基于MSP430的多功能信號發生器設計

王 勤，程 輝

(成都大學 電子信息與電氣工程學院，四川 成都 610106)

0 引 言

信號發生器是電子信息領域必不可少的儀器設備，在通信、測試及控制等領域有著廣泛應用[1-2].在實驗室與戶外等多種特定測試場合，對信號發生器功能有不同需求，而通用信號發生器在很多時候無法滿足特定測試場合的要求[3-4].本研究基于直接數字頻率合成(direct digital frequency synthesis,DDS)技術設計了一種多功能信號發生器，其可產生較寬頻率范圍的正弦信號，滿足從低頻至高頻測試的需求，同時可產生多種調制信號，滿足對調制信號的需求，具有良好的人機界面，通過電池供電，完全滿足實際場合的使用要求.

1 系統總體設計

信號發生器系統主要由鍵盤顯示模塊、單片機控制模塊、正弦信號產生模塊、信號調理模塊及調制模塊等組成，具體如圖1所示.系統的工作步驟是：鍵盤顯示模塊用于設定輸出正弦信號參數或調制信號類型；單片機控制模塊與正弦信號產生模塊生成設定正弦信號，經信號調理模塊后輸出能正常使用的正弦信號，該信號同時作為調制模塊載波信號使用；調制信號由單片機控制模塊產生，經調制模塊處理后可實現AM模擬調制和ASK、BPSK、FSK等數字調制.

圖1 信號發生器系統框圖

2 系統硬件設計

2.1 單片機控制模塊

系統的單片機控制模塊采用MSP430F149單片機.該單片機為TI公司生產的16位FLASH型單片機，具有集成度高、功能豐富的特點，能實現多種復雜設計[5]，相較于其他控制芯片，具有開發難度小，成本低的優點，特別適用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中，故本系統將MSP430F149作為多功能信號發生器控制模塊.

2.2 正弦信號產生模塊

系統的正弦信號產生模塊使用DDS集成芯片AD9852來實現.AD9852是ADI公司生產的專用DDS芯片，內含雙12位D/A轉換器及高速比較器，具有雙48位頻率控制字，且擁有最高可達300 MHz的工作頻率，輸出最高達150 MHz的頻率生成信號，可實現全數字頻率合成、頻率發生、調頻和調相等功能[6-7].相較于其他方式實現DDS，其性能出眾，性價比高，使用方便，且具有較低的功耗，可極大程度縮短開發周期.AD9852內部主要頻率合成過程如圖2所示.

圖2 AD9852 DDS頻率合成框圖

圖2中，參考時鐘頻率為200 MHz，由外部50 MHz高穩定度有源晶振經AD9852內部可編程時鐘倍頻器4倍頻后得到，可滿足產生1 Hz～20 MHz正弦信號需求.相位累加器長度為48位，由加法器和寄存器構成，用于累加相位和存儲相關結果.波形存儲器(ROM)用于將正弦功能表存儲起來.數模轉換器(DAC)為一12位300 MHz DAC，用于把前端量化的數字波形轉換為模擬正弦信號輸出.

2.3 信號調理模塊

由于AD9852輸出的信號含有噪聲且信號幅度較小，不能直接使用，故該輸出信號需經信號調理模塊之后才能使用.信號調理模塊由低通濾波器、信號放大電路和自動增益控制(automatic gain control,AGC)電路組成，可凈化、放大與穩定前級輸出正弦信號，具體如圖3所示.

圖3 信號調理模塊

2.3.1 濾波電路

由于AD9852輸出正弦信號中含有高頻干擾信號，需經低通濾波器濾除后才可供后級使用.本系統低通濾波器采用無源七階切比雪夫濾波器[8]，相較于其他類型濾波器，切比雪夫濾波器具有通帶平坦、阻帶等波紋或阻帶平坦、通帶等波紋的特性，且阻帶下降較快，和理想濾波器頻率響應曲線之間誤差最小，故采用切比雪夫濾波器來濾除高頻干擾.該濾波器由分立元件構成，結構簡單，可作用于120 MHz以內的信號，滿足設計輸出20 MHz正弦信號需求，濾波電路如圖4所示.

圖4 濾波電路

2.3.2 信號放大電路

濾波后的正弦信號幅度較小，需經放大電路放大后才能達到向后級輸出的需求，信號放大電路由電流模運放OPA2684構成.OPA2684是TI公司生產的低功耗、高性能電流模運算放大器，采用新的輸入級緩沖結構，放大器在寬增益范圍內可保持幾乎恒定的交流性能，可提供最大120 mA輸出電流，最大帶寬可達170 MHz.OPA2684可較好地平衡性能、功耗與成本，故本系統信號放大電路采用該芯片，電路如圖5所示.

