基于MP430控制的正弦波信號源的設計與制作

　　本系統以MSP430為控制核心設計并制作一個(gè)正弦波和脈沖波信號源。本 實(shí)驗分為四大模塊，分別是鍵盤(pán)掃描模塊，正弦波產(chǎn)生模塊，脈沖波產(chǎn)生模塊和液晶顯示模塊。正弦產(chǎn)生部分采用DDS芯片AD9851產(chǎn)生頻率可控的正弦波,在實(shí)踐測試中得之從AD9851輸出的正弦波幅值會(huì )隨頻率變化，最后通過(guò)軟件編程明顯減少了幅值誤差。脈沖產(chǎn)生部分采用Verilog編程在FPGA內部產(chǎn)生占空比可調的脈沖波，解決了由將正弦波變成方波再送FPGA產(chǎn)生脈沖波的不穩定性。本系統工作可靠穩定，較好地完成了基本部分和發(fā)揮部分的要求。

　　一. 總體方案

　　本系統要求在給定±15V電源電壓條件下設計出一個(gè)能產(chǎn)生正波和脈沖波的信號源。信號頻率為20Hz~20kHz,頻率能程控步進(jìn)調整(步長(cháng)為5Hz),脈沖波的占空比在2%~98%之間能程控步進(jìn)調整(步長(cháng)2%)，兩路信號均要求幅值在100mv到3V步進(jìn)可調(步長(cháng)為100mv)，要求性能良好(頻率穩度高,非線(xiàn)性失真小等)，方案考慮如下：

　　正弦波產(chǎn)生

　　方案一：采用單片函數信號發(fā)生器(如8038),8038可同時(shí)產(chǎn)生正弦波。脈沖波,方法簡(jiǎn)單易行,用D/A轉換器的輸出來(lái)改變調制電壓,可以實(shí)現數控調整頻率,但步長(cháng)難以滿(mǎn)足要求,且頻率穩定度不高。

　　方案二:采用鎖相式頻率合成器,利用鎖相環(huán),將壓控振蕩器(vco)的輸出頻率鎖定在所需頻率上,該方案性能良好,但難以達到輸出頻率覆蓋系數的要求,且電路復雜,不適于產(chǎn)生低頻信號。

　　方案三:采用直接數字頻率合成芯片AB9851,可以很方便地生成正弦波和脈沖波。DDS特別適合于生成頻率低、頻帶寬、頻率穩定性和準確度較高及波形復雜的場(chǎng)合。

　　脈沖波產(chǎn)生

　　方案一:由D/A轉換器產(chǎn)生占空比相應的電壓,將之與正弦信號進(jìn)行比較就可得到所需占空比方波。但這種方法精度較差,難以達到2%的步進(jìn)要求。

　　方案二:先把正弦波變換為鋸齒波或三角波,然后進(jìn)行比較。這樣一來(lái)雖然可以提高精度,但電路復雜,成本高,調試也困難。

　　方案三:采用計數定時(shí)方法,先將正弦波變換為方波送入FPGA,再用它的上升沿觸發(fā)一計時(shí)電路,該電路在計時(shí)期間輸出為高電平,計時(shí)終止后輸出為低電平, 從而實(shí)現脈沖波的占空比步進(jìn)可調，占空比由單片機傳輸給FPGA。此方案構成的兩模塊有影響，形成信號源不穩定。

　　方案四：在單片機MSP430的控制下，通過(guò)軟件編程直接在FPGA內部產(chǎn)生可控占空比脈沖波，實(shí)現比較容易，產(chǎn)生信號源十分穩定。

　　根據以上分析，選用如下方案：

　　(1)正弦波采用DDS芯片AD9851用動(dòng)態(tài)生成程序的方法來(lái)實(shí)現。

　　(2)方波的產(chǎn)生方波由編程在FPGA內部生成。

　　信號源系統的原理框圖如圖所示：

　　圖1 系統總體框圖

　　二. 系統設計

　　2.1 硬件設計

　　2.1.1 正弦波產(chǎn)生電路

　　DDS單片頻率合成器AD9851的ROM中已預先存入正弦函數表，其幅度按二進(jìn)制分辨率量化,其相位一個(gè)周期360o按2∏/232的分辨率設立相位取樣點(diǎn)。然后存入ROM相應地址中。工作時(shí)，用單片機送入頻率碼。輸入采用并行方式，8位一個(gè)字節，分5次輸入，其中32位是頻率碼，另8位中的5位是初始相伴控制碼，3位是掉電控制碼。改變讀取ROM的數目，即可改變輸出頻率。

