基于MSP430的自动幅频特性测试技术创新

　0 引 言
　　幅频特性是反映电路网络对不同频率信号作用效果的重要评价指标，是电路网络传输特性最直观的体现[1]。随着电子技术的飞速发展，自动测试技术已在工业、农业、军事、交通运输、商业、医疗等领域得到了广泛的应用。因此，建立低成本、便携、快速、实时、动态的幅频特性自动测试系统将会大大缩短对电路网络幅频特性进行测量的时间，降低人力，节约成本。而MSP430作为TI公司推出的16位单片机系列产品，具有超低功耗、精简指令集等优点，正常工作时功耗可控制在200 μA左右，可实现2 μA甚至0.1 μA的低功耗，因此在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势[2]。目前，MSP430系列单片机在国内已得到了广泛的应用。
　　本文建立基于MSP430单片机的自动幅频特性测试系统，能够完成对电路网络幅频特性的实时测量与显示。
　　1 系统设计方案
　　基于MSP430单片机的自动幅频特性测试系统由正弦信号产生模块、被测电路、幅度测量模块、单片机同PC机的串口通信模块四个主要模块组成，并配有矩阵键盘、LCD液晶显示、幅频特性响应曲线的实时绘制等功能模块，其系统框图如图1所示。
　　1.1 正弦信号产生模块
　　正弦信号产生模块由TI公司的MSP430F149单片机、Maxim公司的MAX038单片集成高频精密函数发生器、TI公司的TLV5616 12位串行DAC、CD4051模拟开关、4×4矩阵键盘以及LCD1602液晶显示等组成，其框图如图2所示。
　　基于单片机的信号发生器具有电路相对简单、结构紧凑、价格低廉、频率稳定度高、抗干扰能力强、用途广泛等优点，并且能够对波形进行精细地调整，使其满足系统的要求，并且只需对电路和程序稍加修改就可完成功能的升级[3]。
　　用户通过4×4矩阵键盘设置所要产生的正弦信号的频率和幅度，主控芯片 MSP430F149 根据用户的按键输入来产生相关控制信号，按键状态由LCD1602显示。波形的选择是通过控制 MAX038的地址输入端 A1和A0 来实现的，当引脚A0和A1接高电平时，输出信号为正弦波[4]。MAX038 输出信号的频率主要由引脚 IIN的电流IIN，COSC 引脚端所连接的电容[CF]以及 FADJ上的电压VFADJ所决定[5]。当VFADJ=0 V 时，输出频率[f0]（单位：MHz）由式（1）给出：
　　[f0=IINCF] （1）
　　式中：[IIN]为流入IIN引脚的电流（单位：μA）；[CF]为COSC引脚的对地电容（单位：pF）。
　　MAX038单片集成高频精密函数发生器的引脚连接电路图如图3所示。
　　图3中COSC引脚由外部电路模块提供不同的电容，电容的容值会影响输出信号的频率范围，但电容过多会导致占用的单片机I/O过多，所以本设计采用CD4051模拟开关来实现不同电容值的选择。当CD4051地址端输入不同值时，其对应的通道就会被导通，从而完成不同电容值的选取，[CF]有8种容值可供选择。DADJ引脚接地时，输出波形占空比为50%。外部电流产生模块为IIN管脚提供不同的电流值，以此来调节输出信号的频率。本设计采用12位DAC TLV5616输出端串接电阻的方式产生电流[IIN，]当从矩阵键盘输入某一频率值后，单片机产生TLV5616的控制信号，进而将电流送入MAX038的IIN引脚，该电流IIN的范围为2～750 μA。结合[IIN，][CF]和公式（1）可确定该正弦信号产生模块能够产生频率范围为0.1 Hz～20 MHz的正弦波。MAX038可输出幅度范围为0～1 V的正弦波。　利用示波器对正弦信号产生模块输出信号的频率及幅度进行测量，其测量结果如表1所示，信号幅度设定为1 V。
　　从表1可见，正弦信号产生模块的频率误差和幅度误差在低频和高频处较大，但总体来看误差均在5%以内，满足系统要求。为了能够实现被测电路幅频特性响应曲线的实时测量与显示，在本系统中使用键盘设定扫频初始频率及扫频时的频率增量，从而实现系统的自动扫频功能。
　　1.2 幅度测量模块
　　将所产生的正弦信号送入被测电路的输入端，对经过被测电路后的输出信号进行幅度测量，结合不同频率下的输入输出信号的幅度，即可完成被测电路幅频特性响应的测量。
　　幅度测量模块由整流滤波电路和MSP430G2553单片机组成。将被测电路的输出信号进行全波整流并滤波，得到反映其信号幅度的直流信号，并将该直流信号送给单片机MSP430G2553，利用其内部的10位ADC进行模/数转换后，得到反映正弦交流信号幅度信息的数字量，并取其100个幅度测量结果进行平均，将平均值送入PC机用以完成幅频特性响应曲线的实时绘制，其结构框图如图4所示。
　　为了考察不同频率信号经幅度测量模块后的幅度测量精度，设定幅度测量模块输入正弦信号的幅度值恒为1 V，不同频率下的测量结果如表2所示。从表2中可见，幅度测量模块对不同频率输入正弦信号的幅度测量误差均在5%以下。
　　1.3 串口通信模块
　　本系统采用Matlab软件的图形用户界面GUI作为上位机，MSP430G2553单片机通过串口RS 232与上位机进行实时通信，将正弦信号的频率值和幅度测量模块采集到的正弦信号幅度值送入Matlab软件。在Matlab软件中设计具有串口配置和幅频特性响应曲线实时绘制等功能的GUI图形用户界面，并通过编写控件的回调函数，完成串口配置、曲线绘制等功能。单片机与Matlab/GUI上位机之间采用以事件驱动的方式对串口进行控制实现串行通信[6]，程序流程如图5所示。GUI图形用户界面如图6所示。
　　2 系统功能验证
　　在上述模块功能的基础上，完成了基于MSP430单片机的自动幅频特性测试系统。为了验证该系统的正确性，采用幅频特性已知的二阶低通滤波器、带通滤波器和高通滤波器做系统验证性工作。图7为三种类型滤波电路的自动幅频特性测试结果。
　　3 结 语
　　本文设计并完成了基于MSP430单片机的自动幅频特性测试系统。该系统由正弦信号产生模块、被测电路、幅度测量模块、单片机与PC机的串口通信模块组成。正弦信号的频率范围为0.1 Hz～20 MHz并可通过按键设置其扫频范围及扫频间隔；幅度测量模块对不同频率信号的测量误差在5%以内；单片机与Matlab之间采用中断方式进行串行通信，并建立GUI图形用户界面完成对电路幅频特性曲线的实时绘制。
　　参考文献
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　　[2] 郑惠琴，林庆超，李盛龙.基于MSP430单片机的汽车防盗钥匙芯片的研究与实现[ J].现代电子技术，2014，37（15）：157?158.
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　　[5] 陈小冬，张亚君.一种简易函数信号发生器的设计[J].北京电力高等专科学校学报，2011（8）：144?145.
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　　[9] 王峰，夏巍，王鸣.基于单片机和AD9833的信号发生器的设计[J].南京师范大学学报：工程技术版，2012，12（1）：76?79.