基于二線制變送器的正弦信號發(fā)生器的設(shè)計

符長友　何俊鵬

摘 要： 針對電壓型變送器遠距離傳輸信號質(zhì)量差的缺點，提出了利用輸入為1～2 kΩ、輸出為4～20 mA的二線制電流型電阻變送器實現(xiàn)遠距離控制DDS頻率合成芯片AD9851的目標(biāo)，以產(chǎn)生1～2 MHz的正弦信號。實驗結(jié)果表明，采用二線制電流型電阻變送器能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離數(shù)據(jù)傳輸，電阻與頻率非線性度非常理想。

關(guān)鍵詞： 二線制變送器； 正弦信號發(fā)生器； MSP430F149； DDS； AD9851

中圖分類號： TN741?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）19?0063?03

Design of sinusoidal signal generator based on two?wire transmitter

FU Chang?you， HE Jun?peng

（School of Computer Science， Sichuan University of Science & Engineering， Zigong 643000， China）

Abstract： For the poor signal quality in remote communication of voltage transmitter， a two?wire resistance?to?current transmitter with its input resistance of 1～2 kΩ and its output current of 4～20 mA is proposed in this paper to control the frequency synthesis chip AD9851of direct digital synthesizer （DDS） in long distance， so as to generate a sinusoidal signal with 1～2 MHz by AD9851. The experimental results show that the two?wire resistance?to?current transmitter can realize remote data transmission. Moreover， the non?linearity of resistance and frequency is perfect.

Keywords： two?wire transmitter； sinusoidal signal generator； MSP430F149； DDS； AD9851

0 引 言

正弦信號發(fā)生器作為電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子儀器，廣泛應(yīng)用于航空航天測控、通信系統(tǒng)、電子對抗、電子測量等各個領(lǐng)域中[1]。在實際應(yīng)用中，控制端與正弦信號發(fā)生器之間有時相距長達幾十米甚至幾百米，并且現(xiàn)場環(huán)境較為惡劣，會有各種電磁干擾以及雷電感應(yīng)產(chǎn)生的強浪涌脈沖。如果采用電壓型變送器實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，由于其易受溫度漂移的影響，抗干擾能力差；并且線損會影響其精度，數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量差。因此，在惡劣的工作環(huán)境下，采用何種傳送器實現(xiàn)控制端遠距離有效控制正弦信號發(fā)生器是工業(yè)現(xiàn)場亟待解決的難題。

上述問題，采用兩線制電流型變送器能夠很好地解決。這是因為電流型變送器具有以下優(yōu)點：

（1） 不易受寄生熱電偶、沿電線電阻壓降和溫漂等影響，可用便宜的細導(dǎo)線實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；

（2） 在電流源輸出電阻足夠大時，經(jīng)磁場耦合感應(yīng)到導(dǎo)線環(huán)路內(nèi)的電壓，不會產(chǎn)生顯著影響；

（3） 信號傳輸距離遠，可節(jié)省大量電纜線和安裝費用[2]。

本文設(shè)計并完成了利用二線制電流型電阻變送器實現(xiàn)遠距離控制DDS直接頻率合成芯片AD9851的目標(biāo)，使其隨輸入電阻在1～2 kΩ范圍內(nèi)變化而相應(yīng)產(chǎn)生1～2 MHz的正弦信號。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)為基于二線制電流型變送器控制的正弦信號發(fā)生器。變送器輸入電阻在1～2 kΩ的范圍內(nèi)變化時，其對應(yīng)的輸出電流在4～20 mA范圍內(nèi)變化；然后控制正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生1～2 MHz范圍內(nèi)變化的正弦信號，并顯示輸入電阻值、輸出頻率值。因此，系統(tǒng)包含了二線制電流型電阻變送器、MCU MSP430F4260、正弦信號發(fā)生器AD9851、LCD顯示器等功能模塊，如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 二線制電流型電阻變送器設(shè)計

