引 言

　　信號(hào)源是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，在通信、測(cè)控、導(dǎo)航、雷達(dá)、醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，而且信號(hào)源作為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的重要工具，必須滿足高精度、高速度、高分辨率、頻率可調(diào)等要求。

　　該設(shè)計(jì)采用直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)，使用DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機(jī)配合，可輸出精確控制的正弦波和方波信號(hào)。在控制流程中，通過4x 4矩陣鍵盤設(shè)定頻率值，MSP430為AD9850計(jì)算頻率控制字，并且將頻率控制字通過串行方式寫入其中，結(jié)合鍵盤上步進(jìn)調(diào)節(jié)增量“1 Hz”，“10 Hz”，“100 Hz”鍵，使得頻率可以精確到步長(zhǎng)為1 Hz的調(diào)節(jié);產(chǎn)生正弦波時(shí)，經(jīng)過低通濾波器濾除信號(hào)的高頻分量，通過增益可調(diào)的寬帶放大器放大輸出所需信號(hào)。如果接到AD9850內(nèi)部的高速比較器上，即可直接輸出一個(gè)抖動(dòng)很小的方波，系統(tǒng)通過字符型液晶屏1602顯示設(shè)定頻率和其他信息。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，輸出信號(hào)頻率范圍在1 Hz～10 MHz，且無明顯失真;輸出信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn)1 Hz，10 Hz，100 Hz三級(jí)步進(jìn)調(diào)節(jié)，頻率精度0.01 Hz，頻率轉(zhuǎn)換速度1 ms，輸出幅度范圍1～10 V。

　　該設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)在于：將DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機(jī)結(jié)合，提出了具有較高性價(jià)比和集成度、低功耗的嵌入式信號(hào)源設(shè)計(jì)方案;并且AD9850與MSP430F149采用串行連接方式，節(jié)省單片機(jī)的I/O資源，便于系統(tǒng)的功能擴(kuò)展和產(chǎn)品升級(jí)。該信號(hào)源具有精度高，頻率范圍寬，頻率輸出穩(wěn)定，體積小，功耗低，控制靈活方便的特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于日常教學(xué)和科研工作中，如果再經(jīng)過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將具有良好的市場(chǎng)前景。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1.1 DDS技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)

　　DDS技術(shù)是一種用數(shù)字控制信號(hào)的相位增量技術(shù)，具有頻率分辨率高，穩(wěn)定性好，可靈活產(chǎn)生多種信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)。一個(gè)DDS信號(hào)發(fā)生器由相位累加器、波形數(shù)ROM表、D/A轉(zhuǎn)換器以及模擬低通濾波器LPF組成，原理框圖如圖1所示。DDS技術(shù)的核心是相位累加器。相位累加器在穩(wěn)定時(shí)鐘信號(hào)的控制下產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的地址值，隨后通過查表變換，地址值被轉(zhuǎn)化為信號(hào)波形的數(shù)字幅度序列，再由數(shù)/模變換器(D/A)將代表波形幅度的數(shù)字序列轉(zhuǎn)化為模擬電壓;最后經(jīng)由低通濾波器將D/A輸出的階梯狀波形平滑為所需的連續(xù)波形。DDS信號(hào)發(fā)生器通過改變相位增量寄存器的值△phase(每個(gè)時(shí)鐘周期的度數(shù))來改變輸出頻率。每當(dāng)N位全加器的輸出鎖存器接收到一個(gè)時(shí)鐘脈沖時(shí)，鎖存在相位增量寄存器中的頻率控制字就與N位全加器的輸出相加。在相位累加器的輸出被鎖存后，它就作為波形存儲(chǔ)器的一個(gè)尋址地址，該地址對(duì)應(yīng)波形存儲(chǔ)器中的內(nèi)容就是一個(gè)波形合成點(diǎn)的幅度值，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬值輸出。當(dāng)下一個(gè)時(shí)鐘到來時(shí)，相位累加器的輸出又加一次頻率控制字，使波形存儲(chǔ)器的地址處于所合成波形的下一個(gè)幅值點(diǎn)上。最終，相位累加器檢索到足夠的點(diǎn)就構(gòu)成了整個(gè)波形。合成信號(hào)的波形取決于ROM表中的幅度序列，通過修改數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生任意波形，如果要產(chǎn)生多種波形，只需把所需的多種波形數(shù)據(jù)存放到波形ROM表中。

