2012年全国大学生电子设计竞赛报告.pdf

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1、X-Y 信号产生与图形显示摘要：本作品主要由移相电路模块、分频模块、带通滤波模块、单片机控制模块组成，其中移相电路模块主要通过单片机MSP430 控制模拟开关实现了移相步进可调；分频模块采用模拟电路和数字电路结合的方式实现了1MHz 正弦波的二分频。运放主要运用TI 公司的 OPA2350，其高速轨至轨的特点使得同样功效的电路所需电源电压更小。分频电路使用TI 公司 CD74HCT74，级联 LM311、带通滤波电路实现信号的二分频。该系统设计体积小，性价比较高。关键字：移相 分频 滤波 模拟开关MSP430 一、系统方案设计1-1、移相方案比较方案一：同步信号、正弦信号通过过零比较器变为相位

2、与周期一致的同步方波，上升沿与下降沿检测电路检测出同步方波的上升沿与下降沿，产生的两个尖脉冲分别对应同步信号正负半周的触发信号。采用该触发信号启动计数器进行减法计数，A/D 转换输出值置为计数器的初值，当减法计数器为0 时产生移相后的尖脉冲，减法器的启动和停止脉冲之间的相位差，即对应于脉冲群与正弦波之间的相位差，此方案电路复杂，并且短时间内难以实现。方案二：由 R-C 串联电路构成移相电路，此电路相位差最大只有90，而且电阻的选择非常重要，当电阻选择相对较小时，会出现较大的误差，即相位差小于 90或者几乎没有相位差。方案三：用高速运算放大器OPA2350组成移相电路，OPA2350是一种低噪声

3、、高速轨至轨运算放大器，带宽可达38MHz，可处理较高频率的信号。方案三组成的移相电路具有电路简单、工作可靠、成本低、波形好、适应性强的特点，可处理较高频率的信号，根据题目要求选用此方案。1-2、分频方案比较方案一:用 LM311将正弦波变为同频率方波，再采用74LS90进行分频，74LS90不仅能计数，还能用于分频，其分频计数功能采用反馈清零法，但得到的方波波形占空比并不为50%，存在较大误差。方案二：用LM311 将正弦波变为同频率方波，再级联 D类上升沿触发器 CD74HCT74进行分频，CD74HCT74 不仅能二分频，还能对波形整形，使方波的占空比为50%。方案二外围电路简单，可得到

4、精准的分频信号，且成本低，因此选用此方案。1-3、滤波方案比较方案一：用无源元件(R、L 和 C)组成带通滤波电路，此方法虽然成本低，但通带内的信号有能量损耗，负载效应比较明显，使用电感元件时容易引起电磁感应，系统不稳定，效果较差。方案二：运用 RC及运放搭建二阶巴特沃斯带通滤波器，集成度高，反应动作迅速，多级级联时相互影响较小，且幅频响应在通带中具有最大平坦度。方案二的有源滤波器比无源滤波器设计更为灵活，且具有良好的隔离性能，系统稳定，体积小，因此选用此方案。1-4、程控移相方案比较方案一：采用变容二极管搭建RC 有源移相电路，可通过 DAC 产生的电压来改变其电容值，实现程控移相，但此方案

5、计算复杂，调试较难，短时间内难于达到预期效果。方案二：采用电阻网络搭建RC 有源移相电路，可通过单片机控制模拟开关CD4051 来改变接入的电阻值，进而改变相位差，实现程控移相。方案二 原理简单，调试容易，且成本较低，故采用此方案。二、理论分析与计算2-1 移相电路相关数值选取的分析对于移相电路的原理图如图1 所示：图 1 移相原理图其传递函数推导如下：实际中选取KRRR221,iiiiiOuCRjCRjuCRjuuRRCjRCjuRRu333311112)1(11所 以CRjCRjuujAiouf3311)(,其 辐 頻 特 性1)(jAuf，相 頻 特 性CRj3a r c t a n2)

6、(。对于 1M 的正弦波srad/1026，本设计选取 C=82PF，通过计算当移相为00时03R；移相o45时8043R；当移相o90时，19423R；当移相0180时，电路采用反相比例放大器。2-2 电路稳定性分析（1）由于电源本身并不是绝对直流，里面含有纹波与高频噪声，因而需要在电源输入端对电源进行滤纹波。本实验设计采用在电源输入端并联一个大电容（电解电容 10uF）和一个小电容（陶瓷电容0.1uF）组合的方法，大电容虑低频，小电容率高频，可有效的滤掉电源的纹波与噪声。（2）为了减少电路中的干扰，在 PCB板上焊接电路时，总的连线尽可能的选短，相同电路尽可能的采取了对称布局。同时在设计电