采用運算放大器LM358、三極管、可調(diào)電阻組成輸入為1～2 kΩ、輸出為4～20 mA的二線制電流型電阻變送器。該變送器的輸出端串聯(lián)一個250 Ω的電阻，使其輸出端由電流信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號，即4 mA×250 Ω=1 V，20 mA×250 Ω=5 V，最后變送器輸出1～5 V的電壓信號，這樣便于AC/DC轉(zhuǎn)換。

其電路如圖2所示。

2.2 正弦信號發(fā)生器設(shè)計

正弦信號發(fā)生器采用美國AD公司生產(chǎn)的DDS頻率合成芯片AD9851。該芯片是一款高度集成的器件，采用先進的DDS技術(shù)，內(nèi)置一個高速、高性能的10 b數(shù)模轉(zhuǎn)換器和比較器，共同構(gòu)成數(shù)字可編程頻率合成器和時鐘發(fā)生器。AD9851的高速DDS內(nèi)核提供一個32 b的頻率調(diào)諧字。以精密時鐘源作為基準(zhǔn)時鐘，AD9851能產(chǎn)生一個頻率穩(wěn)定、相位可編程的數(shù)字化模擬輸出正弦波[3]。其電路原理圖如圖3所示。

2.3 系統(tǒng)微控制器設(shè)計

系統(tǒng)微控制器采用MSP430F149，該芯片是美國TI公司推出的一款低功耗、高集成、高性能的單片機，特別適合于電池應(yīng)用或手持設(shè)備。MSP430F149包含了一個硬件乘法器，48個I/O口，1個精確的模擬比較器，2個具有捕捉/比較寄存器的定時器，8路12位A/D 轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)看門狗定時器，2個硬件串行通信接口，60 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM，特別適合于片上系統(tǒng)設(shè)計[4]。其電路設(shè)計如圖4所示。

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計

系統(tǒng)采用220 V交流輸入、雙12 V交流輸出的線性電源；然后把雙12 V交流輸出進行串聯(lián)，經(jīng)橋式整流，輸出約30 V的直流電壓，給系統(tǒng)供電。其電路圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包含A/DC轉(zhuǎn)換模塊程序、向AD9851寫入的32位的頻率調(diào)諧字以及LCD顯示3部分。

3.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)先對變送器的輸出電壓進行A/DC轉(zhuǎn)換，根據(jù)其轉(zhuǎn)換值，推算出向AD9851寫入的對應(yīng)32位頻率調(diào)諧字和AD9851所產(chǎn)生正弦波的頻率值；然后LCD顯示輸入電阻值、輸出頻率值；最后，微控制器MSP430F149向AD9851寫入相應(yīng)的32位頻率調(diào)諧字，使其產(chǎn)生所需的正弦波信號。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

（1） A/DC轉(zhuǎn)換子程序

void lint_SD16（void）

{

16CTL=SD16SSEL_1+SD16XDIV_3；

SD16CCTL0=SD16UNI+SD16IE；

SD16INCTL0=SD16INCH_0；

SD16AE=SD16AE0；

SD16CCTL0|=SD16SC；

}

（2） AD9851頻率控制字寫入子程序

void SetFreq（void） //DDS設(shè)置頻率

{

unsigned char i；

DDS_port = paraSet[0]； //輸入高8位

DDS_clk_H；

for（i=200；i>0；i--）；

DDS_clk_L；

for（i=200；i>0；i--）；

DDS_port = paraSet[1]；

}

4 結(jié)果及分析

4.1 實驗結(jié)果測試數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果測試數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 數(shù)據(jù)分析

（1） 實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)輸入端電阻在1～2 kΩ的范圍內(nèi)變化時，其對應(yīng)的輸出電流在4～20 mA范圍內(nèi)隨之改變，DDS頻率合成芯片AD9851產(chǎn)生1～2 MHz的正弦波信號。

（2） 電流誤差范圍為0.01 mA，不會受負載及環(huán)境溫度變化的影響。

（3） 計算電阻、頻率的非線性度

電阻非線性度：

[ΔR?MAX=（2 000.8-2 000.0）1 000×100%=0.08%]

頻率非線性度：

[ΔF?MAX=（1 498.9-1 498.0）1 000×100%=0.09%]

因此，電阻與頻率非線性度均小于0.1%，整個系統(tǒng)性能指標(biāo)非常優(yōu)良。

（4） 經(jīng)實際測試，系統(tǒng)遠距離傳輸可達240 m。

參考文獻

[1] 楊萍，兀旦輝，楊良煜.DDS技術(shù)在正弦信號發(fā)生器中的應(yīng)用[J].計算機測量與控制，2008，16（11）：1738?1740.

