| 标题 | 基于二线制变送器的正弦信号发生器的设计 |
| 范文 | 符长友 何俊鹏 摘 要： 针对电压型变送器远距离传输信号质量差的缺点，提出了利用输入为1～2 kΩ、输出为4～20 mA的二线制电流型电阻变送器实现远距离控制DDS频率合成芯片AD9851的目标，以产生1～2 MHz的正弦信号。实验结果表明，采用二线制电流型电阻变送器能够实现远距离数据传输，电阻与频率非线性度非常理想。 关键词： 二线制变送器； 正弦信号发生器； MSP430F149； DDS； AD9851 中图分类号： TN741?34 文献标识码： A 文章编号： 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 正弦信号发生器作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量等各个领域中[1]。在实际应用中，控制端与正弦信号发生器之间有时相距长达几十米甚至几百米，并且现场环境较为恶劣，会有各种电磁干扰以及雷电感应产生的强浪涌脉冲。如果采用电压型变送器实现数据通信，由于其易受温度漂移的影响，抗干扰能力差；并且线损会影响其精度，数据传输质量差。因此，在恶劣的工作环境下，采用何种传送器实现控制端远距离有效控制正弦信号发生器是工业现场亟待解决的难题。 上述问题，采用两线制电流型变送器能够很好地解决。这是因为电流型变送器具有以下优点： （1） 不易受寄生热电偶、沿电线电阻压降和温漂等影响，可用便宜的细导线实现数据传输； （2） 在电流源输出电阻足够大时，经磁场耦合感应到导线环路内的电压，不会产生显著影响； （3） 信号传输距离远，可节省大量电缆线和安装费用[2]。 本文设计并完成了利用二线制电流型电阻变送器实现远距离控制DDS直接频率合成芯片AD9851的目标，使其随输入电阻在1～2 kΩ范围内变化而相应产生1～2 MHz的正弦信号。 1 系统总体设计 系统为基于二线制电流型变送器控制的正弦信号发生器。变送器输入电阻在1～2 kΩ的范围内变化时，其对应的输出电流在4～20 mA范围内变化；然后控制正弦信号发生器产生1～2 MHz范围内变化的正弦信号，并显示输入电阻值、输出频率值。因此，系统包含了二线制电流型电阻变送器、MCU MSP430F4260、正弦信号发生器AD9851、LCD显示器等功能模块，如图1所示。 2 系统硬件设计 2.1 二线制电流型电阻变送器设计 采用运算放大器LM358、三极管、可调电阻组成输入为1～2 kΩ、输出为4～20 mA的二线制电流型电阻变送器。该变送器的输出端串联一个250 Ω的电阻，使其输出端由电流信号转换成相应的电压信号，即4 mA×250 Ω=1 V，20 mA×250 Ω=5 V，最后变送器输出1～5 V的电压信号，这样便于AC/DC转换。 其电路如图2所示。 2.2 正弦信号发生器设计 正弦信号发生器采用美国AD公司生产的DDS频率合成芯片AD9851。该芯片是一款高度集成的器件，采用先进的DDS技术，内置一个高速、高性能的10 b数模转换器和比较器，共同构成数字可编程频率合成器和时钟发生器。AD9851的高速DDS内核提供一个32 b的频率调谐字。以精密时钟源作为基准时钟，AD9851能产生一个频率稳定、相位可编程的数字化模拟输出正弦波[3]。其电路原理图如图3所示。 2.3 系统微控制器设计 系统微控制器采用MSP430F149，该芯片是美国TI公司推出的一款低功耗、高集成、高性能的单片机，特别适合于电池应用或手持设备。MSP430F149包含了一个硬件乘法器，48个I/O口，1个精确的模拟比较器，2个具有捕捉/比较寄存器的定时器，8路12位A/D 转换器，片内看门狗定时器，2个硬件串行通信接口，60 KB的FLASH ROM和2 KB的RAM，特别适合于片上系统设计[4]。其电路设计如图4所示。 2.4 系统电源设计 系统采用220 V交流输入、双12 V交流输出的线性电源；然后把双12 V交流输出进行串联，经桥式整流，输出约30 V的直流电压，给系统供电。其电路图如图5所示。 3 系统软件设计 系统软件包含A/DC转换模块程序、向AD9851写入的32位的频率调谐字以及LCD显示3部分。 3.1 系统流程图 系统先对变送器的输出电压进行A/DC转换，根据其转换值，推算出向AD9851写入的对应32位频率调谐字和AD9851所产生正弦波的频率值；然后LCD显示输入电阻值、输出频率值；最后，微控制器MSP430F149向AD9851写入相应的32位频率调谐字，使其产生所需的正弦波信号。系统流程图如图6所示。 3.2 系统程序设计 （1） A/DC转换子程序 void lint_SD16（void） { 16CTL=SD16SSEL_1+SD16XDIV_3； SD16CCTL0=SD16UNI+SD16IE； SD16INCTL0=SD16INCH_0； SD16AE=SD16AE0； SD16CCTL0|=SD16SC； } （2） AD9851频率控制字写入子程序 void SetFreq（void） //DDS设置频率 { unsigned char i； DDS_port = paraSet[0]； //输入高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 结果及分析 4.1 实验结果测试数据 实验结果测试数据如表1所示。 4.2 数据分析 （1） 实际测试结果表明，系统输入端电阻在1～2 kΩ的范围内变化时，其对应的输出电流在4～20 mA范围内随之改变，DDS频率合成芯片AD9851产生1～2 MHz的正弦波信号。 （2） 电流误差范围为0.01 mA，不会受负载及环境温度变化的影响。 （3） 计算电阻、频率的非线性度 电阻非线性度： [ΔR?MAX=（2 000.8-2 000.0）1 000×100%=0.08%] 频率非线性度： [ΔF?MAX=（1 498.9-1 498.0）1 000×100%=0.09%] 因此，电阻与频率非线性度均小于0.1%，整个系统性能指标非常优良。 （4） 经实际测试，系统远距离传输可达240 m。 参考文献 [1] 杨萍，兀旦辉，杨良煜.DDS技术在正弦信号发生器中的应用[J].计算机测量与控制，2008，16（11）：1738?1740. [2] 张锋.单片机控制的二线制变送器的设计与实现[J].