　　輸出頻率的一般表達式為 fout=kfc/232

　　式中，k為頻率碼，是個(gè)32位的二進(jìn)制數。fc為系統時(shí)鐘頻率，即25MHz。

　　頻率變化范圍為20Hz~20kHz，周期變化范圍為50ms~50us。時(shí)鐘周期Tc=0.04us.當輸出頻率最高，即fomax=20 kHz,則Tomin=50us，

　　步進(jìn)寬度為： △T=Tomin&TImes;2%=50&TImes;2%=1us

　　圖2

　　2.1.2 正弦波幅值可調電路

　　采用16位串行DA器件DAC8831來(lái)實(shí)現正弦波的幅度步進(jìn)。將DDS生成的正弦波接到DAC8831的基準輸入端，通過(guò)單片機調整DA輸入數字量，從而完成正弦波100mv的步進(jìn)和幅值預置。

　　圖3

　　2.1.3 脈沖波形成電路

　　在單片機的控制下通過(guò)verilog編程在FPGA內部產(chǎn)生可控脈沖波。

　　圖4

　　2.1.4 脈沖波幅值步進(jìn)調整電路：

　　本部分采用16串行DA器件DAC8831，接口簡(jiǎn)單，且精度較高。電路圖與圖3-2相同。

　　2.2 軟件設計

　　2.2.1 基本思路

　　單片機控制AD9851產(chǎn)生頻率和相位都可控的正弦波，頻率量由鍵盤(pán)設定，步進(jìn)量為5Hz，AD9851頻率分辨率為0.006985Hz，完全能夠滿(mǎn)足要求。正弦信號送入DAC8831的基準輸入端，單片機控制DA的數字量調節其幅值，設置按鍵調整幅值可實(shí)現100mv的步進(jìn)。在單片機的控制下編程在FPGA內部產(chǎn)生占空比可調的脈沖波，單片機向FPGA送入占空比值和頻率值，FPGA通過(guò)計數值從而改變輸出脈沖波的占空比和頻率，設置按鍵調整占空比和幅值。正弦信號送入DAC8831的基準輸入端，單片機控制DA的數字量調節其幅值，設置按鍵調整幅值可實(shí)現100mv的步進(jìn)。

　　2.2.2 軟件流程圖

　　圖5 軟件流程圖

　　三、測試結果與分析

　　3.1 正弦波測試結果

　　表一：

　　圖6

　　3.2 脈沖波測試結果

　　表二：

　　圖7

　　3.3 相對誤差統計

　　表三：

　　圖8

　　3.4 誤差分析

　　(1)DAC8831的量化誤差 DAC8831為16串行輸入的D/A轉化器，會(huì )引入一定的誤差。

　　(2)由于條件有限，采用手工焊接電路影響了整個(gè)電路的布局與走線(xiàn)，從而引入了一定的噪聲與干擾。

　　四、總結

　　在實(shí)現此項項目過(guò)程中，很快實(shí)現了對于產(chǎn)生可控的正弦波并在液晶上顯示的基本要求與發(fā)揮部分，DDS芯片AD9851產(chǎn)生頻率可控的正弦波,在實(shí)踐測試中得之從AD9851輸出的正弦波幅值會(huì )隨頻率變化，最后通過(guò)軟件編程明顯減少了幅值誤差。關(guān)鍵部分就在于產(chǎn)生占空比可控的脈沖波，起初的思路是由AD9851產(chǎn)生的正弦波經(jīng)過(guò)滯回比較器生成方波送到FPGA產(chǎn)生可控的脈沖波，但最后產(chǎn)生的脈沖波頻率與正弦波頻率不對應且影響正弦波的穩定度，兩個(gè)模塊之間有影響，最后討論改變方案，在MSP430送入控制信號的前提下在FPGA內部產(chǎn)生可控的脈沖波，結果很理想，基本達到了實(shí)驗要求和發(fā)揮的部分。