LV6OSC7V+8U210uFC310uFC6+5V-5V10K1122R10+5V-5V106C9幅度调节814321U3ALM358AD2kR21R33K3R43K3R53K3+3.6V104C8104C13GNDGND200kR192kR14D75819R6100330R7D3YELLOWD4GREENGNDR83K3D5RED430上拉电阻有35KomP14P15P13S5P27R223K310uFC14GNDS1SW-SPDTC14104CapacitorC4,C5,C7,C8,C10,C11,C12,C1308058106CapacitorC912061IN4007D1D1206-AK1YELLOWD3D08051GREEND4D08051REDD2,D5D080525819D7D1206-AK1MSP430JTAGMSP340JTAGJ1IDC14-Z15VDC_JK5V电源插头J2PWRJK01Relay-SPDTSingle-PoleDual-ThrowRelayK1RELAY-HRB2-?1Header7X2LaunchPad在底板上的插座P1,P2HDR2X721PIN安装孔P3,P4,P5,P6PAD4SMASMA头P7BNC_RACON19013PNPBipolarTransistorQ1SOT-23T13K3R1,R3,R4,R5,R8,R22080564K7R208051100R608051330R708051RESR9,R12,R14,R15,R16,R17,R18,R19,R2108059ResAdj2可调精密电位器R10VR_precise1SW-SPDT继电器S1SW_1H1SW-PBS2，S3,S4,S5,S6KEYSB15TLV1117-33CDCYU1SOT-2231ICL7660U2SO-81LM358ADDualOperationalAmplifierU3SO-81XTAL1CrystalY1XTAL11表2.3系统元器件清单列表第五节PCB板的设计系统PCB板的顶层如图2.7所示。22A2B3B3A11B1A333A3B1A1B17653241KA21121221123456789101112131432114131211109876543211413121110987654321111132132112121212121212412342314231412321123456714131211109812121212AK302176532184121212AK12224123124615321230B0A图2.7系统PCB版顶层系统PCB板的底层如图2.8所示21212121ECB212121211221122148123567212121212121121222A2B3B3A11B1A333A3B1A1B176532412112345678910111213143211413121110987654321141312111098765432111114123423142314123211234567141312111098122241234615321230B0A图2.8系统PCB板底层PCB设计的注意事项：电源线尽量粗一点。比如主电源线可以选30mil，分支电源线可以选用15mil。芯片的退耦电容应尽量靠近芯片。并且退耦电容的连接线尽量粗一点。由于本作品是信号发生器，所以尽量保证地平面的完整性。注意大型元器件的安装位置，不要影响LaunchPad的安装。比如本作品中的精