茂名学院学报，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技术的正弦信号发生器设计[J].现代电子技术，2010，33（9）：118?120. [6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信号发生器设计[J].现代电子技术，2012，35（1）：187?188. 2.4 系统电源设计 系统采用220 V交流输入、双12 V交流输出的线性电源；然后把双12 V交流输出进行串联，经桥式整流，输出约30 V的直流电压，给系统供电。其电路图如图5所示。 3 系统软件设计 系统软件包含A/DC转换模块程序、向AD9851写入的32位的频率调谐字以及LCD显示3部分。 3.1 系统流程图 系统先对变送器的输出电压进行A/DC转换，根据其转换值，推算出向AD9851写入的对应32位频率调谐字和AD9851所产生正弦波的频率值；然后LCD显示输入电阻值、输出频率值；最后，微控制器MSP430F149向AD9851写入相应的32位频率调谐字，使其产生所需的正弦波信号。系统流程图如图6所示。 3.2 系统程序设计 （1） A/DC转换子程序 void lint_SD16（void） { 16CTL=SD16SSEL_1+SD16XDIV_3； SD16CCTL0=SD16UNI+SD16IE； SD16INCTL0=SD16INCH_0； SD16AE=SD16AE0； SD16CCTL0|=SD16SC； } （2） AD9851频率控制字写入子程序 void SetFreq（void） //DDS设置频率 { unsigned char i； DDS_port = paraSet[0]； //输入高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 结果及分析 4.1 实验结果测试数据 实验结果测试数据如表1所示。 4.2 数据分析 （1） 实际测试结果表明，系统输入端电阻在1～2 kΩ的范围内变化时，其对应的输出电流在4～20 mA范围内随之改变，DDS频率合成芯片AD9851产生1～2 MHz的正弦波信号。 （2） 电流误差范围为0.01 mA，不会受负载及环境温度变化的影响。 （3） 计算电阻、频率的非线性度 电阻非线性度： [ΔR?MAX=（2 000.8-2 000.0）1 000×100%=0.08%] 频率非线性度： [ΔF?MAX=（1 498.9-1 498.0）1 000×100%=0.09%] 因此，电阻与频率非线性度均小于0.1%，整个系统性能指标非常优良。 （4） 经实际测试，系统远距离传输可达240 m。 参考文献 [1] 杨萍，兀旦辉，杨良煜.DDS技术在正弦信号发生器中的应用[J].计算机测量与控制，2008，16（11）：1738?1740. [2] 张锋.单片机控制的二线制变送器的设计与实现[J].茂名学院学报，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技术的正弦信号发生器设计[J].现代电子技术，2010，33（9）：118?120. [6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信号发生器设计[J].现代电子技术，2012，35（1）：187?188. 2.4 系统电源设计 系统采用220 V交流输入、双12 V交流输出的线性电源；然后把双12 V交流输出进行串联，经桥式整流，输出约30 V的直流电压，给系统供电。其电路图如图5所示。 3 系统软件设计 系统软件包含A/DC转换模块程序、向AD9851写入的32位的频率调谐字以及LCD显示3部分。 3.1 系统流程图 系统先对变送器的输出电压进行A/DC转换，根据其转换值，推算出向AD9851写入的对应32位频率调谐字和AD9851所产生正弦波的频率值；然后LCD显示输入电阻值、输出频率值；最后，微控制器MSP430F149向AD9851写入相应的32位频率调谐字，使其产生所需的正弦波信号。系统流程图如图6所示。 3.2 系统程序设计 （1） A/DC转换子程序 void lint_SD16（void） { 16CTL=SD16SSEL_1+SD16XDIV_3； SD16CCTL0=SD16UNI+SD16IE； SD16INCTL0=SD16INCH_0； SD16AE=SD16AE0； SD16CCTL0|=SD16SC； } （2） AD9851频率控制字写入子程序 void SetFreq（void） //DDS设置频率 { unsigned char i； DDS_port = paraSet[0]； //输入高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 结果及分析 4.1 实验结果测试数据 实验结果测试数据如表1所示。 4.2 数据分析 （1） 实际测试结果表明，系统输入端电阻在1～2 kΩ的范围内变化时，其对应的输出电流在4～20 mA范围内随之改变，DDS频率合成芯片AD9851产生1～2 MHz的正弦波信号。 （2） 电流误差范围为0.01 mA，不会受负载及环境温度变化的影响。 （3） 计算电阻、频率的非线性度 电阻非线性度： [ΔR?MAX=（2 000.8-2 000.0）1 000×100%=0.08%] 频率非线性度： [ΔF?MAX=（1 498.9-1 498.0）1 000×100%=0.09%] 因此，电阻与频率非线性度均小于0.1%，整个系统性能指标非常优良。 （4） 经实际测试，系统远距离传输可达240 m。 参考文献 [1] 杨萍，兀旦辉，杨良煜.DDS技术在正弦信号发生器中的应用[J].计算机测量与控制，2008，16（11）：1738?1740. [2] 张锋.单片机控制的二线制变送器的设计与实现[J].茂名学院学报，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技术的正弦信号发生器设计[J].现代电子技术，2010，33（9）：118?120. [6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信号发生器设计[J].现代电子技术，2012，35（1）：187?188. |
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