网站原创【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.
【关 键 词】正弦信号惠斯通电桥DDSP430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MSP430F149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.
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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.