基于MSP430的信号发生系统设计

作者/ 曹鹏辉 郭湘南 武汉邮电科学研究院(武汉 430074)

摘要：本文提出一种基于DDS芯片技术信号发生器设计的上位机控制系统。通过研究DDS器件在技术实现中的具体应用，解决了传统单片机(MCU)信号发生器输出频率精度差、频率改变不够灵活等缺点。该系统具有输出频率精确稳定、波形质量好和输出频率范围宽等优点，同时还具有频率计和数字信号调制的功能。经过仿真和实验，验证了该系统的可行性。

引言

　　随着DDS技术应用越来越广泛，市场上出现许多种高性能信号发生器，但是目前可以产生多种信号输出且低价位的仪器并不多，可选择余地不大。在高校实验室中，电类专业学生平时实验及实训过程中，经常要用到函数信号发生器，传统的示波器通常为模拟式，各方面性能指标难以满足学生的实践要求。因此，开发一种成本低、性能好的数字式宽频信号发生器就显得尤为重要。如何合理地研制基于DDS技术的一种结构简单、易于操作、性能稳定、成本低廉的信号发生器是此项目的主要内容。

1 系统方案设计

　　本系统利用了两块型号为MSP430的MCU开发板，可以通过USB接口与PC机进行交互，从而实现上位机的控制。上位机的加入可以极大增强用户体验性，使学生不再畏惧实验，同时进一步熟悉实验相关仪器的操作。

　　本系统的主要功能包含频率计、波形发生器(包括正弦波、方波、三角波、锯齿波)和信号调制功能(包括ASK、PSK和FSK)。其中，频率计的频率范围为1Hz~500KHz，波形发生器的信号频率和幅度可调，频率范围为10Hz~10MHz，步进1Hz可调，峰峰值范围为20mV~13V，同时还能产生-3V~ +3V的直流偏置。整机系统框图如图1所示。

　　该系统分为信号发生模块、信号调理模块、信号反馈模块以及频率测量模块。PC机通过直接命令，使得两块MSP430单片机能控制各个模块，达到协同工作的效果。

　　第一块开发板负责控制频率计模块、AD9851DDS模块和AD9834DDS模块，可以测量输入信号的频率，产生幅值较为稳定的正弦信号、方波信号、三角波信号和锯齿波信号，完成ASK、PSK和FSK的演示功能。

　　第二块开发板负责控制VCA810电压控制模块、后级功放的选择、直流偏置模块与峰值检测模块，实现对前级信号的放大或缩小，并进行峰值幅度校准，以实现用户所需幅度的信号的输出。

　　本系统采用的DDS芯片分别为AD9851和AD9834，前者用于产生正弦波和方波;后者用于产生三角波和锯齿波，同时还可以用于实现ASK、PSK和FSK调制。虽然AD9834也可以产生正弦波和方波，但是由于AD9851的时钟频率最高可达到180MHz，因此，通过AD9851可以输出更高频率的正弦波和方波，并且AD9851频率寄存器有32位，比AD9832高4位，因此有更高的精度。

　　使用过程中，频率计模块可实现直接通过PC机显示屏实时显示当前输入信号的频率值;波形发生器模块可实现用户直接通过PC机设置相应的参数，鼠标点击确定后即产生输出。使用信号调制功能时，用户输入8位二进制码并选择相应调制方式后，点击确定即可通过示波器观察到ASK、PSK和FSK的演示波形。

2 模块实现

2.1 信号发生模块

　　在系统设计中采用AD9851生成正弦波信号和方波信号。设计输出信号为10Hz~10MHz。实际电路中考虑到输出为等效电流源，其输出幅度会随所接负载变化而变化，在输出信号后接电压跟随器稳定输出，最后通过一片模拟开关芯片选择正弦波或方波输出。AD9851功能框图如图2所示。

　　AD9834能够产生高性能正弦波和三角波输出，既可用于执行简单调制，也可实现GMSK和QPSK等更为复杂的调制方案，其功能框图如图3所示。其特性采用AD9834以生成三角波、锯齿波以及对输出信号进行ASK、FSK和PSK调制^[3]，从而完善了信号发生器的功能。实际电路制作过程中对信号的输出做了电压跟随的处理，同时在后级电路中通过JK触发器实现从三角波到锯齿波的转换。

　　实际中应注意AD9834应该采用模拟部分与数字部分分离设计，并限制在电路板的一定区域内，便于使用接地层并使之易于被分割。为实现最佳屏蔽，数字地层和模拟地层应单点连接。