[2] 張鋒.單片機控制的二線制變送器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].茂名學(xué)院學(xué)報，2005，15（6）：61?63.

[3] Analog Devices. AD9851 [EB/OL]. [2004?02?22].

http：//www.analog.com/static/imported?files/data_sheets/AD9851.

[4] Texas Instruments. MSP430F149 [EB/OL]. [2010?05?10]. http：//www. wenku.baidu.com/view.

[5] 毛群，王仕旭.基于FPGA和DDS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（9）：118?120.

[6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（1）：187?188.

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計

系統(tǒng)采用220 V交流輸入、雙12 V交流輸出的線性電源；然后把雙12 V交流輸出進行串聯(lián)，經(jīng)橋式整流，輸出約30 V的直流電壓，給系統(tǒng)供電。其電路圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包含A/DC轉(zhuǎn)換模塊程序、向AD9851寫入的32位的頻率調(diào)諧字以及LCD顯示3部分。

3.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)先對變送器的輸出電壓進行A/DC轉(zhuǎn)換，根據(jù)其轉(zhuǎn)換值，推算出向AD9851寫入的對應(yīng)32位頻率調(diào)諧字和AD9851所產(chǎn)生正弦波的頻率值；然后LCD顯示輸入電阻值、輸出頻率值；最后，微控制器MSP430F149向AD9851寫入相應(yīng)的32位頻率調(diào)諧字，使其產(chǎn)生所需的正弦波信號。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

（1） A/DC轉(zhuǎn)換子程序

void lint_SD16（void）

{

16CTL=SD16SSEL_1+SD16XDIV_3；

SD16CCTL0=SD16UNI+SD16IE；

SD16INCTL0=SD16INCH_0；

SD16AE=SD16AE0；

SD16CCTL0|=SD16SC；

}

（2） AD9851頻率控制字寫入子程序

void SetFreq（void） //DDS設(shè)置頻率

{

unsigned char i；

DDS_port = paraSet[0]； //輸入高8位

DDS_clk_H；

for（i=200；i>0；i--）；

DDS_clk_L；

for（i=200；i>0；i--）；

DDS_port = paraSet[1]；

}

4 結(jié)果及分析

4.1 實驗結(jié)果測試數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果測試數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 數(shù)據(jù)分析

（1） 實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)輸入端電阻在1～2 kΩ的范圍內(nèi)變化時，其對應(yīng)的輸出電流在4～20 mA范圍內(nèi)隨之改變，DDS頻率合成芯片AD9851產(chǎn)生1～2 MHz的正弦波信號。

（2） 電流誤差范圍為0.01 mA，不會受負載及環(huán)境溫度變化的影響。

（3） 計算電阻、頻率的非線性度

電阻非線性度：

[ΔR?MAX=（2 000.8-2 000.0）1 000×100%=0.08%]

頻率非線性度：

[ΔF?MAX=（1 498.9-1 498.0）1 000×100%=0.09%]

因此，電阻與頻率非線性度均小于0.1%，整個系統(tǒng)性能指標(biāo)非常優(yōu)良。

（4） 經(jīng)實際測試，系統(tǒng)遠距離傳輸可達240 m。

參考文獻

[1] 楊萍，兀旦輝，楊良煜.DDS技術(shù)在正弦信號發(fā)生器中的應(yīng)用[J].計算機測量與控制，2008，16（11）：1738?1740.

[2] 張鋒.單片機控制的二線制變送器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].茂名學(xué)院學(xué)報，2005，15（6）：61?63.

