基于MSP430的信号波形发生器的电路设计与实现

【摘要】设计制作一个马鞍波、方波、三角波的信号波形发生器。系统包括方波振荡电路、分频与滤波电路、移相电路、加法合成电路、峰值检测电路、ADC转换电路、单片机控制电路与LCD显示电路。系统界面友好，工作稳定。

【关键词】NE555;分频;滤波;MSP430F147

1.方案论证与选择

1.1 波形发生器选择

方案一：采用RC振荡电路，此方案产生的方波信号频率精度不高。

方案二：选用NE555构成多谐振荡器产生方波，此方案电路简单、方便、灵活、频率稳定，故选用此方案。

1.2 分频与滤波电路的选择

方案一：分别用低通滤波器和带通滤波器对方波进行处理得到所需正弦波。其中低通滤波器的作用是把10KHz的方波滤波处理得到10KHz的正弦波，带通滤波器的作用则是为了得到30KHz和50KHz的正弦波。此方案较容易得到10KHz的正弦波，但是带通滤波器的制作精度困难，不易得到30KHz和50KHz的正弦波。

方案二：利用NE555产生一个150KHz的方波，再用HCF4017分别实现5分频、3分频得到10KHz、30KHz、50KHz的方波，然后采用由TLC04、OP07等运算放大器构成的低通滤波器进行滤波得到10KHz、30KHz、50KHz的正弦波。此方案的关键在于不同频率低通滤波器的设计，通过合理选择参数，容易实现，故选用此方案。

2.系统总体方案设计

2.1 总体设计思路

波形产生电路由NE555振荡电路构成，产生150KHz的方波;经分频得到10KHz、30KHz、50KHz的方波;再通过由TLC04和OP27构成的低通滤波电路得到10KHz、30KHz、50KHz的正弦波;然后通过由OP27组成的合成电路分别得到马鞍波、方波、三角波波形。同时以MSP430F147作为主控芯片，将三路正弦波通过由选通芯片CD4052和放大器OPA820组成的峰值检测电路得到的结果用TLV1544C进行A/D转换并在LCD上显示。

2.2 系统框图结构

根据2.1的设计思路，可得系统的总体框图如图1所示。

图1 系统总体框图

图2 波形发生电路图

3.系统硬件设计

3.1 波形发生器设计

NE555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路，工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流，它的最大工作频率为500KHz，满足产生150KHz方波的要求。由555定时器组成多谐振荡器如图2所示，通过改变R1、R2和C1的参数实现频率的调整，f=1.43/（R1+R2）*C。其中电容C1为470pf，R1采用的是可变的电阻，调试中调节R1，使产生的方波频率为150KHz。

3.2 分频电路

如图3所示，分频电路主要采用数字芯片4017、4069实现三分频和五分频，将波形发生电路产生的150KHz方波分成10KHz、30KHz和50KHz的方波。

图3 分频电路图

3.3 滤波电路

本设计需要截止频率分别为10KHz、30KHz和50KHz的低通滤波器，采用由TLC04构成的电路如图4所示。将上一模块产生的三种波形分别送入相应的低通电路，产生相应的正弦波。然后通过电位器将其幅度调到所需值。

图4 低通电路

3.4 移相电路

采用简单的RC移相电路。电阻采用可调电阻，调试时以10KHz正弦波为基准，通过调节电位器使30KHz和50KHz的正弦波与其同相。电路如图5所示。

图5 RC移相电路

图6 峰值检测电路

3.5 峰值检测电路

峰值检测主要由双通道选通芯片CD4052和TI公司的OPA820芯片构成，具体电路如图6所示。合成所需正弦波通过选通电路对相应通道进行峰值检测，然后送入ADC转换模块。

3.6 ADC转换电路

ADC转换电路如图7所示，A/D转换采用的是MSP430外部转换，TI公司的TLV1544是CMOS型10bbit模数转换芯片，其内部采用开关电容逐次近似来得到数模转换芯片有4路模拟信号输入通道，通过芯片内部参数设置选择不同通道输入，进行AD转换输出。主要特性：（1）宽范围的单纯电源供电VCC可为2.7-5.5v，而模拟输入电压范围即为0-VCC，可以编程控制使芯片工作于掉电方式下，此时电流为1UA。（2）芯片内部有较高的转换速率，转换时间小于10US。对于不同电压以不同的输入源阻抗，芯片最大的输入、出时钟频率将不同。在有可能高速的输入输出的情况下，输入输出时钟最高可以达到10MHZ。A/D转换过程由MSP430控制，并通过LCD显示各正弦波的峰峰值。MSP430控制A/D转换和显示控制电路采用常用方式，在此省略。

图7 ADC转换电路

3.7 信号波形发生器原理

波形合成的基础是傅立叶的合成，所谓傅立叶的合成就是将几种不同频率的正弦波合成方波或三角波。方波的函数表达式如下：

三角波的函数表达式如下：

把峰峰值为6V、10KHz的正弦波和峰峰值为2V、30KHz的正弦波合成一个马鞍波;在前面的基础上再加上6/5（V）、50KHz的正弦波合成一个接近的方波;同理，根据三角波的傅立叶表达式改变这几种正弦波的峰值就可以合成三角波了。

图8 波形合成电路

图9 系统程序流程图

基于上述理论我们设计的波形合成电路采用的芯片是OP07，OP07具有非常低的输入失调电压，所以不需要额外的调零措施，同时它具有输入偏置电流低和开环增益高的特点，应用起来更加方便、灵活。

4.系统软件设计

系统软件显示了友好的人机界面，采用MSP430控制显示各个A/D通道的采样电压，实现对各正弦波峰峰值的自动测试。流程图如图9所示。

5.测试结果

采用示波器观察结果，系统上电后，选通6V 10KHz、2V 30KHz的正弦波，合成得到马鞍波;选通6V 10KHz、2V 30KHz、1.2V 50KHz的正弦波，合成得到方波;选通6V 10KHz、6/9V 30KHz、6/25V 50KHz的正弦波，合成得到三角波。图10为50KHz与10KHz正弦波的相位调整波形，图11为30KHz与10KHz正弦波的相位调整波形通过示波器观察得到的合成马鞍波、方波和三角波的波形如图12、13所示。

另外通过LCD显示得到合成马鞍波的10KHz、30KHz正弦波峰峰值;合成方波的10KHz、30KHz、50KHz正弦波峰峰值;合成三角波的10KHz、30KHz、50KHz正弦波峰峰值。测量的结果表1所示。由表可知，测量误差小于±5%。

6.结论

本系统设计制作一个马鞍波、方波、三角波的信号合成器，系统上电后能够正常工作，显示波形较稳定。

参考文献

[1]谢自美等.电子线路综合设计[D].武汉：华中科技大学，2006.

[2]管致中等.信号与线性系统（第4版）[M].北京：高等教育出版社，2004.

[3]杨素行.模拟电子技术简明教程[M].北京：高等教育出版，2005.

[4]杨艳琴，沈建华.翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2005.

[5]康华光，周寿彬.电子技术基础数字部分（第四版）[M].北京：高等教育出版社，1999.

基金项目：湖北理工学院院级青年项目（项目编号：09yjz14Q）“基于FPGA的脑电信号采集系统的研究”。

作者简介：王海华（1982―），女，湖北襄樊人，硕士，讲师，现供职于湖北理工学院电气与电子信息工程学院，研究方向：CPLD/FPGA系统设计与开发。