2.2 信号调理模块

　　由于DDS生成信号的幅度值不可调，在DDS模块输出信号后，接VCA810模块进行增益控制。VCA810提供差分输入单端输出转换，用来改变高阻抗的增益，控制信号在- 40dB增益至+40 dB范围内成dB/ V的线性变化。实际中只使用其衰减功能，即将DDS模块产生的固定幅度信号进行0到-40dB的程控衰减，控制信号由MCU控制DA芯片(TLV5616)产生，再经过增益为1的反相比例放大电路送至VCA810。

　　为保证最终输出信号的幅度值较大，在VCA810后级增加一个放大模块，一方面保证信号输出幅度可达到理论值，另一方面还需要保证信号带宽。经过分析选择高速、宽带、高压摆率、宽电源轨运放。为避免由于信号先衰减后放大可能引入更多噪声，影响输出信噪比，选择去耦电路消除电源纹波噪声。合理选择放大电路的带宽和通频带，将需要频带以外的噪声信号滤除。最终选定THS4012作为后级运放，其带宽为290MHz，具有低失真、超高速、宽电源轨特性，输出电流典型值可达110mA，信号电压纹波7.5 nV√Hz，从各个方面都满足本设计需求。

　　结合AD9834特性，可产生两个频率相同但相位相差180°的三角波信号，一个上升的斜坡信号和一个下降的斜坡信号同时出现。通过由AD9833产生的方波电压信号控制AD9834的PSELECT，即相位选择输入端，可使其lout，即电流输出端输出锯齿波信号^[4]，系统原理框图如图4所示。

　　实际中通过AD9834输出三角波信号，并输入比较器中，设定比较器的触发门限为三角波峰值。每当三角波到达峰值时，比较器会产生一个从低电平到高电平的跳变，这可作为JK触发器的触发电平，同时将J输入口和K输入口都接高电平，使其成为一个T触发器。最后将JK触发器的输出当做相位控制信号，从而实现相位翻转产生锯齿波^[5]。

2.3 信号反馈模块

　　为保证信号输出幅度可靠性，除前期对信号的正确处理，还需要对系统输出信号进行峰值检测，并将测量结果反馈回MCU，构成一个系统的闭环反馈，从而增大系统的输出可靠性。

　　峰值检测电路(PKD，Peak Detector)的作用是对输入信号的峰值进行提取，产生输出Vo = Vpeak。为实现这样的目标，电路输出值会一直保持，直到一个新的更大的峰值出现或电路复位^[6]。该模块主要由一个信号预处理电路和峰值检测电路构成，信号预处理电路保证送至峰值检测的信号可以被正确地测量出来。峰值检测设计主要应考虑能否完全满足测试信号带宽，并尽可能扩大可测信号幅度。

　　实际中设计的前级调理电路将信号分为五档由MCU选择，还对信号换挡进行部分重叠，对信号的处理和使用范围分别为：1)放大40倍，用于测量5mV至50mV的信号;2)放大5倍，用于测量40mV至250mV的信号;3)不处理直接测量，用于测量200mV至2V的信号;4)衰减7倍，用于测量1.5V至14V的信号;5)衰减10倍，用于测量10V至20V的信号。信号衰减直接通过电阻网络完成，放大通过高速运放完成。

2.4 频率测量模块

　　本实验系统中还包含有频率计检测模块，其实验原理是通过比较器将输入波形信号整形为方波信号，此时得到的方波信号频率应和原信号频率相等，再利用MCU捕获方波信号的上升沿，实现频率测量。

　　设计中应该考虑到可测输入信号的频率范围，信号幅值及MCU接收电平和响应速度，同时还要考虑到频率计对输入信号噪声的容限值，所以设计一个迟滞比较器，滞环约为20mV，该模块的核心电路如图5所示^[7]。

　　实际电路中通过调整R3的电阻值可改变方波的上升速率，但会导致信号较大幅度的过充，将会影响MCU测量^[8]。同时，R3上拉电阻的电平值决定输出信号高电平幅值，设定为3.3V可以防止输出信号幅值过高损坏MCU。实际中发现频率计的带宽瓶颈并不在硬件本身，而取决于MCU的工作速率，当输入频率较高时，硬件电路仍然可以较好地转化波形，但MCU由于工作时钟的原因不能精确捕获，导致可测信号带宽大约为500KHz。

3 结语

　　本系统采用上位机的方案来实现信号发生系统，可以远程通过任意PC机控制。设备使用中，用户不需要触及任何开关及旋钮，且能自动实现输出信号换挡，保证其可靠准确，减少用户在使用过程中的操作步骤，使用本仪器时的学习成本几乎为零。系统可以产生一定频率的信号或检测某信号的频率功能，帮助完成一些简单电子线路实验，并且具有频率测量，正弦波、方波和三角波产生，及信号调制等功能，用户只需通过PC机上的界面，就能够实现多种功能且操作简单易行。

参考文献：

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本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第52页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。