圖5 信號放大電路

2.3.3 自動增益控制電路

為保證放大后正弦信號幅度的均勻與穩定，滿足提供可靠正弦信號的需求，需在放大電路后有一級自動增益控制電路，該電路由可控增益放大器AD603和高速三極管2N3906、2N3904組成.AD603是ADI公司生產的低噪聲、低功耗電壓控制放大器，其最高帶寬可達90 MHz，廣泛應用于AGC系統[9].系統的自動增益控制電路如圖6所示.電路由2個AD603級聯組成，可達到最大信噪比.輸入信號經2級AD603放大后，在電容CAV處產生自動增益控制電壓VAGC，進入電容CAV的電流為2N3906和2N3904集電極電流之差△Ic，隨輸出信號幅度增大而增大，最終自動增益控制電壓VAGC將跟隨輸出信號幅度變化.AD603的1腳作為正電壓增益控制輸入端，由VAGC電壓輸入，2腳為負電壓增益控制輸入端，接外部輸入電壓，通過1腳與2腳之間電壓差的變化來控制輸出信號幅度的穩定.該電路結構較簡單，控制方便，只需在外部輸入增益控制電壓即可確保增益穩定，靈敏度高，且具有較高的性價比.

圖6 自動增益控制電路

2.4 調制模塊

系統的調制模塊由模擬調制部分和數字調制部分構成，可產生AM、ASK、BPSK、FSK等調制信號.

在模擬調制部分，AM調制采用D/A芯片TLC7528和模擬乘法器MPY634作為核心器件.TLC7528為TI公司生產的雙8位數模轉換器，該芯片設計有獨立的片上數據鎖存，數據通過公共8位輸入口傳送至2個DAC數據鎖存器中的任一個，并通過控制端口確定裝載哪一個DAC.MPY634是TI公司生產的高帶寬精密模擬乘法器，可進行混頻、平衡調制與解調，具有優良的載波抑制功能，廣泛應用于中頻、射頻和視頻信號處理等領域[10].AM調制電路如圖7所示，MSP430F149控制TLC7528產生正弦信號作為調制信號，AD9852模塊輸出的正弦信號作為載波，將調制信號與載波信號通過模擬乘法器MPY634相乘即可得到AM調制信號，改變調制信號的幅度即可調節調制度.

圖7 AM調制電路

數字調制信號由MSP430F149控制AD9852產生，可充分利用AD9852內部功能，減少外部硬件帶來的誤差，產生高質量數字調制信號，同時可節省成本.工作時，AD9852模塊輸出的正弦信號作為載波，MSP430F149產生的二進制序列碼作為調制信號，通過設置AD9852內部不同寄存器得到ASK、BPSK、FSK等信號.

3 系統軟件設計

3.1 主程序設計

本系統以MSP430F149單片機控制AD9852及外圍器件產生正弦信號與各種調制信號，并通過鍵盤顯示模塊操作和顯示，系統總體流程如圖8所示.系統初始化完成后，鍵盤顯示模塊提示通過按鍵選擇輸出正弦信號或調制信號.若選擇正弦信號，則進一步提示通過按鍵設置輸出正弦信號參數；若選擇調制信號，則進一步提示選擇輸出調制信號類型，通過按鍵可選擇輸出AM、ASK、BPSK、FSK等調制信號，同時可進一步對輸出調制信號進行設置.

圖8 系統主程序流程圖

3.2 正弦信號產生程序設計

正弦信號由MSP430F149控制AD9852產生，需設置AD9852內部控制寄存器、頻率寄存器、相位寄存器以及振幅控制寄存器.各寄存器片內地址分別為1DH～20H、04H～09H、00H～01H、21H～22H，其中頻率寄存器為48位，相位寄存器為14位，振幅控制寄存器為12位，改變3個寄存器控制字便可產生不同參數的正弦信號.

AD9852輸出正弦信號相應控制字由式(1)～(3)確定.

Kf=f0*2N/fc=f0*248/fc

(1)

Kp=P0*214/360°

(2)

Kv=V0*212/Vref

(3)

式中,Kf、Kp、Kv分別為頻率控制字、相位控制字和振幅控制字，f0、P0、V0分別為輸出正弦信號頻率、相位和振幅，N為頻率寄存器位數，為48位，fc為參考時鐘頻率，Vref為12位D/A轉換器參考電壓.

