基于MSP430的信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

作者/ 曹鵬輝 郭湘南 武漢郵電科學(xué)研究院(武漢 430074)

摘要：本文提出一種基于DDS芯片技術(shù)信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的上位機(jī)控制系統(tǒng)。通過(guò)研究DDS器件在技術(shù)實(shí)現(xiàn)中的具體應(yīng)用，解決了傳統(tǒng)單片機(jī)(MCU)信號(hào)發(fā)生器輸出頻率精度差、頻率改變不夠靈活等缺點(diǎn)。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(diǎn)，同時(shí)還具有頻率計(jì)和數(shù)字信號(hào)調(diào)制的功能。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

引言

　　隨著DDS技術(shù)應(yīng)用越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)上出現(xiàn)許多種高性能信號(hào)發(fā)生器，但是目前可以產(chǎn)生多種信號(hào)輸出且低價(jià)位的儀器并不多，可選擇余地不大。在高校實(shí)驗(yàn)室中，電類專業(yè)學(xué)生平時(shí)實(shí)驗(yàn)及實(shí)訓(xùn)過(guò)程中，經(jīng)常要用到函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，傳統(tǒng)的示波器通常為模擬式，各方面性能指標(biāo)難以滿足學(xué)生的實(shí)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(hào)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(jiǎn)單、易于操作、性能穩(wěn)定、成本低廉的信號(hào)發(fā)生器是此項(xiàng)目的主要內(nèi)容。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)利用了兩塊型號(hào)為MSP430的MCU開發(fā)板，可以通過(guò)USB接口與PC機(jī)進(jìn)行交互，從而實(shí)現(xiàn)上位機(jī)的控制。上位機(jī)的加入可以極大增強(qiáng)用戶體驗(yàn)性，使學(xué)生不再畏懼實(shí)驗(yàn)，同時(shí)進(jìn)一步熟悉實(shí)驗(yàn)相關(guān)儀器的操作。

　　本系統(tǒng)的主要功能包含頻率計(jì)、波形發(fā)生器(包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波)和信號(hào)調(diào)制功能(包括ASK、PSK和FSK)。其中，頻率計(jì)的頻率范圍為1Hz~500KHz，波形發(fā)生器的信號(hào)頻率和幅度可調(diào)，頻率范圍為10Hz~10MHz，步進(jìn)1Hz可調(diào)，峰峰值范圍為20mV~13V，同時(shí)還能產(chǎn)生-3V~ +3V的直流偏置。整機(jī)系統(tǒng)框圖如圖1所示。

　　該系統(tǒng)分為信號(hào)發(fā)生模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、信號(hào)反饋模塊以及頻率測(cè)量模塊。PC機(jī)通過(guò)直接命令，使得兩塊MSP430單片機(jī)能控制各個(gè)模塊，達(dá)到協(xié)同工作的效果。

　　第一塊開發(fā)板負(fù)責(zé)控制頻率計(jì)模塊、AD9851DDS模塊和AD9834DDS模塊，可以測(cè)量輸入信號(hào)的頻率，產(chǎn)生幅值較為穩(wěn)定的正弦信號(hào)、方波信號(hào)、三角波信號(hào)和鋸齒波信號(hào)，完成ASK、PSK和FSK的演示功能。

　　第二塊開發(fā)板負(fù)責(zé)控制VCA810電壓控制模塊、后級(jí)功放的選擇、直流偏置模塊與峰值檢測(cè)模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)前級(jí)信號(hào)的放大或縮小，并進(jìn)行峰值幅度校準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)用戶所需幅度的信號(hào)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(shí)還可以用于實(shí)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(shí)鐘頻率最高可達(dá)到180MHz，因此，通過(guò)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(guò)程中，頻率計(jì)模塊可實(shí)現(xiàn)直接通過(guò)PC機(jī)顯示屏實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前輸入信號(hào)的頻率值;波形發(fā)生器模塊可實(shí)現(xiàn)用戶直接通過(guò)PC機(jī)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，鼠標(biāo)點(diǎn)擊確定后即產(chǎn)生輸出。使用信號(hào)調(diào)制功能時(shí)，用戶輸入8位二進(jìn)制碼并選擇相應(yīng)調(diào)制方式后，點(diǎn)擊確定即可通過(guò)示波器觀察到ASK、PSK和FSK的演示波形。