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http：//www.analog.com/static/imported?files/data_sheets/AD9851.

[4] Texas Instruments. MSP430F149 [EB/OL]. [2010?05?10]. http：//www. wenku.baidu.com/view.

[5] 毛群，王仕旭.基于FPGA和DDS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（9）：118?120.

[6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（1）：187?188.

2.4 系統(tǒng)電源設(shè)計

系統(tǒng)采用220 V交流輸入、雙12 V交流輸出的線性電源；然后把雙12 V交流輸出進行串聯(lián)，經(jīng)橋式整流，輸出約30 V的直流電壓，給系統(tǒng)供電。其電路圖如圖5所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包含A/DC轉(zhuǎn)換模塊程序、向AD9851寫入的32位的頻率調(diào)諧字以及LCD顯示3部分。

3.1 系統(tǒng)流程圖

系統(tǒng)先對變送器的輸出電壓進行A/DC轉(zhuǎn)換，根據(jù)其轉(zhuǎn)換值，推算出向AD9851寫入的對應(yīng)32位頻率調(diào)諧字和AD9851所產(chǎn)生正弦波的頻率值；然后LCD顯示輸入電阻值、輸出頻率值；最后，微控制器MSP430F149向AD9851寫入相應(yīng)的32位頻率調(diào)諧字，使其產(chǎn)生所需的正弦波信號。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

3.2 系統(tǒng)程序設(shè)計

（1） A/DC轉(zhuǎn)換子程序

void lint_SD16（void）

{

16CTL=SD16SSEL_1+SD16XDIV_3；

SD16CCTL0=SD16UNI+SD16IE；

SD16INCTL0=SD16INCH_0；

SD16AE=SD16AE0；

SD16CCTL0|=SD16SC；

}

（2） AD9851頻率控制字寫入子程序

void SetFreq（void） //DDS設(shè)置頻率

{

unsigned char i；

DDS_port = paraSet[0]； //輸入高8位

DDS_clk_H；

for（i=200；i>0；i--）；

DDS_clk_L；

for（i=200；i>0；i--）；

DDS_port = paraSet[1]；

}

4 結(jié)果及分析

4.1 實驗結(jié)果測試數(shù)據(jù)

實驗結(jié)果測試數(shù)據(jù)如表1所示。

4.2 數(shù)據(jù)分析

（1） 實際測試結(jié)果表明，系統(tǒng)輸入端電阻在1～2 kΩ的范圍內(nèi)變化時，其對應(yīng)的輸出電流在4～20 mA范圍內(nèi)隨之改變，DDS頻率合成芯片AD9851產(chǎn)生1～2 MHz的正弦波信號。

（2） 電流誤差范圍為0.01 mA，不會受負載及環(huán)境溫度變化的影響。

（3） 計算電阻、頻率的非線性度

電阻非線性度：

[ΔR?MAX=（2 000.8-2 000.0）1 000×100%=0.08%]

頻率非線性度：

[ΔF?MAX=（1 498.9-1 498.0）1 000×100%=0.09%]

因此，電阻與頻率非線性度均小于0.1%，整個系統(tǒng)性能指標(biāo)非常優(yōu)良。

（4） 經(jīng)實際測試，系統(tǒng)遠距離傳輸可達240 m。

參考文獻

[1] 楊萍，兀旦輝，楊良煜.DDS技術(shù)在正弦信號發(fā)生器中的應(yīng)用[J].計算機測量與控制，2008，16（11）：1738?1740.

[2] 張鋒.單片機控制的二線制變送器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].茂名學(xué)院學(xué)報，2005，15（6）：61?63.

[3] Analog Devices. AD9851 [EB/OL]. [2004?02?22].

http：//www.analog.com/static/imported?files/data_sheets/AD9851.

[4] Texas Instruments. MSP430F149 [EB/OL]. [2010?05?10]. http：//www. wenku.baidu.com/view.

[5] 毛群，王仕旭.基于FPGA和DDS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2010，33（9）：118?120.

[6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信號發(fā)生器設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2012，35（1）：187?188.