王夢龍

（湖州師范學(xué)院，浙江湖州,313000）

基于MSP430和AD9854的可程控信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

王夢龍

（湖州師范學(xué)院，浙江湖州,313000）

近年來，直接頻率合成技術(shù)（DDS）被廣泛用于信號發(fā)生器設(shè)備中。本文介紹了一種基于AD9854的正弦信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)方案。該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)信號的調(diào)值、頻率和相位的調(diào)制。輸出信號為頻率0～100MHz，幅值0～5V可調(diào)。該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡單、集成度高，經(jīng)測試性能良好。

MSP430；AD9854；DDS；可程控

0 引言

信號發(fā)生器是一種能輸出各種頻率波形、為系統(tǒng)提供測試的信號源或激勵源的設(shè)備。其作為現(xiàn)代電子技術(shù)中重要組成部分，被廣泛用于生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域。DDS技術(shù)作為新一代的頻率合成技術(shù)，因其具有頻率分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、頻率切換時相位連續(xù)和便于全數(shù)字集成化等優(yōu)點(diǎn)，在信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)被廣泛使用。本文介紹了一種采用DDS集成芯片AD9854設(shè)計(jì)的正弦信號發(fā)生器。該信號發(fā)生器由MSP430f169作為控制芯片，根據(jù)鍵盤輸入，控制AD9854輸出信號，經(jīng)濾波、運(yùn)放運(yùn)算，得到所需的正弦信號，并在LCD顯示輸出信號的頻率、幅值。

圖1

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

整個系統(tǒng)由控制器MSP430f169、DDS信號源AD9854、濾波電路、運(yùn)放、LCD顯示及鍵盤等組成，結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

1.1 控制器

msp430f169為16位RISC構(gòu)架，最高運(yùn)算速度為8MIPS，具有更大的程序和數(shù)據(jù)存儲器，超低功耗，為目前業(yè)界專為低功耗應(yīng)用需求所設(shè)計(jì)的微控制器。內(nèi)部資源豐富，性價比極高。

本設(shè)計(jì)選用MSP430f169為控制核心。如圖1所示，MSP430f169的工作過程如下：由鍵盤輸入需產(chǎn)生波形的頻率、幅值及相位值，在控制器內(nèi)部經(jīng)過運(yùn)算，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號從AD9854的并行口輸入，控制AD9854輸出對應(yīng)信號，經(jīng)濾波、運(yùn)放電路，得到所需的正弦信號。

1.2 DDS實(shí)現(xiàn)

AD9854是美國AnalogDevice公司生產(chǎn)的一種高集成度DDS芯片,片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交D/A轉(zhuǎn)換器I/Q，具有48位的頻率分辨率，兩個14位相位寄存器，兩個12位數(shù)字正交可編程幅度調(diào)制器，和通斷整形鍵控功能，輸出17位相位截?cái)啾ＷC了良好的無雜散動態(tài)范圍指標(biāo)。AD9854允許輸出的信號頻率高達(dá)150MHZ，而數(shù)字調(diào)制輸出頻率可達(dá)100MHZ。通過內(nèi)部高速比較器正弦波轉(zhuǎn)換為方波輸出，可用作方便的時鐘發(fā)生器。通過數(shù)字化編程可以輸出I、Q兩路合成信號。該芯片能夠在單片上完成頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制。

本文采用AD9854作為DDS模塊。DDS的基本原理是利用奈奎斯特定律，通過查表產(chǎn)生波形。DDS的實(shí)現(xiàn)方法有很多種，本文采用的AD9854實(shí)現(xiàn)原理如圖2。

圖2

AD9854有5種工作方式，本設(shè)計(jì)中采用單信號方式，從兩路D/A中選擇I通道輸出所需正弦信號。使用內(nèi)時鐘模式，參考時鐘為40MHz，通過內(nèi)部倍頻為200MHz的系統(tǒng)時鐘，根據(jù)奈奎斯特定理，輸出時鐘最大頻率為系統(tǒng)時鐘的1/2，即100MHz。設(shè)計(jì)輸出的頻率范圍為0～100MHz。

如圖2所示，頻率控制字結(jié)合相位寄存器控制輸出信號頻率，控制字為48位。輸出信號頻率與頻率控制字及系統(tǒng)時鐘頻率的關(guān)系如式1-1所示。