　　DDS系統(tǒng)輸出正弦波的頻率計(jì)算公式為：

　　式中：fo為輸出正弦波的頻率;fo為系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率;FSW為頻率控制字;N為相位累加器的字長(zhǎng)，頻率控制字與輸出頻率成正比。由取樣定理，所產(chǎn)生的信號(hào)頻率能超過時(shí)鐘頻率的50 %，在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證信號(hào)的輸出質(zhì)量，輸出頻率不要高于時(shí)鐘頻率的33 %，以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內(nèi)。

　　DDS的頻率分辨率定義為：

　　由于基準(zhǔn)時(shí)鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數(shù)決定了頻率分辨率;位數(shù)越多，分辨率越高。

　　該信號(hào)源采用DDS專用芯片AD9850產(chǎn)生正弦信號(hào)。AD9850采用CMOS工藝，其功耗在3.3 V供電時(shí)為155 mW，擴(kuò)展工業(yè)級(jí)溫度范圍為-40～+80℃，采用28腳SSOP表面封裝形式，AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。AD9850支持的時(shí)鐘輸入最高為125 MHz，頻率控制字的位數(shù)為32位。由式(2)可以計(jì)算出在125 MHz時(shí)鐘輸入時(shí)分辨率為0.021 9 Hz，該設(shè)計(jì)中選用30 MHz的有源晶振，故其分辨率按式(2)計(jì)算得0.006 9 Hz。

　　1.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)采用MSP430F149對(duì)DDS進(jìn)行控制構(gòu)成方波正弦波信號(hào)源的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

　　該信號(hào)源由MSP430F149單片機(jī)、DDS芯片AD9850、低通濾波器(LPF)、4×4軟鍵盤、1602液晶顯示屏和外部參考時(shí)鐘源、寬帶放大器和穩(wěn)壓電源等組成。其中，低通濾波器是信號(hào)源中的關(guān)鍵器件，負(fù)責(zé)濾除正弦輸出信號(hào)中的高頻、雜散信號(hào)和諧波信號(hào);穩(wěn)壓電源的+5 V電壓經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后為MSP430和AD9850提供+3.3 V的電源電壓;外部參考時(shí)鐘源選用30 MHz有源晶振，MSP430F149與AD9850采用串行通信方式連接。

　　1.3 硬件設(shè)計(jì)

　　該信號(hào)源選用MSP430F149作為核心控制器，為了節(jié)省I/O資源，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展，MSP430與DDS芯片AD9850之間采用串行通信方式，接口電路如圖3所示。AD9850與外圍元件的硬件連接圖如圖4所示，AD9851的正弦輸出信號(hào)端IOUT接至外部的低通濾波器，濾除高頻雜散和諧波后，一路信號(hào)經(jīng)過寬大放大器AD811放大后輸出需要的正弦信號(hào)，另一路再回接到AD9851內(nèi)部比較器的正向輸入端(VINP)以得到方波信號(hào)。其中：DGND為數(shù)字地;AGND為模擬地;VCC為模擬部分的電源電壓;VDD為數(shù)字部分的電源電壓。D7，F(xiàn)Q_UD，W_CLK，RESET分別接至MSP430的P3.0，P3.1，P3.2，P3.3上。為降低噪聲信號(hào)對(duì)放大器的影響，在低通濾波器與寬帶放大器之間接一級(jí)高速電壓跟隨器隔離，AD9850的輸出信號(hào)峰峰值為1～2 V，為增大AD9850輸出信號(hào)幅值，采用單位增益帶寬為140 MHz，Sr=2 500 V/μs的高速寬頻帶運(yùn)放AD811進(jìn)行信號(hào)放大，并且通過調(diào)節(jié)反饋電阻來改變?cè)鲆妫瑥亩{(diào)節(jié)輸出信號(hào)幅度。放大電路的最大放大倍數(shù)，可以滿足一般的應(yīng)用需求。

