嵌入式信号源设计

2万 · 2014-8-31 20:30

　　引言

　　信号源是现代电子系统的重要组成部分，在通信、测控、导航、雷达、医疗等领域有着广泛的应用，而且信号源作为现代电子产品设计和生产中的重要工具，必须满足高精度、高速度、高分辨率、频率可调等要求。

　　该设计采用直接数字频率合成(DDS)技术，使用DDS芯片AD9850与超低功耗的MSP430F149单片机配合，可输出精确控制的正弦波和方波信号。在控制流程中，通过4x 4矩阵键盘设定频率值，MSP430为AD9850计算频率控制字，并且将频率控制字通过串行方式写入其中，结合键盘上步进调节增量“1 Hz”，“10 Hz”，“100 Hz”键，使得频率可以精确到步长为1 Hz的调节；产生正弦波时，经过低通滤波器滤除信号的高频分量，通过增益可调的宽带放大器放大输出所需信号。如果接到AD9850内部的高速比较器上，即可直接输出一个抖动很小的方波，系统通过字符型液晶屏1602显示设定频率和其他信息。实验结果显示，输出信号频率范围在1 Hz～10 MHz，且无明显失真；输出信号频率实现1 Hz，10 Hz，100 Hz三级步进调节，频率精度0.01 Hz，频率转换速度1 ms，输出幅度范围1～10 V。

　　该设计的创新点在于：将DDS芯片AD9850与超低功耗的MSP430F149单片机结合，提出了具有较高性价比和集成度、低功耗的嵌入式信号源设计方案；并且AD9850与MSP430F149采用串行连接方式，节省单片机的I/O资源，便于系统的功能扩展和产品升级。该信号源具有精度高，频率范围宽，频率输出稳定，体积小，功耗低，控制灵活方便的特点，可广泛应用于日常教学和科研工作中，如果再经过结构优化，将具有良好的市场前景。

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　　1 系统设计

　　1.1 DDS技术原理与结构

　　DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高，稳定性好，可灵活产生多种信号的优点。一个DDS信号发生器由相位累加器、波形数ROM表、D/A转换器以及模拟低通滤波器LPF组成，原理框图如图1所示。DDS技术的核心是相位累加器。相位累加器在稳定时钟信号的控制下产生读取数据的地址值，随后通过查表变换，地址值被转化为信号波形的数字幅度序列，再由数/模变换器(D/A)将代表波形幅度的数字序列转化为模拟电压；最后经由低通滤波器将D/A输出的阶梯状波形平滑为所需的连续波形。DDS信号发生器通过改变相位增量寄存器的值△phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率。每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就与N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后，它就作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值，然后经D/A转换变成模拟值输出。当下一个时钟到来时，相位累加器的输出又加一次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。最终，相位累加器检索到足够的点就构成了整个波形。合成信号的波形取决于ROM表中的幅度序列，通过修改数据可以产生任意波形，如果要产生多种波形，只需把所需的多种波形数据存放到波形ROM表中。

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　　DDS系统输出正弦波的频率计算公式为：

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　式中：fo为输出正弦波的频率；fo为系统的时钟频率；FSW为频率控制字；N为相位累加器的字长，频率控制字与输出频率成正比。由取样定理，所产生的信号频率能超过时钟频率的50 %，在实际应用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的33 %，以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。

　　DDS的频率分辨率定义为：

　　由于基准时钟的频率一般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率；位数越多，分辨率越高。

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　　该信号源采用DDS专用芯片AD9850产生正弦信号。AD9850采用CMOS工艺，其功耗在3.3 V供电时为155 mW，扩展工业级温度范围为-40～+80℃，采用28脚SSOP表面封装形式，AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。AD9850支持的时钟输入最高为125 MHz，频率控制字的位数为32位。由式(2)可以计算出在125 MHz时钟输入时分辨率为0.021 9 Hz，该设计中选用30 MHz的有源晶振，故其分辨率按式(2)计算得0.006 9 Hz。

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　1.2 系统总体设计

　　该系统采用MSP430F149对DDS进行控制构成方波正弦波信号源的系统框图如图2所示。

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　该信号源由MSP430F149单片机、DDS芯片AD9850、低通滤波器(LPF)、4×4软键盘、1602液晶显示屏和外部参考时钟源、宽带放大器和稳压电源等组成。其中，低通滤波器是信号源中的关键器件，负责滤除正弦输出信号中的高频、杂散信号和谐波信号；稳压电源的+5 V电压经过电平转换后为MSP430和AD9850提供+3.3 V的电源电压；外部参考时钟源选用30 MHz有源晶振，MSP430F149与AD9850采用串行通信方式连接。

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　　1.3 硬件设计

　　该信号源选用MSP430F149作为核心控制器，为了节省I/O资源，方便系统功能扩展，MSP430与DDS芯片AD9850之间采用串行通信方式，接口电路如图3所示。AD9850与外围元件的硬件连接图如图4所示，AD9851的正弦输出信号端IOUT接至外部的低通滤波器，滤除高频杂散和谐波后，一路信号经过宽大放大器AD811放大后输出需要的正弦信号，另一路再回接到AD9851内部比较器的正向输入端(VINP)以得到方波信号。其中：DGND为数字地；AGND为模拟地；VCC为模拟部分的电源电压；VDD为数字部分的电源电压。D7，FQ_UD，W_CLK，RESET分别接至MSP430的P3.0，P3.1，P3.2，P3.3上。为降低噪声信号对放大器的影响，在低通滤波器与宽带放大器之间接一级高速电压跟随器隔离，AD9850的输出信号峰峰值为1～2 V，为增大AD9850输出信号幅值，采用单位增益带宽为140 MHz，Sr=2 500 V/μs的高速宽频带运放AD811进行信号放大，并且通过调节反馈电阻来改变增益，从而调节输出信号幅度。放大电路的最大放大倍数，可以满足一般的应用需求。

