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
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