基于二線制變送器的正弦信號發生器的設計

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遠距離控制DDS頻率合成芯片AD9851的目標，以產生1～2 MHz的正弦信號。實驗結果表明，采用二線制電流型電阻變送器能夠實現遠距離數據傳輸，電阻與頻率非線性度非常理想。

關鍵詞： 二線制變送器； 正弦信號發生器； MSP430F149； DDS； AD9851

中圖分類號： TN741?34 文獻標識碼： 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

正弦信號發生器作為電子技術領域中最基本的電子儀器，廣泛應用于航空航天測控、通信系統、電子對抗、電子測量等各個領域中[1]。在實際應用中，控制端與正弦信號發生器之間有時相距長達幾十米甚至幾百米，并且現場環境較為惡劣，會有各種電磁干擾以及雷電感應產生的強浪涌脈沖。如果采用電壓型變送器實現數據通信，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，數據傳輸質量差。因此，在惡劣的工作環境下，采用何種傳送器實現控制端遠距離有效控制正弦信號發生器是工業現場亟待解決的難題。

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，可用便宜的細導線實現數據傳輸；

（2） 在電流源輸出電阻足夠大時，經磁場耦合感應到導線環路內的電壓，不會產生顯著影響；

（3） 信號傳輸距離遠，可節省大量電纜線和安裝費用[2]。

本文設計并完成了利用二線制電流型電阻變送器實現遠距離控制DDS直接頻率合成芯片AD9851的目標，使其隨輸入電阻在1～2 kΩ范圍內變化而相應產生1～2 MHz的正弦信號。

1 系統總體設計

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

2 系統硬件設計

2.1 二線制電流型電阻變送器設計

采用運算放大器LM358、三極管、可調電阻組成輸入為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一個250 Ω的電阻，使其輸出端由電流信號轉換成相應的電壓信號，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轉換。

其電路如圖2所示。

2.2 正弦信號發生器設計

正弦信號發生器采用美國AD公司生產的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，內置一個高速、高性能的10 b數模轉換器和比較器，共同構成數字可編程頻率合成器和時鐘發生器。AD9851的高速DDS內核提供一個32 b的頻率調諧字。以精密時鐘源作為基準時鐘，AD9851能產生一個頻率穩定、相位可編程的數字化模擬輸出正弦波[3]。其電路原理圖如圖3所示。

2.3 系統微控制器設計

系統微控制器采用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，特別適合于電池應用或手持設備。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 轉換器，片內看門狗定時器，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設計[4]。其電路設計如圖4所示。

2.4 系統電源設計

系統采用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，經橋式整流，輸出約30 V的直流電壓，給系統供電。其電路圖如圖5所示。

3 系統軟件設計

系統軟件包含A/DC轉換模塊程序、向AD9851寫入的32位的頻率調諧字以及LCD顯示3部分。

3.1 系統流程圖

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

3.2 系統程序設計

（1） A/DC轉換子程序

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 結果及分析

4.1 實驗結果測試數據

實驗結果測試數據如表1所示。

4.2 數據分析

（1） 實際測試結果表明，系統輸入端電阻在1～2 kΩ的范圍內變化時，其對應的輸出電流在4～20 mA范圍內隨之改變，DDS頻率合成芯片AD9851產生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%，整個系統性能指標非常優良。

（4） 經實際測試，系統遠距離傳輸可達240 m。

參考文獻

[1] 楊萍，兀旦輝，楊良煜.DDS技術在正弦信號發生器中的應用[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計與實現[J].茂名學院學報，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技術的正弦信號發生器設計[J].現代電子技術，2010，33（9）：118?120.

[6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信號發生器設計[J].現代電子技術，2012，35（1）：187?188.

2.4 系統電源設計

系統采用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，經橋式整流，輸出約30 V的直流電壓，給系統供電。其電路圖如圖5所示。

3 系統軟件設計

系統軟件包含A/DC轉換模塊程序、向AD9851寫入的32位的頻率調諧字以及LCD顯示3部分。

3.1 系統流程圖

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

3.2 系統程序設計

（1） A/DC轉換子程序

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 結果及分析

4.1 實驗結果測試數據

實驗結果測試數據如表1所示。

4.2 數據分析

（1） 實際測試結果表明，系統輸入端電阻在1～2 kΩ的范圍內變化時，其對應的輸出電流在4～20 mA范圍內隨之改變，DDS頻率合成芯片AD9851產生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%，整個系統性能指標非常優良。

（4） 經實際測試，系統遠距離傳輸可達240 m。

參考文獻

[1] 楊萍，兀旦輝，楊良煜.DDS技術在正弦信號發生器中的應用[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計與實現[J].茂名學院學報，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技術的正弦信號發生器設計[J].現代電子技術，2010，33（9）：118?120.

[6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信號發生器設計[J].現代電子技術，2012，35（1）：187?188.

2.4 系統電源設計

系統采用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，經橋式整流，輸出約30 V的直流電壓，給系統供電。其電路圖如圖5所示。

3 系統軟件設計

系統軟件包含A/DC轉換模塊程序、向AD9851寫入的32位的頻率調諧字以及LCD顯示3部分。

3.1 系統流程圖

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

3.2 系統程序設計

（1） A/DC轉換子程序

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 結果及分析

4.1 實驗結果測試數據

實驗結果測試數據如表1所示。

4.2 數據分析

（1） 實際測試結果表明，系統輸入端電阻在1～2 kΩ的范圍內變化時，其對應的輸出電流在4～20 mA范圍內隨之改變，DDS頻率合成芯片AD9851產生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%，整個系統性能指標非常優良。

（4） 經實際測試，系統遠距離傳輸可達240 m。

參考文獻

[1] 楊萍，兀旦輝，楊良煜.DDS技術在正弦信號發生器中的應用[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計與實現[J].茂名學院學報，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技術的正弦信號發生器設計[J].現代電子技術，2010，33（9）：118?120.

[6] 毛群.基于AD9851的受控正弦信號發生器設計[J].現代電子技術，2012，35（1）：187?188.