基于dsp数字信号处理器的交流采样系统

基于dsp数字信号处理器的交流采样系统内容摘要：

模拟输入通道 B3 31 CAP5 CAP 输入端 5 15 ADINB4 模拟输入通道 B4 32 CAP6 CAP 输入端 6 16 ADINB5 模拟输入通道 B5 33 AGND 模拟地 17 AGND 模拟地 34 AGND 模拟地 6 表 J19 的管脚定义和说明 管脚号 管脚名 说明 管脚号 管脚名 说明 1 +5V 电源 由 POWER 提供的电源 18 GND 地线 2 +5V 电源 由 POWER 提供的电源 19 T2CTRP 定时器 2 比较输出 3 PWM1 PWM1 输出引脚 20 T3CTRP 定时器 3 比较输出 4 PWM2 PWM2 输出引脚 21 T4CTRP 定时器 4 比较输出 5 PWM3 PWM3 输出引脚 22 C1CRTIP 比较器 1 比较输出 6 PWM4 PWM4 输出引脚 23 C2CRTIP 比较器 2 比较输出 7 PWM5 PWM5 输出引脚 24 C3CRTIP 比较器 3 比较输出 8 PWM6 PWM6 输出引脚 25 TDIRA 定时器计数方向 A 9 PWM7 PWM7 输出引脚 26 TCKINA 定时器时钟输入 A 10 PWM8 PWM8 输出引脚 27 SCITXB 异步串口 TX 端 B 11 PWM9 PWM9 输出引脚 28 SCIRXB 异步串口 RX 端 B 12 T1PWM T1 输出引脚 29 SPSIMA SPI 主收主发端 13 T2PWM T2 输出引脚 30 SPSOMA SPI 主发从收端 14 T3PWM T3 输出引脚 31 SPICLKA SPI 时钟 15 T4PWM T4 输出引脚 32 SPISTEA SPI Slave 发送使能 16 T1CTRP 定时器 1 比较输出 33 GND 地线 17 GND 地线 34 GND 地线 运算放大器 LM324 介绍 LM324 工作原理 LM324 系列运算放大器是价格低廉的带差动输入功能的四运算放大器，可工作在单电源下。 与某些单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。 该四放大器可以工作在低到 伏或者高到 32 伏的电源下，静态电流为 MC1741 的静态电流的五分之一。 共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。 7 LM325 具有以下优点： 路保护输出 ： 3V32V ：最大 100nA（ LM324A）。 LM324 内部集成四个运算放大器，每个运放相互独立，可以单独使用。 从原理上说，集成运算放大电路实质上就是一个具有高放大倍数的多级直接耦合放大电路。 他的内部通常包含四个基本组成部分，即输入级、中间级、输出级和偏置电路，如图所示。 以下简单介绍个部分的功能。 输 入 级 中 间 级 输 出 级偏 置 电 路 图 集成运放的基本组成部分 1) 输入级 集成运放的输入级对于他的许多指标注入输入电阻、共模输入电压、差模输入电压和共模抑制比等等，起着决定性的作用，因此是提高集成运放质量的关键。 为了发挥集成电路内部元件参数匹配较好、易于补偿的优点，输入级大都采用差分放大电路的形式。 2) 中间级 中间级的主要任务是提供足够大的电压放大倍数。 从这个目标出发，不仅要求中间级本身具有较高的电压增益，同时为了减少对前级的影响，还应具有较高的输入电阻。 尤其当输入级采用有源负载时，中间级的输入 电阻问题更为重要，否则将使输入级的电压增益大为降低，失去了有源负载的优点。 另外，中间级还应向输出级提供较大的推动电流，并能根据需要实现双端输入至单端输出的转换。 8 为了提高电压放大倍数，集成运放中间级经常利用三极管作为有缘负载。 另外，中间级的放大管有时采用复合管的结构形式。 3) 输出级 集成运放输出级的主要作用是提供足够的输出功率以满足负载的需要，同时还应具有较低的输出电阻以便增强带载能力，也应有较高的输入电阻，以免影响前级的电压放大倍数。 一般不要求输出级提高很高的电压放大倍数。 由于输出级工作在大信号状态，应设法 尽可能减少出书波形的失真。 此外，输出级应有过载保护措施，以防输出端意外短路或负载电流过大而烧毁功率管。 集成运放的输出级基本上都采用各种形式的互补对称放大电路。 4) 偏置电路 偏置电路的主要作用是向各级放大电路提供合适的偏置电流，确定各级静态工作点。 一般由三极管组成的电流源电路提供恒定的静态电流和有源负载。 LM324 的引脚、结构及其典型运用 图 LM324管脚图 LM324 管脚如上图所示，管脚 12为“ +”端，是四个运放的同相输入端，管脚 13 为“ ”端，是四个运放 的反相输入端， 14为四个运放的输出端。 输出端的电压与反向输入端的信号相位相反，而与同相输入端的信号相位相同。 对于理想的运放，工作在线性状态时，输出电压与输入电压的关系为 U0=Aod(Ui2Ui1) （ 21） 式中， Aod是运放的开环差模电压放大倍数。 由于运放的开环放大倍数很大，所以其线性工作范围很窄。 为了让运放能在比较大 9 的输入电压范围内工作在线性区，就必须引入深度负反馈降低运放的放大倍数。 当运放工作工作在线性区时，可组成各类信号运算电路，如比例、加减、微分和 积分等。 比例运算电路 比例运算电路的输出电压与输入电压之间存在比例关系，即电路可以实现比例运算，是其他各种运算电路的基础。 比例运算电路根据输入信号解法的不同，有电路三种基本形式：反相输入、同相输入以及差分输入比例运算电路。 图 反相比例运算电路 上图中，输入电压 Ui电阻 R1加到集成运放的反相输入端，其同相输入端经电阻 R2接地。 输出电压 U0经 Rf接回到反相输入端构成负反馈放大器。 集成运放的反相输入端和同相输入端，实际上是运放内部输入级两个差分对管的基级。 