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基于MSP430的信号发生系统设计

作者:曹鹏辉 郭湘南时间:2016-11-30来源:电子产品世界收藏
编者按:本文提出一种基于DDS芯片技术信号发生器设计的上位机控制系统。通过研究DDS器件在技术实现中的具体应用,解决了传统单片机(MCU)信号发生器输出频率精度差、频率改变不够灵活等缺点。该系统具有输出频率精确稳定、波形质量好和输出频率范围宽等优点,同时还具有频率计和数字信号调制的功能。经过仿真和实验,验证了该系统的可行性。

作者/ 曹鹏辉 郭湘南 武汉邮电科学研究院(武汉 430074)

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/201611/340858.htm

摘要:本文提出一种基于DDS芯片技术设计的上位机控制系统。通过研究DDS器件在技术实现中的具体应用,解决了传统单片机(MCU)输出频率精度差、频率改变不够灵活等缺点。该系统具有输出频率精确稳定、波形质量好和输出频率范围宽等优点,同时还具有频率计和数字信号调制的功能。经过仿真和实验,验证了该系统的可行性。

引言

  随着DDS技术应用越来越广泛,市场上出现许多种高性能,但是目前可以产生多种信号输出且低价位的仪器并不多,可选择余地不大。在高校实验室中,电类专业学生平时实验及实训过程中,经常要用到函数信号发生器,传统的示波器通常为模拟式,各方面性能指标难以满足学生的实践要求。因此,开发一种成本低、性能好的数字式宽频信号发生器就显得尤为重要。如何合理地研制基于DDS技术的一种结构简单、易于操作、性能稳定、成本低廉的信号发生器是此项目的主要内容。

1 系统方案设计

  本系统利用了两块型号为的MCU开发板,可以通过USB接口与PC机进行交互,从而实现上位机的控制。上位机的加入可以极大增强用户体验性,使学生不再畏惧实验,同时进一步熟悉实验相关仪器的操作。

  本系统的主要功能包含频率计、波形发生器(包括正弦波、方波、三角波、锯齿波)和信号调制功能(包括ASK、PSK和FSK)。其中,频率计的频率范围为1Hz~500KHz,波形发生器的信号频率和幅度可调,频率范围为10Hz~10MHz,步进1Hz可调,峰峰值范围为20mV~13V,同时还能产生-3V~ +3V的直流偏置。整机系统框图如图1所示。

  该系统分为信号发生模块、信号调理模块、信号反馈模块以及频率测量模块。PC机通过直接命令,使得两块单片机能控制各个模块,达到协同工作的效果。

  第一块开发板负责控制频率计模块、DDS模块和DDS模块,可以测量输入信号的频率,产生幅值较为稳定的正弦信号、方波信号、三角波信号和锯齿波信号,完成ASK、PSK和FSK的演示功能。

  第二块开发板负责控制VCA810电压控制模块、后级功放的选择、直流偏置模块与峰值检测模块,实现对前级信号的放大或缩小,并进行峰值幅度校准,以实现用户所需幅度的信号的输出。

  本系统采用的DDS芯片分别为,前者用于产生正弦波和方波;后者用于产生三角波和锯齿波,同时还可以用于实现ASK、PSK和FSK调制。虽然也可以产生正弦波和方波,但是由于的时钟频率最高可达到180MHz,因此,通过AD9851可以输出更高频率的正弦波和方波,并且AD9851频率寄存器有32位,比AD9832高4位,因此有更高的精度。

  使用过程中,频率计模块可实现直接通过PC机显示屏实时显示当前输入信号的频率值;波形发生器模块可实现用户直接通过PC机设置相应的参数,鼠标点击确定后即产生输出。使用信号调制功能时,用户输入8位二进制码并选择相应调制方式后,点击确定即可通过示波器观察到ASK、PSK和FSK的演示波形。

2 模块实现

2.1 信号发生模块

  在系统设计中采用AD9851生成正弦波信号和方波信号。设计输出信号为10Hz~10MHz。实际电路中考虑到输出为等效电流源,其输出幅度会随所接负载变化而变化,在输出信号后接电压跟随器稳定输出,最后通过一片模拟开关芯片选择正弦波或方波输出。AD9851功能框图如图2所示。

  AD9834能够产生高性能正弦波和三角波输出,既可用于执行简单调制,也可实现GMSK和QPSK等更为复杂的调制方案,其功能框图如图3所示。其特性采用AD9834以生成三角波、锯齿波以及对输出信号进行ASK、FSK和PSK调制[3],从而完善了信号发生器的功能。实际电路制作过程中对信号的输出做了电压跟随的处理,同时在后级电路中通过JK触发器实现从三角波到锯齿波的转换。

  实际中应注意AD9834应该采用模拟部分与数字部分分离设计,并限制在电路板的一定区域内,便于使用接地层并使之易于被分割。为实现最佳屏蔽,数字地层和模拟地层应单点连接。

2.2 信号调理模块

  由于DDS生成信号的幅度值不可调,在DDS模块输出信号后,接VCA810模块进行增益控制。VCA810提供差分输入单端输出转换,用来改变高阻抗的增益,控制信号在- 40dB增益至+40 dB范围内成dB/ V的线性变化。实际中只使用其衰减功能,即将DDS模块产生的固定幅度信号进行0到-40dB的程控衰减,控制信号由MCU控制DA芯片(TLV5616)产生,再经过增益为1的反相比例放大电路送至VCA810。

