基于MSP430和DDS的可控波形發生器

李樂樂 湯 軻

（南京信息工程大學 電子與信息工程學院，江蘇 南京210044）

0 引言

隨著我國經濟和科技的發展，對各種測試儀器和測試手段也提出了更高的要求[1]。 與傳統函數發生器相比，本設計具有硬件電路簡單、波形清晰、頻率幅值可控性高、波形任意切換等優點，而且還具有自動化、數字化、可編程化和數據高速處理的功能，能夠滿足實驗室多數實驗對信號源的要求。

直接數字頻率合成（DDS）[2]技術是近年來迅速發展的一種新型頻率合成技術。 DDS 具有很寬的頻率輸出范圍，極高的頻率分辨率和輸出精度，以及較低的相位噪聲優點。 信號源是現代電子設備和系統中的重要組成部分，在通信系統、電子測量以及各種科學實驗中，常常需要一個高精度的頻率可變信號源，并且要求數字可控[3]。因此研究一種全自動化、可控性好、精度高的信號發生源具有一定的實用價值和經濟效應。

1 系統結構和工作原理

1.1 系統結構

該設計以MSP430F169 單片機為主控元件，由信號處理電路（差分放大、兩路選擇和乘法電路）、功能鍵盤、LCD 顯示電路以及電源等部分組成。 系統框圖如圖1 所示。

圖1 系統總框圖

1.2 工作原理

該設計以MSP430F169 單片機作為控制核心，通過鍵盤進行波形選擇和參數設置等信息，并將輸出信號的頻率和幅值信息實時送給液晶進行數據顯示。 同時，單片機通過并行方式向DDS 模塊AD9850 送頻率控制字，由AD9850 產生正弦波并在模塊內部集成比較器同時將方波輸出，正弦波和方波將各自兩路對稱信號經差分放大6 倍輸出[4]。單片機P4.3 口控制波形方式的輸出， 其內部的D/A 轉換在單片機控制下輸出直流電壓進入乘法器中與信號相乘以擴大其幅值，改變控制字以改變其幅值大小，實現自動控制。

2 硬件設計

2.1 單片機

MSP430F169 是一個超低功耗Flsh 型16 位RISC 指令集單片機，具有更大的程序和數據存儲區， 內置有12 位ADC 和12 位DAC 模塊，獨有的D/A 轉換模塊可以將MSP430 運算處理的數字量轉換為模擬量。 其還具有內置硬件乘法器，性價比極高[5]。

系統采用MSP430F169 單片機為控制核心，其獨有的DAC 模塊、高速處理數據能力和低功耗等性能是本設計選取的重要原因。單片機首先通過并行口控制DDS 輸出信號，對鍵盤實時掃描獲取鍵值，從而實時控制硬件電路各模塊工作，按預設值實現波形切換、頻率和幅值的動態變化，將當前數據、波形方式通過液晶屏顯示，實現人機友好界面。

2.2 波形發生模塊

直接數字合成（DDS）技術具有輸出信號精度高、頻率變換速度快、輸出信號光滑及控制方便等諸多優點，所以適用于高頻、高精度信號發生器的設計。 其工作原理示意圖如圖2 所示。 本設計選取AD9850，AD9850 是AD 公司生產的最高時鐘為125MHz、采用先進的CMOS 技術的直接頻率合成器，主要由可編程DDS 系統、高性能模數變換器（DAC）和高速比較器3 部分構成，能實現全數字編程控制的頻率合成[6]。在控制時鐘信號作用下，累加器將與輸出信號頻率對應的頻率字進行累加，然后與相位字相加以形成最終相位信息。正弦ROM 表則將相位信息轉化為幅值信息， 然后由DAC 生成兩個互補的正弦信號， 將DAC 的輸出經低通濾波后接到AD9850 內部的高速比較器上即可直接輸出方波。 DDS 模塊內部集成低通濾波電路，具有毛刺的正弦波和方波經過濾波使其波形更加光滑。

輸出的正弦波頻率fout=M*fcN（fc為外部參考時鐘頻率，M 為步長）。[7]

圖2

2.3 差分放大電路

差分放大電路的作用是對DDS 輸出的正弦波信號和方波信號進行放大，實現高幅值輸出，便于乘法電路對任意寬范圍幅值輸出。本模塊采用頻帶為175Mhz 的THS4082 芯片，由AD9850 生成兩個互補的信號特點，采用差分電路。實現對交流信號放大，以達到所要求的幅值變化范圍。 如圖3 所示。

