2012模电邀请赛C优秀 X-Y信号产生与图形显示

X-Y信号产生与图形显示

摘要 本设计由移相模块、分频模块及控制模块三部分构成，完成X-Y信号的产生及显示。其中移相部分由RC全通网络构成，完成对外加正弦信号的移相，作为Y轴信号；分频电路利用比较器将正弦波转化为方波，作为D触发器的时钟输入，完成分频功能，作为X轴信号；控制电路以MSP430F2553为核心，通过继电器模块，选择相移值，实现程控移相电路。整个系统工作稳定可靠，基本完成题目要求。

关键字 移相 分频 X-Y信号

1 系统方案设计

1.1 分频模块设计

方案一、将正弦波信号转换为方波将其作为单片机的外部时钟进行捕获，二分频后，通过截止频率为三倍频的低通滤波器，得到正弦信号。此方案外围电路相对简单，但软件工作量较大，且输出频率稳定性较差。

方案二、将正弦信号转换为方波，利用D触发器对方波信号进行二分频，并通过低通滤波器得到正弦信号，该方案利用纯硬件实现，大大减轻了软件工作量，具有较高的稳定性。 1.2 控制模块设计 1.2.1 控制芯片的选择

本赛事中共有三种控制芯片可供选择：MSP430F5529、MSP430FR5739以及MSP430G2553

本设计中，控制芯片主要用于控制继电器的通断，选择不同的相移档位，从而实现相移的程控功能。考虑到该程序实现过程较为简单，本设计选用低成本高性能的MSP4302553，提高了本设计的性价比。 1.2.2档位选择电路的设计。

方案一、采用模拟多路复用器。模拟多路复用器是一种数控模拟开关，具备高速、低功耗、操作简单、节约IO口等特点，但其导通电阻较大，可能对前级移相网络造成影响，本设计未采用该方案。

方案二、采用继电器进行通道选择。虽然继电器占用IO口较多、体积较大，但其导通电阻为零，不会对前级电路产生影响。

综合考虑两种方案的成本及性能指标，本设计选用方案二。 1.3 程控移相网络方案设计

方案一、利用普通电阻及变容二极管搭建有源移相网络，通过数模转换器产生控制电压，从而改变变容二极管容值，由此改变相移大小，该方案的优点在于外围电路简单，然而普通变容二极管温度特性较差，受环境影响较大，数字噪声可能会对模拟电路产生较大影响。稳定性不强，本设计未采用该方案。

方案二、设置多个相移档位，通过单片机控制继电器，从而选择不同的档位达到程控换档功能。该方案电路较为复杂，但控制简单，数字噪声较小，稳定性较强，本设计采用该方案。 1.4系统总体框图

系统总体框图如图（1）所示。正弦信号输入后，分两路进行处理，一路通过相移网络形成Y信号，另一路经由比较器，变换为方波，通过D触发器对该方波信号进行分频处理，由三倍频截止频率的低通滤波器滤波后得到正弦波即X信号，利用示波器的X-Y模式观察所得波形。

图（1）系统总体框图

2 理论分析与计算 2.1滤波电路设计

由傅里叶变换可以证明方波可表示为：

f(t)?4h111使方波通过截止频率为三(sin?t?sin3?t?sin5?t?sin7?t???)根据公式可知，

?357倍频的低通滤波器即可得到正弦波。

2.2抗干扰措施

（1）防止数字信号与模拟信号耦合造成干扰

由于系统为数字系统与模拟系统相互联系的混合系统，采用如下方法解决数字信号与模拟信号的耦合问题：数字信号尽可能远离模拟信号；在模拟信号与数字信号之间设置屏蔽；在数字地和模拟地之间接磁珠防止两地线之间串扰。

（2）防止电源的干扰

由于数字电路在电源电路会产生峰值很大的尖峰电流，供电电源是外部瞬时脉冲窜入系统的主要通道，必须对其采取必要的抗干扰措施：在放大器芯片的电源输入处采用一个0.1uF 的瓷片电容和一个10uF的电解电容并联，作为旁路电容滤除纹波，有效地抑制了来自电源线的干扰影响；电容连线靠近电源端并尽量粗短。

3.2软件程序设计

3.1硬件电路设计

3.2.1软件实现平台

图（2）供电系统电路图

3.1.1电源电路设计

3.1.2滤波器电路设计

3 电路及程序设计

本设计采用7802,7905作为稳压芯片，使220V交流信号经变压器，整流滤波电路，稳压芯片变为直流电压为系统的各个模块提供稳定电压。

图（3）滤波器电路

MSP430G2553-Launchpad可以实现简单的I/O控制，定时等功能，操作方便，成本低廉，完全可以胜任本设计所需要的人机交互及相位程控功能。

3.2.2软件实现流程

3.2.3编程执行思路

完成MSP430G2553硬件及boot程序初始化后进入主函数。主函数中实时对接有拨码开关的I/O口数字采样，当发现拨码开关设定值有变化时，根据设定的移相器选择情况完成对移相器的设定。若没有新的变化则检测用户是否要求循环显示“李沙育”图形。若要求则进行循环显示，否则继续检测用户设定的移相器选择情况。

4 测试方法与测试结果

4.1测试工具

表（一）测试工具

工具名称 示波器 函数发生器 直流稳压电源 万用表

型号 MSO-X 2024A F05A DF17131SC2A UT803 数量 1 1 1 1 4.2移相电路误差测量

使用函数发生器向移相电路输入频率为1MHz、峰峰值为2V的正弦信号，利用函数发生器观察并测量移相电路输入输出波形的相位差，记录如表（二）所示。

表（二）移相电路误差统计表 标准相移（度） 0 45 90 180 输出幅值（V） 实际相移（度） 1.92V 2.04V 2.04V 2.04V 1 43 87 183 误差（%） 0 4.4 3.3 1.7 4.3 X-Y波形显示测试

将示波器设为X-Y模式，将外加信号作为X信号，观察示波器波形。

4.4 二分频电路测试

将频率为1MHz，峰峰值为2V的正弦波接到2分频电路输入端口，观察到输出波形频率为500KHz，峰峰值为2V，符合题目要求，将示波器设为X-Y模式，观察得到正确的“李沙育”图形。

5 总结及心得体会

本设计充分利用TI公司提供的芯片OPA890、LM311、OPA2350、MSP430F2553, 完成了题目全部要求，实现了X-Y信号的产生与显示。

在设计过程中，我们充分考虑到了降噪等因素，采取了一系列措施，最大可能的避免了噪声干扰，使得系统达到了较好的性能。

参考文献

【1】康华光编著.《电子技术基础模拟部分（第四版）》.高等教育出版社 2008 【2】康华光编著.《电子技术基础数字部分（第四版）》.高等教育出版社 2008 【3】OPA890 Datasheet, Texas Instruments, 2008 【4】LM311 Datasheet, Texas Instruments, 2008 【5】OPA2350 Datasheet, Texas Instruments, 2008

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/mq56.html