基于MSP430和DDS的信号发生器设计

【摘 要】本设计是基于MSP430和DDS的信号发生器.系统采用MSP430单片机为控制核心,利用DDS产生正弦波,并通过按键来选择输出的波形以及调节频率和相位,频率调节范围为0～10000Hz,可在液晶屏上显示.系统主要由信号发生模块、显示模块和控制模块组成,可输出正弦波、方波、三角波、锯齿波等各种不同的波形.此设计可产生比较稳定的波形信号,方便移植到实际应用中.

【关 键 词】信号发生器,MSP430,DDS

随着现代科技的进步,信号发生器在科技和生产实践中扮演着越来越重要的角色.信号发生器可以用来产生各种需要的波形,方便进行实验[1].本设计使用的MSP430单片机是一种16位超低功耗、具有RISC指令集的混合信号处理器.该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中.随着“软件无线电”技术和数字技术的飞速发展,用数字控制方法,从一个参考频率源产生多种频率的技术――直接数字合成器（即DDS）被广泛应用在航空、航天、通信、雷达等领域.

图1DDS系统框图

1.DDS原理

图1是实际中常用的可编程DDS系统.DDS输出信号的幅度、频率和相位均可实现程控.图中正弦查询表是一个可编程只读存储器,存有一个或多个完整周期的正弦波数据.DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成,N一般为24～32位.每来一个时钟,相位寄存器以步长M增加.相位寄存器将加法器在上一个时钟作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端,以使加法器在下一个时钟的作用下继续与频率控制字相加.同时相位寄存器的输出与相位控制字相加,然后输入到正弦查询表地址上.这样,相位累加器在参考时钟的作用下,进行线性相位累加,当相位累加器加至满量程时就会产生一次溢出,完成一个周期性的动作,这个周期就是DDS合成信号的一个周期,相位累加器的溢出频率就是DDS输出信号的频率比[2].若频率控制字为M,位数为N,则DDS系统输出信号的频率为：

（1）

正弦查询表包含一个周期正弦波数字幅度信息,每个地址对应正弦波O～360°范围的一个相位点.查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号,驱动DAC,输出模拟量[3].相位累加器输出N位并不全部加到查询表,而要进行截断,仅留高端的13～15位.相位截断减小了查询表长度,但并不影响频率分辨率,对最终输出仅增加很小的相位噪声.DAC分辨率一般比查询表长度小2～4位.高性能数/模转换器（DAC）将数字量的波形幅转换成模拟量信号,低通滤波器用于滤除不需要的取样分量,以便输出频谱纯净的正弦波信号.

2.系统设计

2.1整体设计

信号发生器电路主要由MSP430F149最小系统、键盘电路、LCD12864显示电路、AD9850模块、电源模块等组成.系统原理方框图如图2所示.

图2系统原理方框图

本系统采用MSP430单片机为控制核心,控制AD9850模块产生正弦波,并设置其它按键来控制波形的频率和相位,然后通过单片机控制显示到LCD12864上.波形的产生是通过MSP430单片机执行某一逻辑控制程序,向AD9850模块的输入端按一定的规律发生数据,从而在AD9850模块的输出端得到相应的电压波形.设置键盘按键,调节波形的频率和相位,按不同按键进行正弦波频率的加减和调节波形位置.本系统所需要的按键有4个,皆为独立按键.下面重点介绍下数模转换模块和电源模块.

2.2数模转换AD9850模块

AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的正弦波信号,AD9850中包含高速比较器,正弦波可直接用作频率信号源,也可通过比较器转换成方波,作为时钟输出.

图3AD9850功能框图

图3给出了AD9850的功能框图,首先AD9850与数据处理器接口,由数据处理器通过串行或并行的方式向AD9850装入控制字,AD9850有40位的控制字,32位用于频率控制,5位相位控制,1位电源休眠,2位用于选择工作方式.这40位控制字进入AD9850的40位数据输人寄存器,控制字的低32位进入频率相位数据寄存器进行频率控制,高5位进入频率相位数据寄存器进行相位控制.AD9850工作时钟频率最高可到125MHz,在此时钟频率下,可产生0.0291Hz～62.5MHz的正弦波信号和标准的方波信号.AD9850的5位相位控制字,允许相位按增量180o、90o、45o、22.5o、11.25o或这些值的组合进行调整.在高速DDS中进行数据的整合,它采用32位相位累加器,截断成14位,输入正弦查询表,查询表输出截断成10位,输入到DAC.DAC输出两个互补的模拟电流,接到滤波器上.调节DAC满量程输出电流,需外接一个电阻Rset,其调节关系是：

（2）

满量程电流为10mA～20mA.AD9850内部有高速比较器,接到DAC滤波输出端,就可直接输出一个抖动很小的方波信号,此方波信号可作为系统时钟源或数据处理器的中断信号.AD9850模块电路图如图4所示.

图4AD9850模块电路

2.3电源模块

如图5所示,市电经变压器后,经由整流桥和滤波电路分别接入后续稳压芯片,系统稳压芯片选用7915、7815、78051、7905和7805.其中,7915输出-15V直流电压,产生的-15V电压,再接入7905,输出-5V直流电压,7815和7805分别输出系统所需15V、5V直流电压,经整流、滤波后的电源信号接入78051,输出5V直流电流[5].

图5电源模块原理图

2.4运行流程设计

将各个模块按照一定的方式连接到MSP430F149单片机最小系统的接口上,就组成了一个基于MSP430单片机的功能强大的正弦信号发生器.我们可以用按键调节波形的频率和相位,并显示到示波器上,达到设计要求.

本系统通过硬件和软件共同控制正弦信号发生器输出设定波形.图6为信号发生器的程序运行流程图.系统初始化,包括LCD和键盘的初始化,通过按键,产生中断信号,控制正弦波频率的大小[4].键盘初始化使得单片机P2的P2.0―P2.3设置为输入状态,令P2.0―P2.3输入高电平,下降沿触发中断,并开中断.进入中断子程序后进行扫描并获得键值,最后根据按键的不同,分别跳到对应的子程序中.按不同的键位来控制波形的频率的大小.

图6信号发生器的程序总流程图

3.系统测试

首先给系统供电,电源模块正常工作,各指示灯正常显示.然后将系统输出接到示波器,对波形进行观察,可以得到稳定的正弦波、方波、三角波、锯齿波.调节频率和相位,波形也随之变化.液晶屏显示的频率与示波器显示的一致.通过以上测试,系统可以工作正常.

4.总结

信号发生器如今已经渗透入很多行业,在研究测试中具有不可替代的地位[5].本文设计的信号发生器具有系统稳定、功能齐全、成本低等优点,便于推广到实际应用当中.随着信号发生器信号整合相关技术的不断完善,数字化、智能化、小型化的信号发生器必将为各领域的科学研究带来极大的便利,信号发生器的发展前景也必将更加广阔.