基於MSP430的信號發生系統設計

作者/ 曹鵬輝 郭湘南 武漢郵電科學研究院(武漢 430074)

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201611/340858.htm

摘要：本文提出一種基於DDS晶片技術信號發生器設計的上位機控制系統。通過研究DDS器件在技術實現中的具體應用，解決了傳統單片機(MCU)信號發生器輸出頻率精度差、頻率改變不夠靈活等缺點。該系統具有輸出頻率精確穩定、波形質量好和輸出頻率範圍寬等優點，同時還具有頻率計和數位訊號調製的功能。經過仿真和實驗，驗證了該系統的可行性。

引言

　　隨著DDS技術應用越來越廣泛，市場上出現許多種高性能信號發生器，但是目前可以產生多種信號輸出且低價位的儀器並不多，可選擇餘地不大。在高校實驗室中，電類專業學生平時實驗及實訓過程中，經常要用到函數信號發生器，傳統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，開發一種成本低、性能好的數字式寬頻信號發生器就顯得尤為重要。如何合理地研製基於DDS技術的一種結構簡單、易於操作、性能穩定、成本低廉的信號發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開發板，可以通過USB接口與PC機進行交互，從而實現上位機的控制。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。

　　本系統的主要功能包含頻率計、波形發生器(包括正弦波、方波、三角波、鋸齒波)和信號調製功能(包括ASK、PSK和FSK)。其中，頻率計的頻率範圍為1Hz~500KHz，波形發生器的信號頻率和幅度可調，頻率範圍為10Hz~10MHz，步進1Hz可調，峰峰值範圍為20mV~13V，同時還能產生-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機通過直接命令，使得兩塊MSP430單片機能控制各個模塊，達到協同工作的效果。

　　第一塊開發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。

　　第二塊開發板負責控制VCA810電壓控制模塊、後級功放的選擇、直流偏置模塊與峰值檢測模塊，實現對前級信號的放大或縮小，並進行峰值幅度校準，以實現用戶所需幅度的信號的輸出。

　　本系統採用的DDS晶片分別為AD9851和AD9834，前者用於產生正弦波和方波;後者用於產生三角波和鋸齒波，同時還可以用於實現ASK、PSK和FSK調製。雖然AD9834也可以產生正弦波和方波，但是由於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，並且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;波形發生器模塊可實現用戶直接通過PC機設置相應的參數，滑鼠點擊確定後即產生輸出。使用信號調製功能時，用戶輸入8位二進位碼並選擇相應調製方式後，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

2.1 信號發生模塊

　　在系統設計中採用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，在輸出信號後接電壓跟隨器穩定輸出，最後通過一片模擬開關晶片選擇正弦波或方波輸出。AD9851功能框圖如圖2所示。

　　AD9834能夠產生高性能正弦波和三角波輸出，既可用於執行簡單調製，也可實現GMSK和QPSK等更為複雜的調製方案，其功能框圖如圖3所示。其特性採用AD9834以生成三角波、鋸齒波以及對輸出信號進行ASK、FSK和PSK調製^[3]，從而完善了信號發生器的功能。實際電路製作過程中對信號的輸出做了電壓跟隨的處理，同時在後級電路中通過JK觸發器實現從三角波到鋸齒波的轉換。

　　實際中應注意AD9834應該採用模擬部分與數字部分分離設計，並限制在電路板的一定區域內，便於使用接地層並使之易於被分割。為實現最佳屏蔽，數字地層和模擬地層應單點連接。

2.2 信號調理模塊

　　由於DDS生成信號的幅度值不可調，在DDS模塊輸出信號後，接VCA810模塊進行增益控制。VCA810提供差分輸入單端輸出轉換，用來改變高阻抗的增益，控制信號在- 40dB增益至+40 dB範圍內成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晶片(TLV5616)產生，再經過增益為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後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。經過分析選擇高速、寬帶、高壓擺率、寬電源軌運放。為避免由於信號先衰減後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作為後級運放，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。通過由AD9833產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。

　　實際中通過AD9834輸出三角波信號，並輸入比較器中，設定比較器的觸發門限為三角波峰值。每當三角波到達峰值時，比較器會產生一個從低電平到高電平的跳變，這可作為JK觸發器的觸發電平，同時將J輸入口和K輸入口都接高電平，使其成為一個T觸發器。最後將JK觸發器的輸出當做相位控制信號，從而實現相位翻轉產生鋸齒波^[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行峰值檢測，並將測量結果反饋回MCU，構成一個系統的閉環反饋，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行提取，產生輸出Vo = Vpeak。為實現這樣的目標，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，並儘可能擴大可測信號幅度。

　　實際中設計的前級調理電路將信號分為五檔由MCU選擇，還對信號換擋進行部分重疊，對信號的處理和使用範圍分別為：1)放大40倍，用於測量5mV至50mV的信號;2)放大5倍，用於測量40mV至250mV的信號;3)不處理直接測量，用於測量200mV至2V的信號;4)衰減7倍，用於測量1.5V至14V的信號;5)衰減10倍，用於測量10V至20V的信號。信號衰減直接通過電阻網絡完成，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，實現頻率測量。

　　設計中應該考慮到可測輸入信號的頻率範圍，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。實際中發現頻率計的帶寬瓶頸並不在硬體本身，而取決於MCU的工作速率，當輸入頻率較高時，硬體電路仍然可以較好地轉化波形，但MCU由於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

　　本系統採用上位機的方案來實現信號發生系統，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。系統可以產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，並且具有頻率測量，正弦波、方波和三角波產生，及信號調製等功能，用戶只需通過PC機上的界面，就能夠實現多種功能且操作簡單易行。

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本文來源於中國科技期刊《電子產品世界》2016年第11期第52頁，歡迎您寫論文時引用，並註明出處。