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　　1.4 低通滤波器设计

　　低通滤波器是直接数字频率合成器的重要组成部分，其性能的优劣直接影响整个直接数字合成器的特性。在整个DDS实现过程中，低通滤波器除了滤掉高频信号之外，还有除去杂散的作用。DDS的杂散主要来源以下三个方面：

　　(1)ROM幅度量化误差：相位转化为幅度，是通过寻址ROM实现的，然而ROM地址中存有的波形幅度值字长是有限的，ROM存储能力有限而引起的舍位误差就是幅度量化误差；

　　(2)相位截断误差：为了提高DDS的精度，DDS的相位累加器位数都取得非常大，但ROM的容量是有限的，因此只利用相位累加器的高M位ROM寻址，其低(N-M)位被截断。由此引入的截断误差是DDS杂散的主要来源；

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　　(3)DAC的转换误差，即DAC中非线性引起的转换误差：DAC有限的分辨率、非线性特性以及转换过程中出现的尖峰脉冲均会导致频谱质量变坏。因此，低通滤波器的使用是非常必要的，其性能的优劣直接关系到整个DDS的技术指标。

　　低通滤波器可以分为巴特沃什滤波、切比雪夫滤波、贝赛尔滤波和椭圆滤波等。巴特沃什低通滤波器通带和阻带都是平坦的，但是其过渡带太过平缓；切比雪夫低通滤波器的通带是等波纹抖动的，阻带是平坦的，过渡带比巴特沃什稍陡；贝赛尔低通滤波器和切比雪夫低通刚好相反，通带平坦，阻带是等波纹抖动的；椭圆低通滤波器的通带和阻带都是抖动的。但是其过渡带下降迅速，过渡带很窄。在该系统中，为了使输出信号频率最高10 MHz时能够最低程度地降低AD9850外部系统时钟30 MHz的干扰，采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器，并采用7阶椭圆低通滤波。根据系统要求，输出信号的频率可达10 MHz，设定其通带为10 MHz，且7阶滤波具有下降速度更快的过渡带，可以有效地滤除10 MHz以上的高频干扰。考虑到实际的椭圆滤波器设计与理论分析是有所不同的，在此使用Multisim 9经行仿真后得出椭圆滤波器的具体参数。椭圆低通滤波器的电路图如图5所示。

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　　2 系统软件设计

　　软件设计主要分为菜单操作和频率控制值计算两部分。在系统中通过外接4×4软键盘输入设定频率和调整步进。一共16个按键，不同的按键代表着不同的数字和功能，除了正常的10个数字键0～9外，为了方便频率值的输入，还设计了菜单键、删除键、步进一、步进十、确认键、输出键等功能键。通过输入0～9数字键，输入设定频率；按下确认键，输出相应频率的波形；按下菜单键，可根据需要按下1，2，3数字键，分别选择1 Hz，10 Hz，100 Hz三个档位的频率步进；按下确认键，此后按下步进+、步进一即可对输出信号进行频率的步进调整；欲重新设定频率只需按下删除键，再次输入预设的频率即可。

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　该系统中单片机与AD9850采用串行通信方式连接。其中，频率控制字的计算：AD9850的时钟信号采用30 MHz，根据式(1)得：

　　式中：fo为从键盘上输入的频率值。式(3)计算的结果在不影响精度的情况下舍去小数部分，转换为32位的频率控制字。AD9850有40位控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠(PowerDown)控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行方式或串行方式输入到AD9850。实际应用中，工作方式选择位通常设定成00，该系统中AD9850的40位控制字高8位设置为00H。串行接口方式下需满足的时序关系为：在W_CLK的上升沿，引脚D7上的数据自最低有效位开始逐位串行移人输入寄存器，40位数据输入结束后，任何W_CLK上升沿到来，都会造成数据顺序移出并导致原来数据无效。此时，FQ_UD端的上升沿将40位数据装入频率/相位控制寄存器，更新芯片的输出频率和相位，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器，等待下一组新数据的写入。AD9850的控制字串行输入时序图如图6所示。

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　　该系统的总程序框图如图7所示，程序开始后，运行初始化程序，包括初始化单片机MSP430F149、初始化AD9850、初始化液晶显示模块1602等。然后扫描键盘状态，检查到有键按下就运行键值处理程序，对按键值进行查表处理，之后执行相应的子程序。输入的信号相关信息通过运行液晶显示程序，在LCD上显示正确的输入数据和提示字符。在按下确认键后，MSP430F149计算出所需信号的数据或控制命令，将其传送到AD9850，输出最终信号。

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　　3 系统测试与结果分析

　　为了检验本系统的实际性能，在完成所有设计后，使用HDSTO22M型示波表对该系统进行实测，经过实验测试系统达到下列性能指标：输出信号频率范围为1 Hz～10 MHz；步进调整为1 Hz，10 Hz，100 Hz三档步进；失真度无明显失真；输出电压峰峰值为1～10 V；频率稳定度优于10-4。

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　　4 结语

　　在此给出一种基于DDS芯片AD9850和MSP430F149单片机的嵌入式信号源设计方法，该信号源可输出频率范围为1 Hz～10 MHz的正弦波和方波，且具有频率设定1 Hz，10 Hz，100 Hz多档步进调整和幅度调节的功能。可以通过按键进行频率值设定，并有LCD显示波形的频率等信息，经实验测试，在1 Hz～10 MHz频率范围内，得到的正弦波方波信号具有频率稳定性好，频率准确度高及频率分辨率高等特点。

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