基于MSP430的信號發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計
作者/ 曹鵬輝 郭湘南 武漢郵電科學(xué)研究院(武漢 430074)
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201611/340858.htm摘要:本文提出一種基于DDS芯片技術(shù)信號發(fā)生器設(shè)計的上位機控制系統(tǒng)。通過研究DDS器件在技術(shù)實現(xiàn)中的具體應(yīng)用,解決了傳統(tǒng)單片機(MCU)信號發(fā)生器輸出頻率精度差、頻率改變不夠靈活等缺點。該系統(tǒng)具有輸出頻率精確穩(wěn)定、波形質(zhì)量好和輸出頻率范圍寬等優(yōu)點,同時還具有頻率計和數(shù)字信號調(diào)制的功能。經(jīng)過仿真和實驗,驗證了該系統(tǒng)的可行性。
引言
隨著DDS技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛,市場上出現(xiàn)許多種高性能信號發(fā)生器,但是目前可以產(chǎn)生多種信號輸出且低價位的儀器并不多,可選擇余地不大。在高校實驗室中,電類專業(yè)學(xué)生平時實驗及實訓(xùn)過程中,經(jīng)常要用到函數(shù)信號發(fā)生器,傳統(tǒng)的示波器通常為模擬式,各方面性能指標難以滿足學(xué)生的實踐要求。因此,開發(fā)一種成本低、性能好的數(shù)字式寬頻信號發(fā)生器就顯得尤為重要。如何合理地研制基于DDS技術(shù)的一種結(jié)構(gòu)簡單、易于操作、性能穩(wěn)定、成本低廉的信號發(fā)生器是此項目的主要內(nèi)容。
1 系統(tǒng)方案設(shè)計
本系統(tǒng)利用了兩塊型號為MSP430的MCU開發(fā)板,可以通過USB接口與PC機進行交互,從而實現(xiàn)上位機的控制。上位機的加入可以極大增強用戶體驗性,使學(xué)生不再畏懼實驗,同時進一步熟悉實驗相關(guān)儀器的操作。
本系統(tǒng)的主要功能包含頻率計、波形發(fā)生器(包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波)和信號調(diào)制功能(包括ASK、PSK和FSK)。其中,頻率計的頻率范圍為1Hz~500KHz,波形發(fā)生器的信號頻率和幅度可調(diào),頻率范圍為10Hz~10MHz,步進1Hz可調(diào),峰峰值范圍為20mV~13V,同時還能產(chǎn)生-3V~ +3V的直流偏置。整機系統(tǒng)框圖如圖1所示。
該系統(tǒng)分為信號發(fā)生模塊、信號調(diào)理模塊、信號反饋模塊以及頻率測量模塊。PC機通過直接命令,使得兩塊MSP430單片機能控制各個模塊,達到協(xié)同工作的效果。
第一塊開發(fā)板負責控制頻率計模塊、AD9851DDS模塊和AD9834DDS模塊,可以測量輸入信號的頻率,產(chǎn)生幅值較為穩(wěn)定的正弦信號、方波信號、三角波信號和鋸齒波信號,完成ASK、PSK和FSK的演示功能。
第二塊開發(fā)板負責控制VCA810電壓控制模塊、后級功放的選擇、直流偏置模塊與峰值檢測模塊,實現(xiàn)對前級信號的放大或縮小,并進行峰值幅度校準,以實現(xiàn)用戶所需幅度的信號的輸出。
本系統(tǒng)采用的DDS芯片分別為AD9851和AD9834,前者用于產(chǎn)生正弦波和方波;后者用于產(chǎn)生三角波和鋸齒波,同時還可以用于實現(xiàn)ASK、PSK和FSK調(diào)制。雖然AD9834也可以產(chǎn)生正弦波和方波,但是由于AD9851的時鐘頻率最高可達到180MHz,因此,通過AD9851可以輸出更高頻率的正弦波和方波,并且AD9851頻率寄存器有32位,比AD9832高4位,因此有更高的精度。
使用過程中,頻率計模塊可實現(xiàn)直接通過PC機顯示屏實時顯示當前輸入信號的頻率值;波形發(fā)生器模塊可實現(xiàn)用戶直接通過PC機設(shè)置相應(yīng)的參數(shù),鼠標點擊確定后即產(chǎn)生輸出。使用信號調(diào)制功能時,用戶輸入8位二進制碼并選擇相應(yīng)調(diào)制方式后,點擊確定即可通過示波器觀察到ASK、PSK和FSK的演示波形。
