基于頻率合成器的信號發(fā)生器設(shè)計與測試

湯文 邢志剛

摘 要：本文基于直接數(shù)字式頻率合成器芯片AD9834設(shè)計了簡易信號發(fā)生器，采用微處理器MSP430F149、液晶模塊LCD12864以及按鍵模塊，搭建了人機交互良好的操作界面，并對設(shè)計的信號發(fā)生器進行了實驗驗證。結(jié)果表明，對于不同頻率的正弦波和方波信號，信號發(fā)生器均能提供準確地頻率輸出。

關(guān)鍵詞：微處理單元；頻率合成器；信號發(fā)生器；人機交互

中圖分類號：TN741 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）17-0000-00

1 引言

函數(shù)信號發(fā)生器作為一種能夠產(chǎn)生包含方波和正弦波在內(nèi)多種波形的信號源，隨著函數(shù)信號發(fā)生器應用范圍日趨廣泛，需要輸出的頻率和幅值具有一定可調(diào)節(jié)性[1]。在通信廣播系統(tǒng)中需要將載有低頻率音頻信號調(diào)制為高頻信號，而在核磁共振成像和超聲診斷領(lǐng)域需要應用到不同功率不同頻率的信號發(fā)生器[2]。函數(shù)信號發(fā)生器廣泛應用在各個領(lǐng)域，研究一套低功耗具有不同信號類型、且頻率可變的函數(shù)信號發(fā)生器具有一定的實用性。

2 總體設(shè)計

本文采用數(shù)字式頻率合成器AD9834、微處理器MSP430F149、以及液晶模塊LCD12864進行了函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計，如圖1所示。系統(tǒng)輸入信號通過基于液晶顯示模塊設(shè)計的操作菜單界面進行輸入，來處理識別判斷按鍵模塊的控制指令，驅(qū)動直接數(shù)字式頻率合成器在濾波電路處理后輸出期望值，同時為了驗證函數(shù)信號發(fā)生器運行性能，采用示波器對輸出信號進行校正測量。

3 硬件設(shè)計

數(shù)字式頻率合成器包含頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器三個部分[3]，其結(jié)構(gòu)原理如圖2所示。數(shù)字式頻率合成器輸出數(shù)字化正弦波，經(jīng)高速D/A轉(zhuǎn)換和低通濾波才輸出可用模擬頻率信號。因此，選用具有片內(nèi)D/A轉(zhuǎn)換器以及片內(nèi)集成調(diào)頻和調(diào)相等調(diào)制功能的芯片AD9834。

數(shù)字式頻率合成器輸出波形頻率 為：

其中： 為參考頻率， 為頻率控制字， 為相位累加器的位數(shù)。芯片AD9834最高時鐘頻率為75MHz，相位累加器位數(shù)為28位。當使用25MHz時鐘輸入時，可以提供分辨率為0.093 Hz的輸出信號，選用不同的輸入時鐘，可以提供更加高的分辨率 ：

當輸出制定頻率時需要配置計算相位累加器，通過計算得到的頻率控制字輸入到低位頻率寄存器0x50C7和高位頻率寄存器0x4000，結(jié)合控制時序可以輸出期望頻率。當輸出得到400Hz正弦波信號，芯片時鐘頻率是25MHz時可得：

數(shù)字式頻率合成器AD9834采用SPI串行接口與外圍控制器連接，減少系統(tǒng)的引腳數(shù)。但在數(shù)字地與模擬地連接處理時，在原理圖和PCB設(shè)計過程中需要將兩者分開，用一個零歐姆的電阻短接，即可解除二者的干擾。

微處理器MSP430F149是Texas Instrument公司生產(chǎn)的一款高性能16位混合信號微處理器，具有運算速度快、集成程度高等優(yōu)點[4]。當采用芯片電源電壓降壓技術(shù)及靈活可控制的運行時鐘，微處理器提供多種低功耗模式，如供電電壓1.8～3.6V，當其工作于模式LMP5時，工作電流僅為0.1uA。同時片上具有多達48路I/O口，且每路I/O均可獨立編程配置成普通I/O模式或第二功能模式。以Flash型器件為主，片內(nèi)集成JTAG調(diào)試接口，可實現(xiàn)程序在線調(diào)試，在方便開發(fā)過程同時減少開發(fā)周期和難度。

