2012年TI杯电子设计大赛A题Word文档下载推荐.doc
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ThesystemisbasedontheLaunchpad,withthecoreofultra-lowpowerMSP430G2553(MCU).ThendealwiththedataanddisplaythemagnitudewithSMC1602.
Keyword:
noise,WeakSignalDetectionsystem,MSP430G2553.
1.方案设计
1.1理论分析
(1)加法器电路分析:
在加法器电路的前端,用OPA2134做两个缓冲器,对输入加法器的正弦信号和噪声信号进行一级缓冲,隔离信号源和加法电路。
OPA2134是双音频运算放大器,噪声信号是音频,所以它完全符合要求,可以对噪声进行缓冲。
加法器电路采用INA2134对正弦信号和噪声信号进行相加,INA2134是双音频差分运算放大器,按照加法电路连接即可很好实现两信号的叠加,并且其带宽完全符合题目要求。
(2)纯电阻分压网络的分析:
题目要求纯电阻分压网络的衰减系数不低于100。
所以该部分电路采用精密电阻对叠加的信号进行100倍的衰减。
(3)微弱信号检测电路的分析:
由于信号本身就比较小,又经过衰减网络衰减了100倍,因此在进行信号检测之前先采用OPA2227对微小信号进行了前置放大,OPA2227是双路低噪声高精密的运放,可以精确的对信号进行放大。
该前置放大网络将小信号又放大了100倍,以方便后续电路的测量。
微弱信号检测电路采用了一个六阶的带通滤波器,中心频率是1KHZ,以滤掉除正弦信号以外的各种噪声信号。
为后续电路的测量做准备。
带通滤波器主要采用了OP07运算放大器做为主芯片。
只要外围模拟软件选择合适,误差不会超出2%。
(4)显示电路的分析:
交流电压信号不能直接测量,在显示正弦信号的大小之前需要先对交流电压信号进行处理,本设计让正弦信号通过AD637(真有效值转换芯片)转换成直流电压信号后测量,AD637转换精度高,失真小,最大失真误庆功为0.02%+2个字要求。
测量采用双积分型ADCMC14433完成,MC14433是三位半模数转换芯片,精度为0.05%+1个字,完全符合电路精度的要求。
1.2选用TI器件的依据与理由
(1)MSP430G2551单片机:
MSP430系列单片机是美国德州仪器(TI)1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(MixedSignalProcessor)。
它将许多模拟电路外设(如ADC、DAC、模拟比较器等)和各常用数字模块(如SCI、SPI、I2C、看门狗、PWM、CAP、定时/计数器)集成在芯片内部。
由于它具有处理能力强、运算速度快、集成度高、外部设备丰富、超低功耗等优点,而且有很高的性价比,因此在许多领域内得到了广泛的应用。
MSP430单片机可以采用汇编语言或C语言进行程序设计。
它支持JTAG调试,其硬件仿真器是一个简单的并口转接器,并且适用于所有的MSP430单片机。
其超低功耗在睡眠模式时最低消耗电流可低至0.1uA,且有七种低功耗模式可供选择,多个I/O支持中断模式满足系统对外部中断的需求。
其软件是由IAR公司提供的EmbeddedWorkbench集成开发环境。
此软件人机界面友好,并能很好的支持C语言开发。
由于本系统属于仪表类设计,因此涉及到自动控制以及低功耗方面的要求。
MSP430单片机I/O口端丰富,所消耗的功耗低,因此是此系统设计最佳的选择。
(2)OPA2134双音频运放:
OPA2134频带很宽,转换速率高,而且超低噪音超低失真,高输出驱动能力,声音是属于细致型的。
非常适合用于本设计的噪声及信号。
(3)INA2134差分运放:
INA2134完全指定高性能音频应用,低失真,高压摆率,良好的动态响应,此外高输出电压摆幅和高输出驱动能力,允许应用在要救济苛刻的各种场合。
片内集成了精密电阻,可组成差分,求和等各种信号组合,外接元件还可实现放大等功能。
精确度高热稳定度好。
完全适合本设计的应用。
一般与OPA2134配合使用。
(4)OPA2227低噪声高精度运放:
运算放大器低噪高精密。
精确放大信号电压。
(5)OP07运算放大器:
OP07是常用的低噪声高精度运算放大器,具有极低的输入失调电压,极低的温漂,非常低的输入噪声电压幅度,高的共模抑制比(-126dB)及稳定性好等特点。
其输入失调电压为10uV,输入失调电压温漂为0.2uV/℃,电源电压范围宽,输入阻抗高。