2 模塊實現(xiàn)
2.1 信號發(fā)生模塊
在系統(tǒng)設(shè)計中采用AD9851生成正弦波信號和方波信號。設(shè)計輸出信號為10Hz~10MHz。實際電路中考慮到輸出為等效電流源,其輸出幅度會隨所接負載變化而變化,在輸出信號后接電壓跟隨器穩(wěn)定輸出,最后通過一片模擬開關(guān)芯片選擇正弦波或方波輸出。AD9851功能框圖如圖2所示。
AD9834能夠產(chǎn)生高性能正弦波和三角波輸出,既可用于執(zhí)行簡單調(diào)制,也可實現(xiàn)GMSK和QPSK等更為復(fù)雜的調(diào)制方案,其功能框圖如圖3所示。其特性采用AD9834以生成三角波、鋸齒波以及對輸出信號進行ASK、FSK和PSK調(diào)制[3],從而完善了信號發(fā)生器的功能。實際電路制作過程中對信號的輸出做了電壓跟隨的處理,同時在后級電路中通過JK觸發(fā)器實現(xiàn)從三角波到鋸齒波的轉(zhuǎn)換。
實際中應(yīng)注意AD9834應(yīng)該采用模擬部分與數(shù)字部分分離設(shè)計,并限制在電路板的一定區(qū)域內(nèi),便于使用接地層并使之易于被分割。為實現(xiàn)最佳屏蔽,數(shù)字地層和模擬地層應(yīng)單點連接。
2.2 信號調(diào)理模塊
由于DDS生成信號的幅度值不可調(diào),在DDS模塊輸出信號后,接VCA810模塊進行增益控制。VCA810提供差分輸入單端輸出轉(zhuǎn)換,用來改變高阻抗的增益,控制信號在- 40dB增益至+40 dB范圍內(nèi)成dB/ V的線性變化。實際中只使用其衰減功能,即將DDS模塊產(chǎn)生的固定幅度信號進行0到-40dB的程控衰減,控制信號由MCU控制DA芯片(TLV5616)產(chǎn)生,再經(jīng)過增益為1的反相比例放大電路送至VCA810。
為保證最終輸出信號的幅度值較大,在VCA810后級增加一個放大模塊,一方面保證信號輸出幅度可達到理論值,另一方面還需要保證信號帶寬。經(jīng)過分析選擇高速、寬帶、高壓擺率、寬電源軌運放。為避免由于信號先衰減后放大可能引入更多噪聲,影響輸出信噪比,選擇去耦電路消除電源紋波噪聲。合理選擇放大電路的帶寬和通頻帶,將需要頻帶以外的噪聲信號濾除。最終選定THS4012作為后級運放,其帶寬為290MHz,具有低失真、超高速、寬電源軌特性,輸出電流典型值可達110mA,信號電壓紋波7.5 nV√Hz,從各個方面都滿足本設(shè)計需求。
結(jié)合AD9834特性,可產(chǎn)生兩個頻率相同但相位相差180°的三角波信號,一個上升的斜坡信號和一個下降的斜坡信號同時出現(xiàn)。通過由AD9833產(chǎn)生的方波電壓信號控制AD9834的PSELECT,即相位選擇輸入端,可使其lout,即電流輸出端輸出鋸齒波信號[4],系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。
實際中通過AD9834輸出三角波信號,并輸入比較器中,設(shè)定比較器的觸發(fā)門限為三角波峰值。每當三角波到達峰值時,比較器會產(chǎn)生一個從低電平到高電平的跳變,這可作為JK觸發(fā)器的觸發(fā)電平,同時將J輸入口和K輸入口都接高電平,使其成為一個T觸發(fā)器。最后將JK觸發(fā)器的輸出當做相位控制信號,從而實現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生鋸齒波[5]。
2.3 信號反饋模塊
為保證信號輸出幅度可靠性,除前期對信號的正確處理,還需要對系統(tǒng)輸出信號進行峰值檢測,并將測量結(jié)果反饋回MCU,構(gòu)成一個系統(tǒng)的閉環(huán)反饋,從而增大系統(tǒng)的輸出可靠性。