  为保证最终输出信号的幅度值较大,在VCA810后级增加一个放大模块,一方面保证信号输出幅度可达到理论值,另一方面还需要保证信号带宽。经过分析选择高速、宽带、高压摆率、宽电源轨运放。为避免由于信号先衰减后放大可能引入更多噪声,影响输出信噪比,选择去耦电路消除电源纹波噪声。合理选择放大电路的带宽和通频带,将需要频带以外的噪声信号滤除。最终选定THS4012作为后级运放,其带宽为290MHz,具有低失真、超高速、宽电源轨特性,输出电流典型值可达110mA,信号电压纹波7.5 nV√Hz,从各个方面都满足本设计需求。

  结合AD9834特性,可产生两个频率相同但相位相差180°的三角波信号,一个上升的斜坡信号和一个下降的斜坡信号同时出现。通过由AD9833产生的方波电压信号控制AD9834的PSELECT,即相位选择输入端,可使其lout,即电流输出端输出锯齿波信号[4],系统原理框图如图4所示。

  实际中通过AD9834输出三角波信号,并输入比较器中,设定比较器的触发门限为三角波峰值。每当三角波到达峰值时,比较器会产生一个从低电平到高电平的跳变,这可作为JK触发器的触发电平,同时将J输入口和K输入口都接高电平,使其成为一个T触发器。最后将JK触发器的输出当做相位控制信号,从而实现相位翻转产生锯齿波[5]

2.3 信号反馈模块

  为保证信号输出幅度可靠性,除前期对信号的正确处理,还需要对系统输出信号进行峰值检测,并将测量结果反馈回MCU,构成一个系统的闭环反馈,从而增大系统的输出可靠性。

  峰值检测电路(PKD,Peak Detector)的作用是对输入信号的峰值进行提取,产生输出Vo = Vpeak。为实现这样的目标,电路输出值会一直保持,直到一个新的更大的峰值出现或电路复位[6]。该模块主要由一个信号预处理电路和峰值检测电路构成,信号预处理电路保证送至峰值检测的信号可以被正确地测量出来。峰值检测设计主要应考虑能否完全满足测试信号带宽,并尽可能扩大可测信号幅度。

  实际中设计的前级调理电路将信号分为五档由MCU选择,还对信号换挡进行部分重叠,对信号的处理和使用范围分别为:1)放大40倍,用于测量5mV至50mV的信号;2)放大5倍,用于测量40mV至250mV的信号;3)不处理直接测量,用于测量200mV至2V的信号;4)衰减7倍,用于测量1.5V至14V的信号;5)衰减10倍,用于测量10V至20V的信号。信号衰减直接通过电阻网络完成,放大通过高速运放完成。

2.4 频率测量模块

  本实验系统中还包含有频率计检测模块,其实验原理是通过比较器将输入波形信号整形为方波信号,此时得到的方波信号频率应和原信号频率相等,再利用MCU捕获方波信号的上升沿,实现频率测量。

  设计中应该考虑到可测输入信号的频率范围,信号幅值及MCU接收电平和响应速度,同时还要考虑到频率计对输入信号噪声的容限值,所以设计一个迟滞比较器,滞环约为20mV,该模块的核心电路如图5所示[7]

  实际电路中通过调整R3的电阻值可改变方波的上升速率,但会导致信号较大幅度的过充,将会影响MCU测量[8]。同时,R3上拉电阻的电平值决定输出信号高电平幅值,设定为3.3V可以防止输出信号幅值过高损坏MCU。实际中发现频率计的带宽瓶颈并不在硬件本身,而取决于MCU的工作速率,当输入频率较高时,硬件电路仍然可以较好地转化波形,但MCU由于工作时钟的原因不能精确捕获,导致可测信号带宽大约为500KHz。

3 结语

  本系统采用上位机的方案来实现信号发生系统,可以远程通过任意PC机控制。设备使用中,用户不需要触及任何开关及旋钮,且能自动实现输出信号换挡,保证其可靠准确,减少用户在使用过程中的操作步骤,使用本仪器时的学习成本几乎为零。系统可以产生一定频率的信号或检测某信号的频率功能,帮助完成一些简单电子线路实验,并且具有频率测量,正弦波、方波和三角波产生,及信号调制等功能,用户只需通过PC机上的界面,就能够实现多种功能且操作简单易行。

参考文献:

  [1]张涛,陈亮.现代DDS的研究进展与概述[J].电子科技. 2008.

  [2]迟忠君,徐云,常飞.频率合成技术发展概述[J].现代科学仪器. 2006.

  [3]沈建华. 系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].北京:清华大学, 2004.

  [4]宗接华.基于DDS的实用信号发生器设计[D].湖南:湖南大学,2011,12.

  [5]尚飞,刘琳.双DDS芯片的锯齿波信号发生器设计[J].河北北方学报,2008,24(2):16-22.

  [6]赛尔吉欧•佛朗哥.基于运算放大器和模拟集成电路的电路设计[M].西安:西安交通大学出版社,2009.

  [7]Walt Jung.运算放大器应用技术手册[M].北京:人民邮电出版社,2009.

  [8]秦龙. MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲[M].北京:电子工业出版社, 2007.


本文来源于中国科技期刊《电子产品世界》2016年第11期第52页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。



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