　　1.4 低通濾波器設(shè)計(jì)

　　低通濾波器是直接數(shù)字頻率合成器的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)直接數(shù)字合成器的特性。在整個(gè)DDS實(shí)現(xiàn)過程中，低通濾波器除了濾掉高頻信號(hào)之外，還有除去雜散的作用。DDS的雜散主要來源以下三個(gè)方面：

　　(1)ROM幅度量化誤差：相位轉(zhuǎn)化為幅度，是通過尋址ROM實(shí)現(xiàn)的，然而ROM地址中存有的波形幅度值字長(zhǎng)是有限的，ROM存儲(chǔ)能力有限而引起的舍位誤差就是幅度量化誤差;

　　(2)相位截?cái)嗾`差：為了提高DDS的精度，DDS的相位累加器位數(shù)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(jìn)位ROM尋址，其低(N-M)位被截?cái)唷Ｓ纱艘氲慕財(cái)嗾`差是DDS雜散的主要來源;

　　(3)DAC的轉(zhuǎn)換誤差，即DAC中非線性引起的轉(zhuǎn)換誤差：DAC有限的分辨率、非線性特性以及轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的尖峰脈沖均會(huì)導(dǎo)致頻譜質(zhì)量變壞。因此，低通濾波器的使用是非常必要的，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)DDS的技術(shù)指標(biāo)。

　　低通濾波器可以分為巴特沃什濾波、切比雪夫?yàn)V波、貝賽爾濾波和橢圓濾波等。巴特沃什低通濾波器通帶和阻帶都是平坦的，但是其過渡帶太過平緩;切比雪夫低通濾波器的通帶是等波紋抖動(dòng)的，阻帶是平坦的，過渡帶比巴特沃什稍陡;貝賽爾低通濾波器和切比雪夫低通剛好相反，通帶平坦，阻帶是等波紋抖動(dòng)的;橢圓低通濾波器的通帶和阻帶都是抖動(dòng)的。但是其過渡帶下降迅速，過渡帶很窄。在該系統(tǒng)中，為了使輸出信號(hào)頻率最高10 MHz時(shí)能夠最低程度地降低AD9850外部系統(tǒng)時(shí)鐘30 MHz的干擾，采用具有較窄過渡帶特性的橢圓濾波器，并采用7階橢圓低通濾波。根據(jù)系統(tǒng)要求，輸出信號(hào)的頻率可達(dá)10 MHz，設(shè)定其通帶為10 MHz，且7階濾波具有下降速度更快的過渡帶，可以有效地濾除10 MHz以上的高頻干擾。考慮到實(shí)際的橢圓濾波器設(shè)計(jì)與理論分析是有所不同的，在此使用Multisim 9經(jīng)行仿真后得出橢圓濾波器的具體參數(shù)。橢圓低通濾波器的電路圖如圖5所示。

　　2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)主要分為菜單操作和頻率控制值計(jì)算兩部分。在系統(tǒng)中通過外接4×4軟鍵盤輸入設(shè)定頻率和調(diào)整步進(jìn)。一共16個(gè)按鍵，不同的按鍵代表著不同的數(shù)字和功能，除了正常的10個(gè)數(shù)字鍵0～9外，為了方便頻率值的輸入，還設(shè)計(jì)了菜單鍵、刪除鍵、步進(jìn)一、步進(jìn)十、確認(rèn)鍵、輸出鍵等功能鍵。通過輸入0～9數(shù)字鍵，輸入設(shè)定頻率;按下確認(rèn)鍵，輸出相應(yīng)頻率的波形;按下菜單鍵，可根據(jù)需要按下1，2，3數(shù)字鍵，分別選擇1 Hz，10 Hz，100 Hz三個(gè)檔位的頻率步進(jìn);按下確認(rèn)鍵，此后按下步進(jìn)+、步進(jìn)一即可對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行頻率的步進(jìn)調(diào)整;欲重新設(shè)定頻率只需按下刪除鍵，再次輸入預(yù)設(shè)的頻率即可。

