【摘 要】本設(shè)計(jì)為二線式電流型電阻變送器控制的正弦信號(hào)發(fā)生器。變送器的輸入為電阻量，輸出為電流量，信號(hào)發(fā)生部分的輸入為電流量，輸出為正弦信號(hào)。1000W～2000W對(duì)應(yīng)的電流輸出為4～20mA。信號(hào)發(fā)生部分要求能夠?qū)⑤斎腚娏髁哭D(zhuǎn)換成電阻量并采用數(shù)碼顯示，顯示分辨率為1W，其輸出的相應(yīng)正弦信號(hào)的頻率在1000kHz～2000kHz之間變化，并顯示其頻率值。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，其輸出信號(hào)無明顯失真，輸出頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4。

【關(guān)鍵詞】正弦信號(hào) 惠斯通電橋 DDS MSP430單片機(jī)

一、設(shè)計(jì)總體思路

本系統(tǒng)由惠斯通電橋、信號(hào)調(diào)理電路、電流變送電路、電流接收電路、24位ADC轉(zhuǎn)換電路、MSP430單片機(jī)小系統(tǒng)、DDS正弦信號(hào)產(chǎn)生電路、寬帶放大器、電源電路、顯示電路等10個(gè)部分組成。調(diào)節(jié)惠斯通電橋在1000Ω～2000Ω范圍變化時(shí)，產(chǎn)生電信號(hào)送入由運(yùn)放AD623構(gòu)成的調(diào)理電路 ，形成0.4V-2V的電壓信號(hào)，此電壓信號(hào)經(jīng)過由LM324構(gòu)成的電流變送器后產(chǎn)生4～20mA電流信號(hào)輸出。電流接收電路將電流轉(zhuǎn)換成1～5V電壓，由 MSP430F149單片機(jī)控制24位ADC芯片ADS1255對(duì)其進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，判斷出電阻的變化量，進(jìn)而控制DDS產(chǎn)生相應(yīng)頻率的正弦波信號(hào)，液晶顯示電路將相應(yīng)的電阻值與頻率值進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)方框圖如圖1示。

二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

（一）主控芯片的選擇

本設(shè)計(jì)選用的MSP430 F149作控制芯片，該單片機(jī)是一款超低功耗的單片機(jī)，其集成有16位寄存器和常數(shù)發(fā)生器，能發(fā)揮其最高代碼效率。它采用數(shù)字控制振蕩器（DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于6us。其內(nèi)部資源豐富，可應(yīng)用于開發(fā)較復(fù)雜的系統(tǒng)。

（二）惠斯通電橋與信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)將精密電阻箱串聯(lián)在電橋的一個(gè)單臂上，當(dāng)電阻箱的阻值為1000Ω時(shí)，調(diào)節(jié)電橋使其平衡，無電壓輸出；當(dāng)電阻箱電阻在1000Ω～2000Ω范圍內(nèi)變化時(shí)，電橋平衡被破壞，輸出相應(yīng)的微小電壓量。

放大電路采用參考電壓可調(diào)的低功耗芯片AD623搭建調(diào)理電路，該芯片接收惠斯通電橋上變化的電壓值并經(jīng)處理輸出0.4V～2V的電壓。OPA277作電壓跟隨器，為AD623芯片第五腳提供一個(gè)參考電壓，使AD623在輸入信號(hào)為0V的情況下其第6腳輸出一個(gè)0.4V的電壓，供后級(jí)進(jìn)行4mA的電流轉(zhuǎn)換（見圖2）。

（三） 電流變送電路及基準(zhǔn)電壓電路設(shè)計(jì)

如圖3，電路中LM324_1、R3、R4、R5、R6和Q1共同構(gòu)成了電流變送電路。Q1和R5構(gòu)成負(fù)反饋電路，不但保證了LM324的“虛地”，增加了變送器的電流輸出能力。

LM324_2、R7和LM385-2.5共同構(gòu)成了基準(zhǔn)電壓電路，提供恒壓源。R7、LM385-2.5主要給運(yùn)放LM324_2的同相端提供2.5V的恒定基準(zhǔn)電壓。輸出端輸出一個(gè)恒定的5V電壓。

該電路能保證當(dāng)調(diào)節(jié)電橋的精密電阻箱阻值在1000Ω～2000Ω范圍內(nèi)變化時(shí)，變送器的輸出電流在4～20mA范圍內(nèi)變化，線性良好。

（四）電流接收電路設(shè)計(jì)

用LM324芯片組成了電流轉(zhuǎn)換電路，輸入信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放電路處理后，對(duì)應(yīng)輸出1～5V的電壓信號(hào)。

（五）24位ADC轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

ADS1255是TI公司生產(chǎn)的一款24位高精度AD轉(zhuǎn)換器，其內(nèi)部集成多路選擇開關(guān)（MUX）、可編程增益控制器（PGA），可編程數(shù)字濾波器等，是一款性能較高的ADC芯片，它能夠接收輸入幅度0～5V的電壓信號(hào)，最后再傳給單片機(jī)處理。

（六）DDS正弦信號(hào)產(chǎn)生模塊

AD9851是AD公司采用先進(jìn)DDS（直接數(shù)字合成）技術(shù)推出的具有高集成度DDS電路的器件，可作為全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器，外接精密時(shí)鐘源時(shí)，AD9851可以產(chǎn)生一個(gè)頻譜純凈，頻率和相位都可以編程控制且穩(wěn)定性相當(dāng)好的模擬正弦波。

（七）寬帶放大器電路設(shè)計(jì)

運(yùn)用放大器OPA842將DDS輸出的正弦波信號(hào)進(jìn)行放大。能保證在2.873MHz以內(nèi)的頻率范圍內(nèi)能將DDS產(chǎn)生的正弦信號(hào)峰峰值不失真地放大到5V以上。

（八）電源模塊設(shè)計(jì)

二線制電流變送器系統(tǒng)中需加載直流24V電壓，其他芯片工作電源均為直流5V，我們選用LM317穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)。將220V交流電經(jīng)過變壓器后再經(jīng)過2路LM317電路，分別輸出24V和5V直流電。

（九）LCD顯示電路設(shè)計(jì)

為了顯示信息量能更加豐富，在設(shè)計(jì)中我們采用了帶中文字符的LCD12864液晶顯示器進(jìn)行顯示模塊的設(shè)計(jì)，該液晶由128列、64行組成，能顯示中英文字符及各種圖形。

三、軟件設(shè)計(jì)

軟件部分主要完成三個(gè)功能，即信號(hào)采集、控制DDS產(chǎn)生正弦信號(hào)、控制LCD顯示電阻值及相關(guān)頻率信息。如圖5所示，在具體算法上，MSP430單片機(jī)每秒鐘對(duì)ADS1255進(jìn)行100次數(shù)據(jù)采樣，然后通過軟件方法對(duì)在硬件電路中實(shí)測(cè)得出的系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。通過計(jì)算采集回來的數(shù)據(jù)得出電阻的阻值，然后向DDS寫入頻率控制字，控制其輸出相應(yīng)的正弦波信號(hào)。并且通過液晶顯示出當(dāng)前的電阻值及輸出的正弦波的頻率信號(hào)。

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作者簡(jiǎn)介：

覃智廣（1978年-），男，壯族，宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院自動(dòng)控制系機(jī)電教研室教師。