可广泛应用于积分电路、精密绝对值电路、比较器及微弱信号精确放大电路。
(6)TL431稳压器件:
在小电阻测量时需要10mA的恒定电流,系统设计采用TL431稳压器件产生稳定的2.5V电压做基准设计出精密恒流源。
TL431是一个有良好的热稳定性的三端可调分流基准源。
它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。
该器件的典型动态阻抗为0.2_,电压波动差值为正负0.4%,低噪音输出,与其他产品相比,TL431物美价廉,故采用TL431作为系统设计的电压基准器件。
1.3设计方案论证
方案一:
锁相放大法,锁相放大器是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。
它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准,只对被测信号本身和那些与参考信号同频(或者倍频)、同相的噪声分量有响应。
因此,能大幅度抑制无用噪声,改善检测信噪比。
此外,锁相放大器有很高的检测灵敏度,信号处理比较简单,是弱光信号检测的一种有效方法。
但原理比较复杂且不易实现,因此本设设计没有采用此种方法。
方案二:
取样积分法,取样积分法与锁相放大法基本相同,只是取样积分是时域信号的累计平均,可恢复被噪声淹没的信号波形,信号波形重复出理且形状不变。
而锁相放大是频域信号的窄带化处理,可得到淹没在噪声中的正弦信号的幅度和相位。
两种方法都是弱信号幅值检测的有效方法,只是电路实现比较复杂,才没有采用这两种方法。
方案三:
滤波器法,滤波器(filter),是一种用来消除干扰杂讯的,将输入或输出经过过滤而得到纯净的信号。
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路,就是滤波器,其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
本设计采用一个多阶的带通滤波器,中心频率是1KHZ,滤除除有效信号以外的交流信号。
用滤波器设计软件设计该滤波器,方便简单,而且还基本可实现题目要求,所以本设计采用滤波器的方法。
2.系统实现
2.1硬件实现
2.1.1系统框图
电源
正弦波信号源
微弱信号
检测电路
噪声源
VS
VN
VC
Vo
纯电阻
分压网络
显示
电路
加法器
Vi
A
B
C
D
E
系统框图如图所示。
MSP430G2553单片机是本系统的核心器件,负责控制整个系统的正常工作,包括读取MC14433转换后的结果,LCD1602液晶的驱动与显示等。
输入的电压信号可供ADC模拟输入端能正常进行采样的电压。
电压测量模块的功能是将被测的交流电压转换成相应的RMS值。
MC14433模块的功能是实现模拟量到数字量的转换,其转换后的数字量由单片机读取并送到显示模块中显示。
2.1.2不同功能单元电路及接口设计
(1)电源硬件电路
题目要求系统具有低功耗模式,即在一定的时间内没有操作,系统在单片机的控制下自动切断一部分电路的工作电源。
电源管理电路原理图如图3所示,电池的正极分成两路,第一路是直接接入到SPX1117的输入端,SPX1117是三端集成稳压芯片,其输出端输出恒定的3.3V,作单片机系统电源。
另一路是经过三极管9012可以开关控制,本设计中在系统处于正常工作状态时,单片机控制口输出高电平,9011处于饱和状态,9012的基极电压与地电压相近,9012饱和,即处于导通状态。
9V叠层电池的正极电压到达78L05三端集成稳压芯片的输入端,其输出端输出稳定的+5V电压。
-5V由负压电荷泵7660S产生。
当系统处于“低功耗”状态时,单片机控制口输出为低电平。
9011处于截止状态,9012的基极电压为9V,也处于截止状态,模拟部分电源电压为零。
而单片机将一直处于不同模式的工作状态。
(2)加法器电路
加法器电路是信号的输入端,是对信号最开始的处理。
如果此处失真比较大,刚对后续的电路将会产生非常大的影响。
因此在加法器电路的前端,用OPA2134做两个缓冲器,对输入加法器的正弦信号和噪声信号进行一级缓冲,隔离信号源和加法电路。
加法器电路采用INA2134对正弦信号和噪声信号进行相加,INA2134是双音频差分运算放大器,按照加法电路连接即可很好实现两信号的叠加,并且失真小。
电路如下图所示。
(3)纯电阻分压网络
电路如下图
(4)微弱信号检测电路
微弱信号检测电路的前级庆大电路如下图
带通滤波器电路如下图所示
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