7、路时，运用了阻抗匹配，磁珠等抗干扰措施，提高了电路的精度与稳定性，并尽量使用贴片原件以减小走线长度来减小寄生电容的影响。（3）模拟电路单元与数字电路单元电源要分开，模拟地与数字地一点相连。三、系统设计3-1、系统框图本系统主要由移相模块、分频模块、滤波模块、单片机控制模块组成，其系统框图如图 2 所示：图 2 系统框图3-2、主要硬件设计（1）移相电路设计采用 RC与运算放大器 OPA2350 组成有源移相网络，当改变电路 R或 C的参数时，相位差会发生改变，电路原理图如图3：U2BOPA2350PA56487VCC-2.5VR12kR22kC182pFR320kKey=A6%VDD2.5VC

8、510 FC60.1 FC71.0 FC80.1 F输 入 信 号 Uo输 出 信 号 Ui图 3 移相电路（2）分频电路设计1MHz的正弦信号通过模拟比较器LM311产生 1MHz的方波，再通过D类上升沿触发器 CD74HCT74 进行二分频，产生500KHz的方波，占空比为50%，模拟电路如图 4：外加正弦信号源过零比较触发器分频带通滤波移相固定移相电路程控移相电路Y 轴X 轴CD4051 CD4052 MSP430 G2553 X-Y 图形U2LM311DB/STBVS+BALVS-23487561R21k VCC2.5VVEE-2.5VC110 FC20.1 FC30.1 FC410

9、F1MHz正弦 波U1A74HC74D_2V1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4500KHz方波图 4 分频电路（3）滤波电路设计500KHz方波产生 500KHz正弦波时，采用的是巴特沃斯带通滤波器，巴特沃斯滤波器的特点是通频带内的频率响应曲线最大限度平坦，没有起伏，虽然在阻频带内缓慢下降为零，但可以通过增加滤波器的阶数来加快阻带内的衰减。经过滤波器设计软件Filter Solutions 和仿真软件 Multisim 仿真，二阶时就可以达到要求，电路图如图5：主要计算公式为;00200)()(sQssQAsA,当23RR时，43CC时3402)(RRA,43011RRC,Q=34

10、21RR,R215k C3100pFC4100pFR3120U2AOPA2350EA32481R462kVEE2.5VVCC-2.5VC20.1uF C50.1uF C810 FC910 F输 入 500KHz方 波输 出 500KHz正 弦 波图 5 巴特沃斯带通滤波器（4）程控移相电路设计采用有源移相电路，通过单片机控制模拟开关CD4051改变接入的电阻值，进而改变相位差，实现 0-045的移相。4590的移相、900135的移相、135180的移相，可通过单片机控制CD4052使 0-045的移相电路分别与045、90、0135的移相电路级联来实现题目要求。四、软件设计本实验应用 MSP

11、430G2553 实现对模拟开关的控制，控制程序较为简单，其流程图如下：五、测试方案与测试结果5-1 测试仪器（1）Agilent Technologies MSO-X 3054A 500MHz；（2）UNI-T UT803；(3)DC POWER SUPPLY DF1731SC2A。5-2 测试方法（1）频率为 1MHz，峰峰值为 2V的正弦信号分别通入0、45、90、180的移相电路，输出作为Y 轴信号，用示波器观察峰峰值及相位差。（2）直接使用外加信号作为X 轴信号，移相电路作为Y 轴信号，观察示波器显示的 X-Y 图形。（3）频率为 1MHz，峰峰值为 2V的正弦信号通过2 分频电路，

12、作为 X 轴信号，观察分频输出信号频率，电压峰峰值，波形有无明显失真；再用示波器显示 X-Y图形。（4）频率为 1MHz，峰峰值为 2V的正弦信号通入程控移相电路，MSP430 控制移相（0-045），用示波器观察相位差及峰峰值,记录数据。（5）利用要求（1）中的移相电路组和要求（4）中的程控移相电路，组合成一个移相范围为0180的移相电路，用示波器观察移相误差，记录数据，并能结合 A 和 B 两种 X 轴信号，在示波器上显示对应的X-Y 图形，看 X-Y 图形是否正确。（6）测试在 MSP430的控制能否完成0180的自动循环移相，并能结合 A 和B 两种 X 轴信号，在示波器上动态地显示X

