课程设计（论文）-函数信号发生器.doc

优秀函数信号发生器作 者：华伟锋卞 蕊樊旭超 2013-8-8函数信号发生器摘 要直接数字频率合成（DDS）是一种重要的频率合成技术，具有分辨率高、频率变换快等优点，在雷达及通信等领域有着广泛的应用前景。本文介绍了DDS(直接数字频率合成)的基本原理和工作特点，提出以DDS芯片AD9850芯片为核心利用MSP430F5438单片机控制，辅以必要的外围电路，构成一个输出波形稳定、精度较高的信号发生器。该信号发生器主要能产生标准的正弦波、方波与三角波(锯齿波)，波形可手动切换，频率步进可调，软件系统采用菜单形式进行操作，LCD液晶显示可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值，操作方便明了，还增加了很多功能。关键词：AD9850；信号发生器；MSP430F149单片机；DDS；LCD液晶； Abstact：Direct Digital Synthesis (DDS) is an important frequency synthesizer technology, with high resolution, fast frequency conversion, etc., in radar and communications and other fields have a wide range of applications. This article describes the DDS (direct digital frequency synthesis) of the basic principles and work, we proposed to DDS chip AD9850 chip as the core using MSP430F5438 MCU control, supplemented by the necessary peripheral circuits to form a stable output waveform, high precision signal generator . The signal generator can generate standard primary sine wave, square wave and triangular wave (sawtooth), the waveform can be manually switched, frequency step adjustable software system used to operate the menu form, LCD liquid crystal display can be real-time display of the output signal type , amplitude, frequency and frequency step value, easy to understand, but also adds a lot of functionality.Key words：AD9850; signal generator; MSP430F5438MCU; DDS; LCD liquid crystal;1 引言信号源起激励作用，电路中的信号均由信号源所激励，由激励产生响应。高精度的信号源对通信系统、电子对抗及各种电子测量技术十分重要。随着电子技术的发展，对信号源的频率稳定度、准确度以及频谱纯度提出越来越高的要求。直接数字频率合成（DDS）技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。与传统的频率合成技术相比，它具有频率分辨高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点，成为现代频率合成技术的佼佼者，越来越得到广泛的应用，成为众多系统中不可缺少的组成部分。对于信号调制，直接用电平发送容易收到干扰，而且效率也不高，我们只能用光电二极管来接收，抗干扰能力弱，如果调制，我们可以用高灵敏度的接收头，里面有载波检测电路，有抑制干扰的能力。2 方案设计与论证2.1 总体方案描述整个系统由MSP430F5438微控制器，液晶彩屏显示，触摸屏控制、信号产生等模块构成。整个系统上电后，单片机启动DDS，对LED进行初始化，预制完毕后向单片机发出一系列应答，接着单片机读取存储器数据，送至LED显示，然后进入按键扫描中，有效触摸则单片机进行波形档位的切换，读取频率数据，然后送给已启动的DDS信号芯片，输出相应的频率的波形。微控制器与液晶显示构成了控制显示模块，能对输出的电压和频率进行键盘设定和步进调整，并显示输出波形种类、电压频率及幅值，形成了良好的人机界面。总体框图如图2.1。图2-1 系统框图2.2 微处理器模块的比较与论证方案一：用单片机MSP430F5438作为系统的主控核心此单片机具有体积小，使用灵活的，易于人机对话和良好的数据处理，有较强的指令寻址和运算功能等优点。方案二：用FPGA等可编程器件作为控制模块FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，密度高，速度快，稳定性好等许多有点。FPGA在掉电后会丢失数据上电后须进行一次配置，因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序。并且FPGA作为数字逻辑器件，竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。在此系统中，采用单片机作为控制比采用FPGA实现更简便。基于综合性价比，确定选择方案一。2.3 信号产生模块的比较与论证方案一：使用集成函数发生器芯片集成函数芯片有ICL8038等。ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将它作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。但是发挥部分要求正弦波以1Hz为步进增加，所以用ICL8038不方便控制。方案二：直接数字频率合成（DDS） 直接数字频率合成技术是根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后储存在EPROM中构成一个正弦查询表。频率合成时，相位累加器在参考时钟的作用下对时钟脉冲进行计数，同时将累加器输出的累加相位与频率控制字K预置的相位增量相加，以相加后的吉果形成正弦查询表的地址；取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值，经DA转换器输出模拟信号，再经低通滤波器平滑得到符合要求的模拟信号。