峰值檢測電路(PKD,Peak Detector)的作用是對輸入信號的峰值進行提取,產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak。為實現(xiàn)這樣的目標,電路輸出值會一直保持,直到一個新的更大的峰值出現(xiàn)或電路復(fù)位[6]。該模塊主要由一個信號預(yù)處理電路和峰值檢測電路構(gòu)成,信號預(yù)處理電路保證送至峰值檢測的信號可以被正確地測量出來。峰值檢測設(shè)計主要應(yīng)考慮能否完全滿足測試信號帶寬,并盡可能擴大可測信號幅度。
實際中設(shè)計的前級調(diào)理電路將信號分為五檔由MCU選擇,還對信號換擋進行部分重疊,對信號的處理和使用范圍分別為:1)放大40倍,用于測量5mV至50mV的信號;2)放大5倍,用于測量40mV至250mV的信號;3)不處理直接測量,用于測量200mV至2V的信號;4)衰減7倍,用于測量1.5V至14V的信號;5)衰減10倍,用于測量10V至20V的信號。信號衰減直接通過電阻網(wǎng)絡(luò)完成,放大通過高速運放完成。
2.4 頻率測量模塊
本實驗系統(tǒng)中還包含有頻率計檢測模塊,其實驗原理是通過比較器將輸入波形信號整形為方波信號,此時得到的方波信號頻率應(yīng)和原信號頻率相等,再利用MCU捕獲方波信號的上升沿,實現(xiàn)頻率測量。
設(shè)計中應(yīng)該考慮到可測輸入信號的頻率范圍,信號幅值及MCU接收電平和響應(yīng)速度,同時還要考慮到頻率計對輸入信號噪聲的容限值,所以設(shè)計一個遲滯比較器,滯環(huán)約為20mV,該模塊的核心電路如圖5所示[7]。
實際電路中通過調(diào)整R3的電阻值可改變方波的上升速率,但會導(dǎo)致信號較大幅度的過充,將會影響MCU測量[8]。同時,R3上拉電阻的電平值決定輸出信號高電平幅值,設(shè)定為3.3V可以防止輸出信號幅值過高損壞MCU。實際中發(fā)現(xiàn)頻率計的帶寬瓶頸并不在硬件本身,而取決于MCU的工作速率,當輸入頻率較高時,硬件電路仍然可以較好地轉(zhuǎn)化波形,但MCU由于工作時鐘的原因不能精確捕獲,導(dǎo)致可測信號帶寬大約為500KHz。
3 結(jié)語
本系統(tǒng)采用上位機的方案來實現(xiàn)信號發(fā)生系統(tǒng),可以遠程通過任意PC機控制。設(shè)備使用中,用戶不需要觸及任何開關(guān)及旋鈕,且能自動實現(xiàn)輸出信號換擋,保證其可靠準確,減少用戶在使用過程中的操作步驟,使用本儀器時的學(xué)習(xí)成本幾乎為零。系統(tǒng)可以產(chǎn)生一定頻率的信號或檢測某信號的頻率功能,幫助完成一些簡單電子線路實驗,并且具有頻率測量,正弦波、方波和三角波產(chǎn)生,及信號調(diào)制等功能,用戶只需通過PC機上的界面,就能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能且操作簡單易行。
參考文獻:
[1]張濤,陳亮.現(xiàn)代DDS的研究進展與概述[J].電子科技. 2008.
[2]遲忠君,徐云,常飛.頻率合成技術(shù)發(fā)展概述[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器. 2006.
[3]沈建華. MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué), 2004.
[4]宗接華.基于DDS的實用信號發(fā)生器設(shè)計[D].湖南:湖南大學(xué),2011,12.
[5]尚飛,劉琳.雙DDS芯片的鋸齒波信號發(fā)生器設(shè)計[J].河北北方學(xué)報,2008,24(2):16-22.
[6]賽爾吉歐?佛朗哥.基于運算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2009.
[7]Walt Jung.運算放大器應(yīng)用技術(shù)手冊[M].北京:人民郵電出版社,2009.
[8]秦龍. MSP430單片機常用模塊與綜合系統(tǒng)實例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2007.
本文來源于中國科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第52頁,歡迎您寫論文時引用,并注明出處。
評論