13、-Y 图形。看 X-Y 图形显示是否正确，开始初始化按键中断控制模拟开关5-3 测试结果（1）输出移相及峰峰值ppV（1MHz、PPV为 2V 的正弦波）移相000450900180实测010450900178移相误差01000002实测PPV（V）1.99 1.99 1.99 2.01 PPV误差0.5%0.5%0.5%0.5%（2）直接使用外加信号作为X 轴信号，移相电路作为Y 轴信号，X-Y 图形见附录一。（3）频率为 1MHz，峰峰值为 2V的正弦信号通过2 分频电路，输出信号频率为500KHz，峰峰值为 2.01V 的正弦波，波形无失真。（4）输入 1MHz，峰峰值为 2V 的正弦波

14、，步进04.6，记录输出相位差及PPV（0-045）测试数据表 1 步进0004.608.1202.1906.2503204.3808.44实测相位差03010013020026032039045误差0306.302.008.004.00 06.002.0实测PPV（V）1.99 1.98 1.97 1.95 1.95 1.95 1.95 1.97 ppV 误差0.5%1%1.5%2.5%2.5%2.5%2.5%1.5%由数据可知，移相误差在40以内，增益误差均在3%以内。（5）（450-1800）测试数据表 2 步进04.5108.5702.6406.7007704.8308.8996.40

15、实测相位差530560640720770830890980误差1.601.800.201.40000.400.801.60步进102.80109.20115.601220128.40134.8004.14108.147实测相位差10101100116012201280135014301480误差1.800.800.40000.400.201.600.20步进02.15406.160016704.17308.179实测相位差15401610167017401790误差0.200.40000.600.80由表 1 和表 2 可知，步进设置为6.40，实测移相误差均在3.60以内，达到题目要求，且

16、X-Y 图形显示正确。（6）测试在 MSP430 的控制能完成 0180的自动循环移相，结合A 和 B 两种 X 轴信号，X-Y 图形显示正确。5-5 误差分析（1）由于仪器显示存在一定误差，并受周围环境，如温度、磁场等一些自然因素的影响，测试数据难以达到理想值，但可以通过多次测量来降低误差。（2）整个电路系统由于手工制作完成，无法实现严格的阻抗匹配，布线不能完全避免线路之间以及外界磁场的干扰，干扰抑制还达不到理想程度。六、结论6-1 该系统满足了题目的所有要求，并有一定程度的提高。本设计多使用贴片元件、集成芯片，使系统体积大大减小并降低了成本，性价比较高。6-2 作品改进（1）本系统设计可以

17、增加LCD显示，显示电路的相关数据，实现人机交互。（2）由于手工布局电路受限，时间有限，来不及制板，如果采用PCB 印制电路板，可以减小连线引起的干扰，同时增加系统的精度与稳定性。附录一、系统部分电路图VDD2.5VU6LM311DB/STBVS+BALVS-23487561R211k VCC 2.5VVCC 2.5VVCC-2.5VVEE-2.5VVEE 2.5VC3710FC380.1 FC390.1 FC4010F1MHz正 弦波R2215k C41100pFC42100pFR23120U10AOPA2350EA32481R2462kC430.1uF C440.1uF C4510FC46

18、10FU11BOPA2350PA56487R252kR262kC4782pFR2720kKey=A6%C4810FC490.1 FC501.0 FC510.1 FU12A74HC74D_2V1D21Q51Q61CLR11CLK31PR4500KHz正 弦 波图 6 2 分频电路图 7 2 分频电路效果图原信号与 00移相电路的 X-Y 图形原信号与 450移相电路的 X-Y 图形原信号与 900移相电路的 X-Y 图形原信号与 1800移相电路的 X-Y 图形二分频信号与00移相电路的X-Y 图形二分频信号与450移相电路的X-Y 图形二分频信号与900移相电路的X-Y 图形二分频信号与1800移相电路的X-Y 图形附录二、参考文献【1】全国大学生电子设计竞赛训练教程（修订版），黄智伟主编 电子工业出版社，2010【2】MSP430系列单片机系统工程设计与实践，谢楷赵健 编著 机械工业出版社，2011【3】电子创新设计与实践（第2 版），王松武主编国防工业出版社，2010【4】模拟电子电路及技术基础（第二版），孙肖子 主编 西安电子科技大学出版社，2008【5】电子设计指南孙肖子 等编 高等教育出版社，2006。