2 模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 信號(hào)發(fā)生模塊

　　在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用AD9851生成正弦波信號(hào)和方波信號(hào)。設(shè)計(jì)輸出信號(hào)為10Hz~10MHz。實(shí)際電路中考慮到輸出為等效電流源，其輸出幅度會(huì)隨所接負(fù)載變化而變化，在輸出信號(hào)后接電壓跟隨器穩(wěn)定輸出，最后通過(guò)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(jiǎn)單調(diào)制，也可實(shí)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(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行ASK、FSK和PSK調(diào)制^[3]，從而完善了信號(hào)發(fā)生器的功能。實(shí)際電路制作過(guò)程中對(duì)信號(hào)的輸出做了電壓跟隨的處理，同時(shí)在后級(jí)電路中通過(guò)JK觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)從三角波到鋸齒波的轉(zhuǎn)換。

　　實(shí)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(jì)，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(shí)現(xiàn)最佳屏蔽，數(shù)字地層和模擬地層應(yīng)單點(diǎn)連接。

2.2 信號(hào)調(diào)理模塊

　　由于DDS生成信號(hào)的幅度值不可調(diào)，在DDS模塊輸出信號(hào)后，接VCA810模塊進(jìn)行增益控制。VCA810提供差分輸入單端輸出轉(zhuǎn)換，用來(lái)改變高阻抗的增益，控制信號(hào)在- 40dB增益至+40 dB范圍內(nèi)成dB/ V的線性變化。實(shí)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(hào)進(jìn)行0到-40dB的程控衰減，控制信號(hào)由MCU控制DA芯片(TLV5616)產(chǎn)生，再經(jīng)過(guò)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(hào)的幅度值較大，在VCA810后級(jí)增加一個(gè)放大模塊，一方面保證信號(hào)輸出幅度可達(dá)到理論值，另一方面還需要保證信號(hào)帶寬。經(jīng)過(guò)分析選擇高速、寬帶、高壓擺率、寬電源軌運(yùn)放。為避免由于信號(hào)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(hào)濾除。最終選定THS4012作為后級(jí)運(yùn)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(dá)110mA，信號(hào)電壓紋波7.5 nV√Hz，從各個(gè)方面都滿足本設(shè)計(jì)需求。

　　結(jié)合AD9834特性，可產(chǎn)生兩個(gè)頻率相同但相位相差180°的三角波信號(hào)，一個(gè)上升的斜坡信號(hào)和一個(gè)下降的斜坡信號(hào)同時(shí)出現(xiàn)。通過(guò)由AD9833產(chǎn)生的方波電壓信號(hào)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(hào)^[4]，系統(tǒng)原理框圖如圖4所示。

　　實(shí)際中通過(guò)AD9834輸出三角波信號(hào)，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(dāng)三角波到達(dá)峰值時(shí)，比較器會(huì)產(chǎn)生一個(gè)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(shí)將J輸入口和K輸入口都接高電平，使其成為一個(gè)T觸發(fā)器。最后將JK觸發(fā)器的輸出當(dāng)做相位控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)相位翻轉(zhuǎn)產(chǎn)生鋸齒波^[5]。

2.3 信號(hào)反饋模塊

　　為保證信號(hào)輸出幅度可靠性，除前期對(duì)信號(hào)的正確處理，還需要對(duì)系統(tǒng)輸出信號(hào)進(jìn)行峰值檢測(cè)，并將測(cè)量結(jié)果反饋回MCU，構(gòu)成一個(gè)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(cè)電路(PKD，Peak Detector)的作用是對(duì)輸入信號(hào)的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak。為實(shí)現(xiàn)這樣的目標(biāo)，電路輸出值會(huì)一直保持，直到一個(gè)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(gè)信號(hào)預(yù)處理電路和峰值檢測(cè)電路構(gòu)成，信號(hào)預(yù)處理電路保證送至峰值檢測(cè)的信號(hào)可以被正確地測(cè)量出來(lái)。峰值檢測(cè)設(shè)計(jì)主要應(yīng)考慮能否完全滿足測(cè)試信號(hào)帶寬，并盡可能擴(kuò)大可測(cè)信號(hào)幅度。