为了使差动放大电路的参数保持对 称，应使两个差分对管基级对地电阻尽量一致，以免静态基流流过这两个电阻时在运放输入端产生附加的偏差电压。 因此选择 R2的阻值为 R2=R1//Rf （ 22） 而反比例运算运算电路的电压放大倍数为 10 RRuuA fiuf （ 23） 图 同相比例运算电路 10 上图中，输入电压 iu 连接至同相输入端，但是为保证引入的 是负反馈，输入电压 0u 通过电阻 Rf仍接到反相输入端，同时，反相输入端通过 R1接地。 为了使集成运放反相输入端和同相输入端对地电阻一致， R2电阻仍应为 R2=R1//Rf （ 24） 同比例运算电路的电压放大倍数为 10 1 RRuuA fiuf （ 25） 图 差分比例运算电路 上图中，输入电压 Ui和 Ui’分别加在集成运放的反相输入端和同相输入端，从输出端通过反馈电阻 Rf接回到反 相输入端。 为了保证运放两个输入端对地的电阻平衡，同时为了避免降低共模抑制比，通常要求 R1=R1’, Rf=Rf’ （ 26） 差分比例运算电路电压放大倍数为 10 39。 RRuu uA fiiuf （ 27） 加法和减法运算 图 加法电路 11 加法电路电压为 )(3322110 RuRuRuRu iiif  （ 28） 若取 R1=R2=R3=Rf=R 式可简化为 )( 3210 iii uuuu  （ 29） 图 减法电路 减法电路电压为 22110 ifif uRRuRRu  （ 210） 滤波电路 当运放工作在线性区时，还可以组成各式各样的滤波电路。 由于集成运放是有源元件，因此由其构成的滤波电路通常称为有源滤波电路。 图 有源二阶低通滤波电路 12 二阶有源低通滤波电路的通带电压放大倍数为 11 RRA fu  （ 211） 通带截止频率为 RC2 10 f （ 212） 开关式稳压电源芯片 LM2596 介绍 LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。 固定输出版本有 、 5V、 12V， 可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。 由于该器件只需 4个外接元 件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在177。 4%的范围内，振荡频率误差在177。 15%的范围内；可以用仅 80μA 的待机电流， 实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路） LM2596 常常被运用于制作高效率降压调节器、单片开关电压调节器、正负电压转换器等。 在本采样系统中，由于 LM2596 带载能力强，我们选用了 LM2596 的 5V 固定输 出版本用于给所有需要 5V供电的元件供电。 LM2596 的特点 1) 、 5V、 12V 的固定电压输出和可调电压输出 2) 可调输出电压范围 ～ 37V177。 4% 3) 输出线性好且负载可调节 4) 输出电流可高达 3A 5) 输入电压可高达 40V 6) 采用 150KHz 的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高 7) 低功耗待机模式， IQ的典型值为 80μ A 13 8) TTL 断电能力 9) 具有过热保护和限流保护功能 10) 封装形式： TO220（ T）和 TO263（ S） 11) 外围电路简单，仅需 4 个外接元件， 且使用容易购买的标准电感 LM2596 的引脚及主要性能参数 图 LM2596引脚图 图 LM2596 的引脚图，每个引脚的极限参数如下： 1) 1号管脚为 VCC，最大电源电压为 45V。 2) 2号管脚输出管脚，输出电压为 、 5V、 12V 或者为小于 37V的可调电压。 3) 3号管脚为接地管脚。 4) 4号管脚为反馈管脚，所能承受的反馈电压的范围是。 5) 5号管脚为 ON/OFF 脚，所能承受的控制电压为。 表 LM2596 的主要性能参数 符号 参量 条件 典型值 极限值 VOUT 输出电压 ≤VIN≤40V， ≤ILOAD≤3A η 效率 VIN=12V， ILOAD=3A 73% VOUT 输出电压 7V≤VIN≤40V， ≤ILOAD≤3A 14 η 效率 VIN=12V， ILOAD=3A 80% LM259612 VOUT 输出电压 15V≤VIN≤40V， ≤ILOAD≤3A η 效率 VIN=25V， ILOAD=3A 88% LM2596ADJ VOUT 输出电压 ≤VIN≤40V， ≤ILOAD≤3A VOUT=3V， η 效率 VIN=25V， VOUT =3V， ILOAD=3A 73% VIN=25V， VOUT =15V， ILOAD=3A 90% 通过表 可知， LM2596 仅需 4 个外接元 件，就可以得到很好的转换效率。 稳压芯片 TL431 介绍 德州仪器公司（ TI）生产的 TL431 是一是一个有良好的热稳定性能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（ ）到 36V 范围内的任何值。 该器件的典型动态阻抗为 ，在很多应用中可以用它代替齐纳二极管，例如，数字电压表，运放电路、可调压电源，开关电源等等。 TL431 工作原理 图 TL431的符号 上图是该器件的符号。 3个引脚分别为：阴极（ CATHODE）、阳极（ ANODE）和参考 端（ REF）。 TL431 的具体功能可用图 的功能模块示意。 15 图 TL431功能模块 由图可以看到， VI 是一个内部的 基准源，接在运放的反相输入端。 由运放的特性可知，只有当 REF端（同相端）的电压非常接近 VI（ ）时，三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过，而且随着 REF 端电压的微小变化，通过三极管 图 1。