基于MSP430的信號發(fā)生系統設計

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)信號發(fā)生器設計的上位機控制系統。通過(guò)研究DDS器件在技術(shù)實(shí)現中的具體應用，解決了傳統單片機(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(diǎn)。該系統具有輸出頻率精確穩定、波形質(zhì)量好和輸出頻率范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還具有頻率計和數字信號調制的功能。經(jīng)過(guò)仿真和實(shí)驗，驗證了該系統的可行性。

引言

　　隨著(zhù)DDS技術(shù)應用越來(lái)越廣泛，市場(chǎng)上出現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(jià)位的儀器并不多，可選擇余地不大。在高校實(shí)驗室中，電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生平時(shí)實(shí)驗及實(shí)訓過(guò)程中，經(jīng)常要用到函數信號發(fā)生器，傳統的示波器通常為模擬式，各方面性能指標難以滿(mǎn)足學(xué)生的實(shí)踐要求。因此，開(kāi)發(fā)一種成本低、性能好的數字式寬頻信號發(fā)生器就顯得尤為重要。如何合理地研制基于DDS技術(shù)的一種結構簡(jiǎn)單、易于操作、性能穩定、成本低廉的信號發(fā)生器是此項目的主要內容。

1 系統方案設計

　　本系統利用了兩塊型號為MSP430的MCU開(kāi)發(fā)板，可以通過(guò)USB接口與PC機進(jìn)行交互，從而實(shí)現上位機的控制。上位機的加入可以極大增強用戶(hù)體驗性，使學(xué)生不再畏懼實(shí)驗，同時(shí)進(jìn)一步熟悉實(shí)驗相關(guān)儀器的操作。

　　本系統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，頻率范圍為10Hz~10MHz，步進(jìn)1Hz可調，峰峰值范圍為20mV~13V，同時(shí)還能產(chǎn)生-3V~ +3V的直流偏置。整機系統框圖如圖1所示。

　　該系統分為信號發(fā)生模塊、信號調理模塊、信號反饋模塊以及頻率測量模塊。PC機通過(guò)直接命令，使得兩塊MSP430單片機能控制各個(gè)模塊，達到協(xié)同工作的效果。

　　第一塊開(kāi)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(kāi)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(shí)現對前級信號的放大或縮小，并進(jìn)行峰值幅度校準，以實(shí)現用戶(hù)所需幅度的信號的輸出。

　　本系統采用的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ASK、PSK和FSK調制。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，頻率計模塊可實(shí)現直接通過(guò)PC機顯示屏實(shí)時(shí)顯示當前輸入信號的頻率值;波形發(fā)生器模塊可實(shí)現用戶(hù)直接通過(guò)PC機設置相應的參數，鼠標點(diǎn)擊確定后即產(chǎn)生輸出。使用信號調制功能時(shí)，用戶(hù)輸入8位二進(jìn)制碼并選擇相應調制方式后，點(diǎn)擊確定即可通過(guò)示波器觀(guān)察到ASK、PSK和FSK的演示波形。

2 模塊實(shí)現

2.1 信號發(fā)生模塊

　　在系統設計中采用AD9851生成正弦波信號和方波信號。設計輸出信號為10Hz~10MHz。實(shí)際電路中考慮到輸出為等效電流源，其輸出幅度會(huì )隨所接負載變化而變化，在輸出信號后接電壓跟隨器穩定輸出，最后通過(guò)一片模擬開(kāi)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，既可用于執行簡(jiǎn)單調制，也可實(shí)現GMSK和QPSK等更為復雜的調制方案，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(jìn)行ASK、FSK和PSK調制^[3]，從而完善了信號發(fā)生器的功能。實(shí)際電路制作過(guò)程中對信號的輸出做了電壓跟隨的處理，同時(shí)在后級電路中通過(guò)JK觸發(fā)器實(shí)現從三角波到鋸齒波的轉換。

　　實(shí)際中應注意AD9834應該采用模擬部分與數字部分分離設計，并限制在電路板的一定區域內，便于使用接地層并使之易于被分割。為實(shí)現最佳屏蔽，數字地層和模擬地層應單點(diǎn)連接。

2.2 信號調理模塊

　　由于DDS生成信號的幅度值不可調，在DDS模塊輸出信號后，接VCA810模塊進(jìn)行增益控制。VCA810提供差分輸入單端輸出轉換，用來(lái)改變高阻抗的增益，控制信號在- 40dB增益至+40 dB范圍內成dB/ V的線(xiàn)性變化。實(shí)際中只使用其衰減功能，即將DDS模塊產(chǎn)生的固定幅度信號進(jìn)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(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的幅度值較大，在VCA810后級增加一個(gè)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(guò)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(gè)方面都滿(mǎn)足本設計需求。

　　結合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，一個(gè)上升的斜坡信號和一個(gè)下降的斜坡信號同時(shí)出現。通過(guò)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]，系統原理框圖如圖4所示。

　　實(shí)際中通過(guò)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(mén)限為三角波峰值。每當三角波到達峰值時(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)器的輸出當做相位控制信號，從而實(shí)現相位翻轉產(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，還需要對系統輸出信號進(jìn)行峰值檢測，并將測量結果反饋回MCU，構成一個(gè)系統的閉環(huán)反饋，從而增大系統的輸出可靠性。

　　峰值檢測電路(PKD，Peak Detector)的作用是對輸入信號的峰值進(jìn)行提取，產(chǎn)生輸出Vo = Vpeak。為實(shí)現這樣的目標，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或電路復位^[6]。該模塊主要由一個(gè)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(lái)。峰值檢測設計主要應考慮能否完全滿(mǎn)足測試信號帶寬，并盡可能擴大可測信號幅度。

　　實(shí)際中設計的前級調理電路將信號分為五檔由MCU選擇，還對信號換擋進(jìn)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(guò)電阻網(wǎng)絡(luò )完成，放大通過(guò)高速運放完成。

2.4 頻率測量模塊

　　本實(shí)驗系統中還包含有頻率計檢測模塊，其實(shí)驗原理是通過(guò)比較器將輸入波形信號整形為方波信號，此時(shí)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(shí)現頻率測量。

　　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(shí)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(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)調整R3的電阻值可改變方波的上升速率，但會(huì )導致信號較大幅度的過(guò)充，將會(huì )影響MCU測量^[8]。同時(shí)，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(guò)高損壞MCU。實(shí)際中發(fā)現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(shí)，硬件電路仍然可以較好地轉化波形，但MCU由于工作時(shí)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(yǔ)

　　本系統采用上位機的方案來(lái)實(shí)現信號發(fā)生系統，可以遠程通過(guò)任意PC機控制。設備使用中，用戶(hù)不需要觸及任何開(kāi)關(guān)及旋鈕，且能自動(dòng)實(shí)現輸出信號換擋，保證其可靠準確，減少用戶(hù)在使用過(guò)程中的操作步驟，使用本儀器時(shí)的學(xué)習成本幾乎為零。系統可以產(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(jiǎn)單電子線(xiàn)路實(shí)驗，并且具有頻率測量，正弦波、方波和三角波產(chǎn)生，及信號調制等功能，用戶(hù)只需通過(guò)PC機上的界面，就能夠實(shí)現多種功能且操作簡(jiǎn)單易行。

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