　　該系統(tǒng)中單片機(jī)與AD9850采用串行通信方式連接。其中，頻率控制字的計(jì)算：AD9850的時(shí)鐘信號(hào)采用30 MHz，根據(jù)式(1)得：

　　式中：fo為從鍵盤上輸入的頻率值。式(3)計(jì)算的結(jié)果在不影響精度的情況下舍去小數(shù)部分，轉(zhuǎn)換為32位的頻率控制字。AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠(PowerDown)控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850。實(shí)際應(yīng)用中，工作方式選擇位通常設(shè)定成00，該系統(tǒng)中AD9850的40位控制字高8位設(shè)置為00H。串行接口方式下需滿足的時(shí)序關(guān)系為：在W_CLK的上升沿，引腳D7上的數(shù)據(jù)自最低有效位開始逐位串行移人輸入寄存器，40位數(shù)據(jù)輸入結(jié)束后，任何W_CLK上升沿到來，都會(huì)造成數(shù)據(jù)順序移出并導(dǎo)致原來數(shù)據(jù)無效。此時(shí)，F(xiàn)Q_UD端的上升沿將40位數(shù)據(jù)裝入頻率/相位控制寄存器，更新芯片的輸出頻率和相位，同時(shí)把地址指針復(fù)位到第一個(gè)輸入寄存器，等待下一組新數(shù)據(jù)的寫入。AD9850的控制字串行輸入時(shí)序圖如圖6所示。

　　該系統(tǒng)的總程序框圖如圖7所示，程序開始后，運(yùn)行初始化程序，包括初始化單片機(jī)MSP430F149、初始化AD9850、初始化液晶顯示模塊1602等。然后掃描鍵盤狀態(tài)，檢查到有鍵按下就運(yùn)行鍵值處理程序，對(duì)按鍵值進(jìn)行查表處理，之后執(zhí)行相應(yīng)的子程序。輸入的信號(hào)相關(guān)信息通過運(yùn)行液晶顯示程序，在LCD上顯示正確的輸入數(shù)據(jù)和提示字符。在按下確認(rèn)鍵后，MSP430F149計(jì)算出所需信號(hào)的數(shù)據(jù)或控制命令，將其傳送到AD9850，輸出最終信號(hào)。

　　3 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

　　為了檢驗(yàn)本系統(tǒng)的實(shí)際性能，在完成所有設(shè)計(jì)后，使用HDSTO22M型示波表對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)測(cè)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到下列性能指標(biāo)：輸出信號(hào)頻率范圍為1 Hz～10 MHz;步進(jìn)調(diào)整為1 Hz，10 Hz，100 Hz三檔步進(jìn);失真度無明顯失真;輸出電壓峰峰值為1～10 V;頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4。

　　4 結(jié) 語

　　在此給出一種基于DDS芯片AD9850和MSP430F149單片機(jī)的嵌入式信號(hào)源設(shè)計(jì)方法，該信號(hào)源可輸出頻率范圍為1 Hz～10 MHz的正弦波和方波，且具有頻率設(shè)定1 Hz，10 Hz，100 Hz多檔步進(jìn)調(diào)整和幅度調(diào)節(jié)的功能。可以通過按鍵進(jìn)行頻率值設(shè)定，并有LCD顯示波形的頻率等信息，經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，在1 Hz～10 MHz頻率范圍內(nèi)，得到的正弦波方波信號(hào)具有頻率穩(wěn)定性好，頻率準(zhǔn)確度高及頻率分辨率高等特點(diǎn)。