式中M為頻率控制。

輸出信號相位控制字為14位，控制信號的初始相位。相位寄存器和相位控制字的內(nèi)容累加得到正弦查詢表的地址，根據(jù)該地址輸出12位數(shù)值。由正弦查詢表輸出的數(shù)據(jù)將直接輸入到逆sinc函數(shù)濾波器，能夠?qū)π盘栠M(jìn)行sin ( x ) / x校正。由逆sinc函數(shù)濾波器輸出的信號將會乘上1 個衰減因子,然后再送入到D/ A 的轉(zhuǎn)換器。用戶可以設(shè)置這個衰減因子的大小,該寄存器為12Bit ,衰減因子的數(shù)值范圍是0～4095/ 4 096 ，即如圖2所示中的幅值控制字。I通道D/A轉(zhuǎn)換后輸出正弦信號，輸出信號的最大輸出值由56腳的電阻決定，最大為20mA。本設(shè)計(jì)中設(shè)置為10毫安輸出，56引腳阻值為39.93/10mA≈4KΩ。輸出信號引腳接50Ω電阻，電流轉(zhuǎn)化為電壓，幅值為0～0.5V。如圖所示的控制字由鍵盤輸入到msp430f169，在其內(nèi)部經(jīng)過處理，轉(zhuǎn)換成對應(yīng)數(shù)值后，由并行口輸入到AD9854對其進(jìn)行頻率、相位及幅值控制。

1.3 濾波及運(yùn)放

經(jīng)AD9854內(nèi)部12位D/A轉(zhuǎn)換后的波形并非平滑的正弦信號，須經(jīng)低通濾波器平滑后，即可得到所需波形。輸出的波形幅值比較小，在濾波之后加入運(yùn)放LM358，對信號進(jìn)行放大，得到幅值為0～5V可選的正弦信號。

如上圖所示，在本設(shè)計(jì)中，為了增加友好的人機(jī)界面，硬件電路還包括LCD顯示， 用來顯示輸出波形的頻率、幅值及相位信息。除以上所述部分之外，系統(tǒng)硬件還包括所需的電源、時鐘及復(fù)位電路等。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)主要包括鍵盤掃描、鍵盤輸入數(shù)據(jù)處理及對AD9854的控制等。以下介紹部分程序。主程序包括系統(tǒng)初始化、AD9854初始化、按鍵掃描、數(shù)據(jù)處理、AD9854控制及LCD顯示等。

AD9854的參數(shù)設(shè)置，首先進(jìn)行初始化，然后由MSP430f169設(shè)置頻率、相位、幅值控制字，參數(shù)設(shè)置完成后，給一個全局的外部更新信號Update，此時各路AD9854就開始同步工作。

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的利用AD9854和MSP430f169設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器具有分辨率高、轉(zhuǎn)換速度快、體積小，重量輕及功耗低等特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)最終能到達(dá)預(yù)定功能，而且使用靈活。在此基礎(chǔ)上，不需要改變硬件，只要通過軟件對AD9854的各特殊功能寄存器進(jìn)行修改，就可以實(shí)現(xiàn)AD9854的各種調(diào)制功能。

[1] 韋曉璐,任青蓮. 基于DDS的多路任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程.2015,23(14):93-95.

[2] 吉亞平，李文臣．芯片AD9854在跳頻通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．天津通信技術(shù)．2002(4): 31—33．

[3] 李站，陳金鷹.基于DDS芯片AD9851的信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].中國集成電路.2013（12）：83-85.

[4] 張峰，劉慶峰. 基于DDS 的可程控信號源的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn).現(xiàn)代電子技術(shù).2014,37(15):80-82.

The Design of Programmable Signal Generator Based on MSP430 and AD9854

Wang Menglong
(Huzhou Teachers College，ZheJiangHuZhou，313000)

In recent years,The Direct Digital Synthesizer(DDS) technique is widely used in the design of signal generator.The topic introduces a design scheme of sinusoidal signal generator based on AD9854. The design can realizes the signal modulation of value,frequency and phase.The output signal can be adjusted :frequency 0～100MHz, amplitude 0～5V.The design has a simple structure, high integration,good test performance.

MSP430；AD9854；Direct Digital Synthesizer；Program Control