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【摘 要】本设计为二线式电流型电阻变送器控制的正弦信号发生器。变送器的输入为电阻量，输出为电流量，信号发生部分的输入为电流量，输出为正弦信号。1000W～2000W对应的电流输出为4～20mA。信号发生部分要求能够将输入电流量转换成电阻量并采用数码显示，显示分辨率为1W，其输出的相应正弦信号的频率在1000kHz～2000kHz之间变化，并显示其频率值。经测试验证，其输出信号无明显失真，输出频率稳定度优于10-4。
【關键词】正弦信号 惠斯通电桥 DDS MSP430单片机
一、设计总体思路
本系统由惠斯通电桥、信号调理电路、电流变送电路、电流接收电路、24位ADC转换电路、MSP430单片机小系统、DDS正弦信号产生电路、宽带放大器、电源电路、显示电路等10个部分组成。调节惠斯通电桥在1000Ω～2000Ω范围变化时，产生电信号送入由运放AD623构成的调理电路 ，形成0.4V-2V的电压信号，此电压信号经过由LM324构成的电流变送器后产生4～20mA电流信号输出。电流接收电路将电流转换成1～5V电压，由 MSP430F149单片机控制24位ADC芯片ADS1255对其进行AD转换，判断出电阻的变化量，进而控制DDS产生相应频率的正弦波信号，液晶显示电路将相应的电阻值与频率值进行实时显示。系统方框图如图1示。
二、系统的硬件设计
（一）主控芯片的选择
本设计选用的MSP430 F149作控制芯片，该单片机是一款超低功耗的单片机，其集成有16位寄存器和常数发生器，能发挥其最高代码效率。它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us。其内部资源丰富，可应用于开发较复杂的系统。
（二）惠斯通电桥与信号调理电路设计
本设计将精密电阻箱串联在电桥的一个单臂上，当电阻箱的阻值为1000Ω时，调节电桥使其平衡，无电压输出；当电阻箱电阻在1000Ω～2000Ω范围内变化时，电桥平衡被破坏，输出相应的微小电压量。
放大电路采用参考电压可调的低功耗芯片AD623搭建调理电路，该芯片接收惠斯通电桥上变化的电压值并经处理输出0.4V～2V的电压。OPA277作电压跟随器，为AD623芯片第五脚提供一个参考电压，使AD623在输入信号为0V的情况下其第6脚输出一个0.4V的电压，供后级进行4mA的电流转换（见图2）。
（三） 电流变送电路及基准电压电路设计
如图3，电路中LM324_1、R3、R4、R5、R6和Q1共同构成了电流变送电路。Q1和R5构成负反馈电路，不但保证了LM324的“虚地”，增加了变送器的电流输出能力。
LM324_2、R7和LM385-2.5共同构成了基准电压电路，提供恒压源。R7、LM385-2.5主要给运放LM324_2的同相端提供2.5V的恒定基准电压。输出端输出一个恒定的5V电压。
该电路能保证当调节电桥的精密电阻箱阻值在1000Ω～2000Ω范围内变化时，变送器的输出电流在4～20mA范围内变化，线性良好。
（四）电流接收电路设计
用LM324芯片组成了电流转换电路，输入信号经过运放电路处理后，对应输出1～5V的电压信号。
（五）24位ADC转换电路设计
ADS1255是TI公司生产的一款24位高精度AD转换器，其内部集成多路选择开关（MUX）、可编程增益控制器（PGA），可编程数字滤波器等，是一款性能较高的ADC芯片，它能够接收输入幅度0～5V的电压信号，最后再传给单片机处理。
（六）DDS正弦信号产生模块
AD9851是AD公司采用先进DDS（直接数字合成）技术推出的具有高集成度DDS电路的器件，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器，外接精密时钟源时，AD9851可以产生一个频谱纯净，频率和相位都可以编程控制且稳定性相当好的模拟正弦波。
（七）宽带放大器电路设计
运用放大器OPA842将DDS输出的正弦波信号进行放大。能保证在2.873MHz以内的频率范围内能将DDS产生的正弦信号峰峰值不失真地放大到5V以上。
（八）电源模块设计
二线制电流变送器系统中需加载直流24V电压，其他芯片工作电源均为直流5V，我们选用LM317稳压芯片进行设计。将220V交流电经过变压器后再经过2路LM317电路，分别输出24V和5V直流电。
（九）LCD显示电路设计
为了显示信息量能更加丰富，在设计中我们采用了带中文字符的LCD12864液晶显示器进行显示模块的设计，该液晶由128列、64行组成，能显示中英文字符及各种图形。
三、软件设计
软件部分主要完成三个功能，即信号采集、控制DDS产生正弦信号、控制LCD显示电阻值及相关频率信息。如图5所示，在具体算法上，MSP430单片机每秒钟对ADS1255进行100次数据采样，然后通过软件方法对在硬件电路中实测得出的系统误差进行补偿。通过计算采集回来的数据得出电阻的阻值，然后向DDS写入频率控制字，控制其输出相应的正弦波信号。并且通过液晶显示出当前的电阻值及输出的正弦波的频率信号。
参考文献：
[1]曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京航空航天大学出版社出版，2007.7
[2]胡大可.MSP430系列单片机 C语言程序设计与开发[M].北京航空航天大学出版社，2003.1