圖3 差分放大

2.4 繼電器模塊

繼電器[8]模塊實現對不同輸出波形的選擇。 在單片機發送的信號控制下，通過按鍵的預設實現不同時刻輸出的波形信號選擇，達到所要求自動化功能。 如圖4 所示。

圖4 二路選擇

2.5 乘法電路

乘法電路的作用是實現幅值在一定電壓范圍內任意變化。MSP430F169 單片機獨有的DAC 轉換器在給其送不同的二進制數時，其輸出電壓值不斷變化，將信號與直流電壓相乘后以改變輸出波形電壓值，達到幅值可調功能。 電路如圖5 所示。

圖5 乘法器

2.6 其他硬件電路

鍵盤控制模塊：該系統選用4×4 矩陣鍵盤做功能鍵[9]，作用分別為10 個數據預設鍵、確認鍵、取消鍵、波形切換鍵、幅值/頻率轉換鍵、頻率步進增減鍵。

LCD 液晶顯示模塊：該設計采用12864 液晶實時顯示測量數據值同時配合鍵盤進行頻率預設參數的設置。 帶中文字庫的LCD12864 液晶是一種高性能顯示模塊，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令， 可構成全中文人交互圖形界面[10]。 單片機的P5 口與12864 液晶的數據口連接, 用于數字信號的讀取，P4.4、P4.5 作為液晶顯示模塊的讀/寫控制信號端口, P4.6 作為LCD 的片選口。

3 軟件設計

軟件設計部分主要包括主程序、DDS 控制模塊、D/A 模塊、鍵盤處理模塊和LCD 顯示模塊，其流程圖如圖6 所示。

3.1 鍵盤掃描模塊

設定了2 個切換按鍵實現不同波形輸出和頻率/幅值切換,10 個獨立按鍵用于改變波形的頻率大小。 確認 和取消鍵控制整個數據的輸入， 兩個步進鍵用于按等間隔自動頻率變化, 當MCU 檢測到按鍵被按下時, 完成相應按鍵所執行的功能。

3.2 LCD 顯示模塊

12864 液晶用于顯示輸出的波形、波形的頻率以及波形的幅值。

圖6 程序流程圖

4 結論

本文設計的以MSP430 單片機和DDS 技術為核心的可控波形發生器，在軟硬件有機地結合下，可以達到預計的性能要求，系統運行穩定可靠。 測試表明該波形發生器通過單片機并行控制DDS 和按鍵的預設將輸出的信號頻率和幅值準確的顯示在液晶屏上。該系統具有波形切換、幅值可控、頻率任意設置和步進的功能。通過矩陣鍵盤對波形進行相應的功能設置，具有操作簡單、方便和可控值等特點。本設計完成一個高精度的頻率可變、幅值可控的波形發生器，在今后的通信系統和電子測量以及各種科學實驗具有重要的使用價值。

［1］萬其力，吳文彪.基于DDS 及單片機的函數產生器設計[J].西安郵電學院學報，2003.

［2］殷海波,許果,王廣君.基于單片機和FPGA 的任意頻率發生器設計[J].自動化技術與應用，2010(04).

［3］李國立,王曉君,劉冬冬,劉巖. 基于DSP 與DDS 技術的高精信號源的設計[J].科技風，2010(19).

［4］涂劍鵬,何尚平,羅小青,郭波.基于差分放大電路的寬帶直流放大器的設計[J].自動化與儀器儀表，2010(02).

［5］肖振鋒，袁榮湘，鄧翔天，劉曉蕾.基于MSP430F169 的遠程智能故障監測器[J].電力自動化設備，2013(01).

［6］石桂名，冀勇鋼，彭海龍.基于AD9850 的信號發生器的設計與實現[J].現代電子技術，2010(01).

［7］林珊,許建明.基于單片機的鍵盤顯示系統設計[J].信息與電腦：理論版，2011(01).

［8］文星,劉俊華,龐仁治,高通.基于單片機和DDS 技術的信號發生器的設計[J].科技信息，2010(07).

［9］林毓梁，張銳，王偉.基于MSP430F169 的深海環境數據采集系統設計[J].電子設計工程，2011(03).

［10］李金群.基于51 單片機的12864 液晶圖文顯示研究[J].機電信息，2010(36).