基于MP430控制的正弦波信号源的设计与制作

　　本系统以MSP430为控制核心设计并制作一个正弦波和脉冲波信号源。本 实验分为四大模块，分别是键盘扫描模块，正弦波产生模块，脉冲波产生模块和液晶显示模块。正弦产生部分采用DDS芯片AD9851产生频率可控的正弦波,在实践测试中得之从AD9851输出的正弦波幅值会随频率变化，最后通过软件编程明显减少了幅值误差。脉冲产生部分采用Verilog编程在FPGA内部产生占空比可调的脉冲波，解决了由将正弦波变成方波再送FPGA产生脉冲波的不稳定性。本系统工作可靠稳定，较好地完成了基本部分和发挥部分的要求。

　　一. 总体方案

　　本系统要求在给定±15V电源电压条件下设计出一个能产生正波和脉冲波的信号源。信号频率为20Hz~20kHz,频率能程控步进调整(步长为5Hz),脉冲波的占空比在2%~98%之间能程控步进调整(步长2%)，两路信号均要求幅值在100mv到3V步进可调(步长为100mv)，要求性能良好(频率稳度高,非线性失真小等)，方案考虑如下：

　　正弦波产生

　　方案一：采用单片函数信号发生器(如8038),8038可同时产生正弦波。脉冲波,方法简单易行,用D/A转换器的输出来改变调制电压,可以实现数控调整频率,但步长难以满足要求,且频率稳定度不高。

　　方案二:采用锁相式频率合成器,利用锁相环,将压控振荡器(vco)的输出频率锁定在所需频率上,该方案性能良好,但难以达到输出频率覆盖系数的要求,且电路复杂,不适于产生低频信号。

　　方案三:采用直接数字频率合成芯片AB9851,可以很方便地生成正弦波和脉冲波。DDS特别适合于生成频率低、频带宽、频率稳定性和准确度较高及波形复杂的场合。

　　脉冲波产生

　　方案一:由D/A转换器产生占空比相应的电压,将之与正弦信号进行比较就可得到所需占空比方波。但这种方法精度较差,难以达到2%的步进要求。

　　方案二:先把正弦波变换为锯齿波或三角波,然后进行比较。这样一来虽然可以提高精度,但电路复杂,成本高,调试也困难。

　　方案三:采用计数定时方法,先将正弦波变换为方波送入FPGA,再用它的上升沿触发一计时电路,该电路在计时期间输出为高电平,计时终止后输出为低电平, 从而实现脉冲波的占空比步进可调，占空比由单片机传输给FPGA。此方案构成的两模块有影响，形成信号源不稳定。

　　方案四：在单片机MSP430的控制下，通过软件编程直接在FPGA内部产生可控占空比脉冲波，实现比较容易，产生信号源十分稳定。

　　根据以上分析，选用如下方案：

　　(1)正弦波采用DDS芯片AD9851用动态生成程序的方法来实现。

　　(2)方波的产生方波由编程在FPGA内部生成。

　　信号源系统的原理框图如图所示：

　　图1 系统总体框图

　　二. 系统设计

　　2.1 硬件设计

　　2.1.1 正弦波产生电路

　　DDS单片频率合成器AD9851的ROM中已预先存入正弦函数表，其幅度按二进制分辨率量化,其相位一个周期360o按2∏/232的分辨率设立相位取样点。然后存入ROM相应地址中。工作时，用单片机送入频率码。输入采用并行方式，8位一个字节，分5次输入，其中32位是频率码，另8位中的5位是初始相伴控制码，3位是掉电控制码。改变读取ROM的数目，即可改变输出频率。

　　输出频率的一般表达式为 fout=kfc/232

　　式中，k为频率码，是个32位的二进制数。fc为系统时钟频率，即25MHz。

　　频率变化范围为20Hz~20kHz，周期变化范围为50ms~50us。时钟周期Tc=0.04us.当输出频率最高，即fomax=20 kHz,则Tomin=50us，

　　步进宽度为： △T=Tomin&TImes;2%=50&TImes;2%=1us

　　图2

　　2.1.2 正弦波幅值可调电路

　　采用16位串行DA器件DAC8831来实现正弦波的幅度步进。将DDS生成的正弦波接到DAC8831的基准输入端，通过单片机调整DA输入数字量，从而完成正弦波100mv的步进和幅值预置。

　　图3

　　2.1.3 脉冲波形成电路

　　在单片机的控制下通过verilog编程在FPGA内部产生可控脉冲波。

　　图4

　　2.1.4 脉冲波幅值步进调整电路：

　　本部分采用16串行DA器件DAC8831，接口简单，且精度较高。电路图与图3-2相同。

　　2.2 软件设计

　　2.2.1 基本思路

单片机控制AD9851产生频率和相位都可控的正弦波，频率量由键盘设定，步进量为5Hz，AD9851频率分辨率为0.006985Hz，完全能够满足要求。正弦信号送入DAC8831的基准输入端，单片机控制DA的数字量调节其幅值，设置按键调整幅值可实现100mv的步进。在单片机的控制下编程在FPGA内部产生占空比可调的脉冲波，单片机向FPGA送入占空比值和频率值，FPGA通过计数值从而改变输出脉冲波的占空比和频率，设置按键调整占空比和幅值。正弦信号送入DAC8831的基准输入端，单片机控制DA