相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同，由于相位累加器的相位增量不同，将导致一周期内的取样点数不同，在取样频率(由参考时钟频率决定)不变的情况下，输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位，则可以对输出信号进行相位控制。目前有许多可用作信号发生器的专用DDS集成芯片，如ADI公司推出的AD9850其基本结构原理图如图2-2。图2-2 AD9850基本结构综合比较以上方案，结合信号发生器产生的频率稳定度和精确度要求，我们选择DDS直接数字频率合成。一方面，DDS较信号发生器更容易精确控制；另一方面，DDS较锁相式频率合成外设少，更容易实现。正弦信号产生后，经高速比较器后产生频率相同的方波，调节参考电压可调占空比。方波产生后，经过积分电路，得到三角波(锯齿波)。所以选择用AD9850芯片的直接数字频率合成。2.4 输入控制模块比较与论证方案一：采用触摸液晶屏触摸屏在日常生活中随处可见，而触摸屏因为有坚固耐用，反应速度快，节省空间，能够实现更加有效的人机互动等功能等诸多优点，为大众所接受。但程序设计会有一些复杂。方案二：采用4*4键盘该键盘占用8个I/O口，并采用查询方法读取键盘，程序很容易实现，按键每次步进控制实现调频，在本系统中较为方便控制信号发生器及输入参数。结合本系统，权衡两方案利弊，我们最后决定采用方案二作为输入控制模块。2.5 显示模块比较与论证方案一：采用普通LED显示其优点是元器件价格低廉，而且外围电路简单。但是扫描要占用大量的I/O口资源，还增大了单片机的运算开销，显示的信息也不够丰富。方案二：采用LCD液晶显示其优点是显示信息非常丰富，可以很形象的显示信号发生器的各个参数。同时颜色多样，不会很单调。占用的I/O资源比较少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销。鉴于本系统的扩展要求，我们采用LCD液晶作为我们的显示模块。同时写入彩屏程序，使其更生动直观。3 系统硬件的实现3.1 微处理器电路本作品用的MSP430F5438最小系统电路如图3-1。图3-1 微控制器电路3.2 正弦信号产生电路本作品采用直接数字频率合成技术，使用ADI公司的集成DDS器件AD9850。 AD9850是AD公司生产的最高时钟为125 MHz、采用先进的CMOS技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成，并具有时钟产生功能。AD9850的DDS系统包括相位累加器和正弦查找表，其中相位累加器由一个加法器和一个32位寄存器组成，相位寄存器的输出与外部相位控制字（5位）相加后作为正弦查找表的地址。正弦查找表实际上是一个相位/幅度转换表，它包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0- 360范围的一个相位点。查找表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动10 bit的DA变换器，输出两个互补的电流，其幅度可通过外接电阻进行调节。AD9850包括一个高速比较器，将DA变换器的输出经外部低通滤波器后接到此比较器上即可产生一个抖动很小的方波，这使得AD9850还可以方便地用作时钟发生器。三路输出切换用继电器，使得波形完整输出。电路图如图3-2。图3-2 信号产生电路3.3 方波产生电路本作品的方波产生电路是由外部高速比较器TLV3501搭建的。由DDS产生的正弦波经过高速比较器，产生同频率同幅值的方波。电路图如图3-3。图3-3 方波产生电路3. 4 三角波及锯齿波产生电路三角波是由方波通过RC积分电路得到的。频率设置为10K，锯齿波是由集成芯片TL494直接输出的，频率在1Hz300Hz可调。3. 5 滤波电路本作品滤波电路采用RLC七阶无源椭圆滤波器，电路图如图3-4。图3-4 滤波电路3. 6 程控放大电路本作品可控增益调节部分使用了德州仪器（TI）公司的压控增益放大器VCA810，VCA810 在宽频带工作模式下，增益控制范围为-40dB+40dB ，在程控放大之前加了继电器切换档位波形输出。电路图如图3-5。图3-5 程控放大电路3. 7 A/D转换电路为了实现更高的精确度，本系统采用TI公司的16位AD芯片ADS1115，该芯片具有采集精度高，转换速度快等优点。其电路图如图3-6所示。图3-4 A/D转换电路3.1.6 峰峰值检测电路峰峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路, 峰峰值检测器依据半波整流原理构成电路。交流电源在正半周的一段时间内, 通过二极管对电容充电, 使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要 RC 足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。峰值检测器是用来检测交流电压峰值的电路, 最简单的峰值检测器依据半波整流原理构成电路。交流电源在正半周的一段时间内, 通过二极管对电容充电, 使电容上的电压逐渐趋近于峰值电压。只要 RC 足够大，可以认为其输出的直流电压数值上十分接近于交流电压的峰值。为了避免次级输入电阻的影响, 可在检测器的输出端加一级跟随器(高输入阻抗)作为隔离级，同时可在检测器前加一级比较放大器，使其更直观。见图3-7。峰峰值检测电路 图3-73. 9 线性稳压电源电路系统需要18V的供电，稳压电源的设计采用7805、7905等三端稳压芯片，产生5V、12V的电源电压。具体电路如附图3-8所示。图3-8 线性电源原理图4 软件的实现系统以单片机为控制器，采用C语言对单片机进行编程。程序主要起导向和决策的作用，它控制整个系统稳定协调的运作。系统各种功能主要通过调用具体的子程序来实现，主要负责波形及参数，控制档位的切换和人机交互。而人机交互采用触摸彩屏输入，通过触摸彩屏可设置波形类型、频率等参数。其主要流程图如下：图4-1 主要流程图5 系统测试5.1 主要测试用的仪器TDS1002数字示波器；自制线性稳压电源；UT39A数字万用表；5.2 指标测试结果各项指标如下表：表4-1 测试结果设定频率（Hz）正弦波方波三角波实际频率(Hz)测量误差实际频率(Hz)测量误差实际频率(Hz)测量误差50492%492%492%1001000%1011%1011%5005000%5000%5000%10009990.2%10000%10000%200019990.05%20020.1%20020.1%500049990%49990%49990%10000100020%100020%100020%20000200020%200020%200020%50000500050%500060%500060%1000001000080%1000070%1000070%2500002500050%2500080%2500080%5000005000060%50000