[3]王松武、于鑫.电子创新设计与实践[M].国防工业出版社，2005.1
[4]姚金生、郑小利.元器件[M].电子工业出版社，2004.10
[5]刘笃仁、韩保君.传感器原理及应用技术[M]. 西安电子科技大学出版社，2004.6
作者简介：
覃智广（1978年-），男，壮族，宜宾职业技术学院自动控制系机电教研室教师。
【關键词】正弦信号 惠斯通电桥 DDS MSP430单片机
一、设计总体思路
本系统由惠斯通电桥、信号调理电路、电流变送电路、电流接收电路、24位ADC转换电路、MSP430单片机小系统、DDS正弦信号产生电路、宽带放大器、电源电路、显示电路等10个部分组成。调节惠斯通电桥在1000Ω～2000Ω范围变化时，产生电信号送入由运放AD623构成的调理电路 ，形成0.4V-2V的电压信号，此电压信号经过由LM324构成的电流变送器后产生4～20mA电流信号输出。电流接收电路将电流转换成1～5V电压，由 MSP430F149单片机控制24位ADC芯片ADS1255对其进行AD转换，判断出电阻的变化量，进而控制DDS产生相应频率的正弦波信号，液晶显示电路将相应的电阻值与频率值进行实时显示。系统方框图如图1示。
二、系统的硬件设计
（一）主控芯片的选择
本设计选用的MSP430 F149作控制芯片，该单片机是一款超低功耗的单片机，其集成有16位寄存器和常数发生器，能发挥其最高代码效率。它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us。其内部资源丰富，可应用于开发较复杂的系统。
（二）惠斯通电桥与信号调理电路设计
本设计将精密电阻箱串联在电桥的一个单臂上，当电阻箱的阻值为1000Ω时，调节电桥使其平衡，无电压输出；当电阻箱电阻在1000Ω～2000Ω范围内变化时，电桥平衡被破坏，输出相应的微小电压量。
放大电路采用参考电压可调的低功耗芯片AD623搭建调理电路，该芯片接收惠斯通电桥上变化的电压值并经处理输出0.4V～2V的电压。OPA277作电压跟随器，为AD623芯片第五脚提供一个参考电压，使AD623在输入信号为0V的情况下其第6脚输出一个0.4V的电压，供后级进行4mA的电流转换（见图2）。
（三） 电流变送电路及基准电压电路设计
如图3，电路中LM324_1、R3、R4、R5、R6和Q1共同构成了电流变送电路。Q1和R5构成负反馈电路，不但保证了LM324的“虚地”，增加了变送器的电流输出能力。
LM324_2、R7和LM385-2.5共同构成了基准电压电路，提供恒压源。R7、LM385-2.5主要给运放LM324_2的同相端提供2.5V的恒定基准电压。输出端输出一个恒定的5V电压。
该电路能保证当调节电桥的精密电阻箱阻值在1000Ω～2000Ω范围内变化时，变送器的输出电流在4～20mA范围内变化，线性良好。
（四）电流接收电路设计
用LM324芯片组成了电流转换电路，输入信号经过运放电路处理后，对应输出1～5V的电压信号。
（五）24位ADC转换电路设计
ADS1255是TI公司生产的一款24位高精度AD转换器，其内部集成多路选择开关（MUX）、可编程增益控制器（PGA），可编程数字滤波器等，是一款性能较高的ADC芯片，它能够接收输入幅度0～5V的电压信号，最后再传给单片机处理。
（六）DDS正弦信号产生模块
AD9851是AD公司采用先进DDS（直接数字合成）技术推出的具有高集成度DDS电路的器件，可作为全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器，外接精密时钟源时，AD9851可以产生一个频谱纯净，频率和相位都可以编程控制且稳定性相当好的模拟正弦波。
（七）宽带放大器电路设计
运用放大器OPA842将DDS输出的正弦波信号进行放大。能保证在2.873MHz以内的频率范围内能将DDS产生的正弦信号峰峰值不失真地放大到5V以上。
（八）电源模块设计
二线制电流变送器系统中需加载直流24V电压，其他芯片工作电源均为直流5V，我们选用LM317稳压芯片进行设计。将220V交流电经过变压器后再经过2路LM317电路，分别输出24V和5V直流电。
（九）LCD显示电路设计
为了显示信息量能更加丰富，在设计中我们采用了带中文字符的LCD12864液晶显示器进行显示模块的设计，该液晶由128列、64行组成，能显示中英文字符及各种图形。
三、软件设计
软件部分主要完成三个功能，即信号采集、控制DDS产生正弦信号、控制LCD显示电阻值及相关频率信息。如图5所示，在具体算法上，MSP430单片机每秒钟对ADS1255进行100次数据采样，然后通过软件方法对在硬件电路中实测得出的系统误差进行补偿。通过计算采集回来的数据得出电阻的阻值，然后向DDS写入频率控制字，控制其输出相应的正弦波信号。并且通过液晶显示出当前的电阻值及输出的正弦波的频率信号。
参考文献：
[1]曹磊.MSP430单片机C程序设计与实践[M].北京航空航天大学出版社出版，2007.7
[2]胡大可.MSP430系列单片机 C语言程序设计与开发[M].北京航空航天大学出版社，2003.1
[3]王松武、于鑫.电子创新设计与实践[M].国防工业出版社，2005.1
[4]姚金生、郑小利.元器件[M].电子工业出版社，2004.10
[5]刘笃仁、韩保君.传感器原理及应用技术[M]. 西安电子科技大学出版社，2004.6
作者简介：
覃智广（1978年-），男，壮族，宜宾职业技术学院自动控制系机电教研室教师。