基于MSP430的信號發(fā)生系統(tǒng)設計

作者/ 曹鵬輝 郭湘南 武漢郵電科學研究院(武漢 430074)

摘要：本文提出一種基于DDS芯片技術信號發(fā)生器設計的上位機控制系統(tǒng)。通過研究DDS器件在技術實現(xiàn)中的具體應用，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技術應用越來越廣泛，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)學生平時實驗及實訓過程中，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技術的一種結構簡單、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，使學生不再畏懼實驗，同時進一步熟悉實驗相關儀器的操作。

　　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機設置相應的參數(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)設計中采用AD9851生成正弦波信號和方波信號。設計輸出信號為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。

　　實際中應注意AD9834應該采用模擬部分與數(shù)字部分分離設計，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計需求。

　　結合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，并將測量結果反饋回MCU，構成一個系統(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)或電路復位^[6]。該模塊主要由一個信號預處理電路和峰值檢測電路構成，信號預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。峰值檢測設計主要應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。

　　設計中應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，導致可測信號帶寬大約為500KHz。

3 結語

　　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。設備使用中，用戶不需要觸及任何開關及旋鈕，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，使用本儀器時的學習成本幾乎為零。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。

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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。