按鍵模塊主要采用按鍵來選擇輸出波形類型和進行頻率設(shè)置，其功能定義如表1所示。本文采用液晶顯示模塊LCD12864進行菜單顯示，并與外部CPU接口采用并行接口，進行圖形和點陣漢子的顯示。通過使能端口使能器件，兩個讀寫操作接口用于控制讀寫信息的寫入讀取，8個并行口用于傳輸數(shù)據(jù)信息。

本文設(shè)計了一種簡易函數(shù)信號發(fā)生器，采用微處理器處理從按鍵輸入的信號，驅(qū)動液晶模塊LCD模塊輸出交互信息。基于微處理器高速的運算速度，可實時處理按鍵菜單的輸入信息，快速刷新LCD顯示模塊，通過串行SPI接口與數(shù)字式頻率合成器進行信號輸出。為兼顧系統(tǒng)的供電，系統(tǒng)上集成LM1117MP-3.3電壓轉(zhuǎn)換模塊，將5V電壓轉(zhuǎn)換成為3.3V電壓。

4 系統(tǒng)測試

函數(shù)信號發(fā)生器在系統(tǒng)商店復位后，完成各模塊初始化，在信號進入等待過程中掃描與按鍵菜單結(jié)構(gòu)，確定是否有輸入的控制信號。同時微處理器根據(jù)輸入信號類型觸發(fā)對應的動作，完成指定波形和頻率信號的輸出，如圖3所示。

為了驗證函數(shù)信號發(fā)生器的精度以及可靠性，選定輸入信號類型為正弦波和方波，其頻率為1000Hz，100Hz以及10Hz可調(diào)，使用示波器測量相應波形的輸出頻率和幅值，測試結(jié)果如圖4和表2所示。實驗結(jié)果表明，對于10Hz、100Hz和1000Hz的正弦波信號其誤差分別為0.9%、0.2%和0，而10Hz、100Hz和1000Hz的方波信號其誤差分別為0.8%、0.2%和3.1%，所設(shè)計的函數(shù)信號發(fā)生器均能得到精度可接受的正弦波信號和方波信號。

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種基于直接數(shù)字式頻率合成器芯片的簡易函數(shù)信號發(fā)生器，選用超低功耗微處理器進行控制，設(shè)計具有良好的人機交互界面，函數(shù)信號發(fā)生器能夠輸出頻率可調(diào)、輸出信號類型可調(diào)的正弦波及方波形。通過采用示波器對輸出信號的測試，實驗表明所設(shè)計的簡易信號發(fā)生器具有較高的精確度。

參考文獻

[1] 李季.信號發(fā)生器發(fā)展淺析（上）[J].電子產(chǎn)品世界，2002，（19）：65-66.

[2] 徐偉，周杏鵬.基于AD9834的高性價比信號發(fā)生器設(shè)計[J].儀器儀表與分析監(jiān)測，2008，（1）：6-8.

[3] 莊海軍.數(shù)字函數(shù)信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)[D].江南大學，2008.

[4] 沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機原理與應用[M].清華大學出版社，2004.

收稿日期：2018-06-08

作者簡介：湯文（1981—），男，四川資中人，本科，畢業(yè)于四川師范大學，工程師，研究方向：機械電子及自動控制、智能化。

Design and Testing of Signal Generator Based on Frequency Synthesizer

TANG Wen， XING Zhi-gang

（Jiangsu Wenguang Vehicle Accessories Company Limited， Zhenjiang Jiangsu 212325）

Abstract： This paper designed a simple signal generator based on the direct digital frequency synthesizer chip AD9834. An operational man-machine interface is built using microprocessor MSP430F149， liquid crystal module LCD12864 and button module. The experimental signal generator was verified， which indicated that the designed signal generator can provide accurate frequency output for different frequencies sine and square wave signals.

Key words： micro-processing unit； frequency synthesizer； signal generator； human-computer interaction