　　實(shí)際中設(shè)計(jì)的前級(jí)調(diào)理電路將信號(hào)分為五檔由MCU選擇，還對(duì)信號(hào)換擋進(jìn)行部分重疊，對(duì)信號(hào)的處理和使用范圍分別為：1)放大40倍，用于測(cè)量5mV至50mV的信號(hào);2)放大5倍，用于測(cè)量40mV至250mV的信號(hào);3)不處理直接測(cè)量，用于測(cè)量200mV至2V的信號(hào);4)衰減7倍，用于測(cè)量1.5V至14V的信號(hào);5)衰減10倍，用于測(cè)量10V至20V的信號(hào)。信號(hào)衰減直接通過(guò)電阻網(wǎng)絡(luò)完成，放大通過(guò)高速運(yùn)放完成。

2.4 頻率測(cè)量模塊

　　本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中還包含有頻率計(jì)檢測(cè)模塊，其實(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)比較器將輸入波形信號(hào)整形為方波信號(hào)，此時(shí)得到的方波信號(hào)頻率應(yīng)和原信號(hào)頻率相等，再利用MCU捕獲方波信號(hào)的上升沿，實(shí)現(xiàn)頻率測(cè)量。

　　設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮到可測(cè)輸入信號(hào)的頻率范圍，信號(hào)幅值及MCU接收電平和響應(yīng)速度，同時(shí)還要考慮到頻率計(jì)對(duì)輸入信號(hào)噪聲的容限值，所以設(shè)計(jì)一個(gè)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(shí)際電路中通過(guò)調(diào)整R3的電阻值可改變方波的上升速率，但會(huì)導(dǎo)致信號(hào)較大幅度的過(guò)充，將會(huì)影響MCU測(cè)量^[8]。同時(shí)，R3上拉電阻的電平值決定輸出信號(hào)高電平幅值，設(shè)定為3.3V可以防止輸出信號(hào)幅值過(guò)高損壞MCU。實(shí)際中發(fā)現(xiàn)頻率計(jì)的帶寬瓶頸并不在硬件本身，而取決于MCU的工作速率，當(dāng)輸入頻率較高時(shí)，硬件電路仍然可以較好地轉(zhuǎn)化波形，但MCU由于工作時(shí)鐘的原因不能精確捕獲，導(dǎo)致可測(cè)信號(hào)帶寬大約為500KHz。

3 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)采用上位機(jī)的方案來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生系統(tǒng)，可以遠(yuǎn)程通過(guò)任意PC機(jī)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(dòng)實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)換擋，保證其可靠準(zhǔn)確，減少用戶在使用過(guò)程中的操作步驟，使用本儀器時(shí)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(hào)或檢測(cè)某信號(hào)的頻率功能，幫助完成一些簡(jiǎn)單電子線路實(shí)驗(yàn)，并且具有頻率測(cè)量，正弦波、方波和三角波產(chǎn)生，及信號(hào)調(diào)制等功能，用戶只需通過(guò)PC機(jī)上的界面，就能夠?qū)崿F(xiàn)多種功能且操作簡(jiǎn)單易行。

參考文獻(xiàn)：

　　[1]張濤,陳亮.現(xiàn)代DDS的研究進(jìn)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(jī)原理與應(yīng)用[M].北京:清華大學(xué), 2004.

　　[4]宗接華.基于DDS的實(shí)用信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[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(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)[J].河北北方學(xué)報(bào),2008,24(2):16-22.

　　[6]賽爾吉?dú)W?佛朗哥.基于運(yùn)算放大器和模擬集成電路的電路設(shè)計(jì)[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2009.

　　[7]Walt Jung.運(yùn)算放大器應(yīng)用技術(shù)手冊(cè)[M].北京:人民郵電出版社,2009.

　　[8]秦龍. MSP430單片機(jī)常用模塊與綜合系統(tǒng)實(shí)例精講[M].北京:電子工業(yè)出版社, 2007.

本文來(lái)源于中國(guó)科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2016年第11期第52頁(yè)，歡迎您寫論文時(shí)引用，并注明出處。