基于MSP430和AD9854的可程控信號發生器設計

王夢龍

（湖州師范學院，浙江湖州,313000）

基于MSP430和AD9854的可程控信號發生器設計

王夢龍

（湖州師范學院，浙江湖州,313000）

近年來，直接頻率合成技術（DDS）被廣泛用于信號發生器設備中。本文介紹了一種基于AD9854的正弦信號發生器的設計方案。該設計可以實現信號的調值、頻率和相位的調制。輸出信號為頻率0～100MHz，幅值0～5V可調。該設計結構簡單、集成度高，經測試性能良好。

MSP430；AD9854；DDS；可程控

0 引言

信號發生器是一種能輸出各種頻率波形、為系統提供測試的信號源或激勵源的設備。其作為現代電子技術中重要組成部分，被廣泛用于生產實踐和科技領域。DDS技術作為新一代的頻率合成技術，因其具有頻率分辨率高、轉換速度快、頻率切換時相位連續和便于全數字集成化等優點，在信號發生器的設計被廣泛使用。本文介紹了一種采用DDS集成芯片AD9854設計的正弦信號發生器。該信號發生器由MSP430f169作為控制芯片，根據鍵盤輸入，控制AD9854輸出信號，經濾波、運放運算，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 系統的硬件設計

整個系統由控制器MSP430f169、DDS信號源AD9854、濾波電路、運放、LCD顯示及鍵盤等組成，結構圖如圖1所示。

1.1 控制器

msp430f169為16位RISC構架，最高運算速度為8MIPS，具有更大的程序和數據存儲器，超低功耗，為目前業界專為低功耗應用需求所設計的微控制器。內部資源豐富，性價比極高。

本設計選用MSP430f169為控制核心。如圖1所示，MSP430f169的工作過程如下：由鍵盤輸入需產生波形的頻率、幅值及相位值，在控制器內部經過運算，轉換成對應的數字信號從AD9854的并行口輸入，控制AD9854輸出對應信號，經濾波、運放電路，得到所需的正弦信號。

1.2 DDS實現

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

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，通過查表產生波形。DDS的實現方法有很多種，本文采用的AD9854實現原理如圖2。

圖2

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

如圖2所示，頻率控制字結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時鐘頻率的關系如式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容累加得到正弦查詢表的地址，根據該地址輸出12位數值。由正弦查詢表輸出的數據將直接輸入到逆sinc函數濾波器，能夠對信號進行sin ( x ) / x校正。由逆sinc函數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 的轉換器。用戶可以設置這個衰減因子的大小,該寄存器為12Bit ,衰減因子的數值范圍是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。本設計中設置為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，在其內部經過處理，轉換成對應數值后，由并行口輸入到AD9854對其進行頻率、相位及幅值控制。

1.3 濾波及運放

經AD9854內部12位D/A轉換后的波形并非平滑的正弦信號，須經低通濾波器平滑后，即可得到所需波形。輸出的波形幅值比較小，在濾波之后加入運放LM358，對信號進行放大，得到幅值為0～5V可選的正弦信號。

如上圖所示，在本設計中，為了增加友好的人機界面，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，系統硬件還包括所需的電源、時鐘及復位電路等。

2 系統軟件設計

軟件設計主要包括鍵盤掃描、鍵盤輸入數據處理及對AD9854的控制等。以下介紹部分程序。主程序包括系統初始化、AD9854初始化、按鍵掃描、數據處理、AD9854控制及LCD顯示等。

AD9854的參數設置，首先進行初始化，然后由MSP430f169設置頻率、相位、幅值控制字，參數設置完成后，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 結論

本文設計的利用AD9854和MSP430f169設計的信號發生器具有分辨率高、轉換速度快、體積小，重量輕及功耗低等特點。實驗表明，系統最終能到達預定功能，而且使用靈活。在此基礎上，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行修改，就可以實現AD9854的各種調制功能。

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[3] 李站，陳金鷹.基于DDS芯片AD9851的信號發生器的設計[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計和實現.現代電子技術.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