工作時，首先通過鍵盤選擇正弦信號，此時，MSP430F149將AD9852內控制寄存器的9～11位設置為000，使其工作在單頻模式.然后設置輸出正弦信號的頻率、相位與振幅等參數，根據設定值，MSP430F149由式(1)～(3)計算產生相應的控制字，并發送至AD9852來設置對應寄存器，其中頻率寄存器數據由式(1)中頻率控制字Kf確定，相位寄存器數據由式(2)中相位控制字Kp確定，振幅控制寄存器數據由式(3)中振幅控制字Kv確定.在200 MHz參考時鐘作用下，經AD9852內部相位累加器、波形存儲器、D/A轉換器等模塊之后，在其輸出端得到階梯形正弦信號，再經外部低通濾波器后得到可使用的正弦信號.

3.3 調制信號產生程序設計

通過鍵盤顯示模塊選擇調制信號后，可進一步選擇調制信號類型.當選擇AM調制后， MSP430F149通過查詢正弦表控制TLC7528產生一定頻率范圍的正弦信號作為調制信號，AD9852產生的正弦信號作為載波信號，在MPY634的輸出端可得到AM調制信號.此方法可根據需求，由鍵盤靈活調整調制信號與載波信號，使用方便快捷，同時可充分發揮AD9852功能，提高使用效率，節省硬件成本.

在數字調制中，MSP430F149產生一定速率的二進制基帶序列碼作為調制信號，載波為AD9852產生的正弦信號.FSK調制與BPSK調制可通過MSP430F149向AD9852輸入二進制序列碼并設置內部寄存器實現.當控制寄存器9～11位設置為100時為FSK模式，之后設置頻率寄存器1、2 的控制字，對應產生頻率分別為f1、f2的正弦信號，當二進制序列碼輸出值為0時，輸出頻率f1正弦信號，當二進制序列碼輸出值為1時，輸出頻率f2正弦信號，即可實現FSK調制.當控制寄存器9～11位設置為001時為BPSK模式，之后設置頻率寄存器1控制字，確定載波頻率，并進一步設置相位寄存器1、2的控制字，當二進制序列碼輸出值為0時，輸出相位寄存器1對應相位正弦信號，當二進制序列碼輸出值為1時，輸出相位寄存器2對應相位正弦信號，即可實現BPSK調制.因AD9852無ASK工作模式，需通過判斷MSP430F149產生序列來實現ASK調制，當二進制序列碼為1時，設置振幅控制寄存器控制字，使其輸出幅度為非0正弦波，當二進制序列碼輸出值為0時，設置振幅控制寄存器控制字，使其輸出幅值為0，即可實現ASK調制.

4 系統測試

4.1 正弦信號測試

為測試正弦信號，本系統在1 Hz至～20 MHz頻率范圍內設置10檔測試數據，通過在鍵盤顯示模塊設定期望參數，調節AD9852頻率控制字，使AD9852輸出正弦信號作用在50Ω負載電阻上，并設置振幅控制字，使輸出正弦信號峰峰值固定為5V，用數字示波器觀察輸出正弦信號頻率與峰峰值，所得數據如表1所示.

表1 正弦信號測試數據

由測試結果可知，輸出正弦信號在1 Hz～10 MHz范圍內頻率與峰峰值都比較穩定，峰峰值可達到5V±0.5V.當設置頻率增加時，輸出信號頻率的精度下降且峰峰值下降明顯.峰峰值下降由Sinc效應產生，導致輸出信號頻率增加時峰峰值減小.頻率誤差主要與AD9852參考時鐘頻率偏差有關[11]，由于參考時鐘由外部50 MHz有源晶振經AD9852內部倍頻器4倍頻后得到，當外部晶振存在一定誤差時，經4倍頻后會將頻率誤差進一步放大，當輸出正弦信號頻率增加時，導致輸出頻率誤增大差.此外，相位截斷誤差也會導致頻率誤差[12].

4.2 調制信號測試

在調制信號的測試中，對于模擬調制，MSP430F149產生1.6 kHz正弦波作為調制信號，AD9852產生40 kHz正弦波作為載波，所產生AM調制信號如圖9所示.從圖9中可以看出，AM調制信號滿足需求.經測試，通過鍵盤改變調制信號和載波信號參數可實現調制信號頻率100Hz～10kHz可調、調制度10%～100%可調的AM調制信號.

圖9 AM調制信號

3種數字調制的調制信號為速率均為3 kbps的二進制基帶序列碼，產生的ASK、BPSK、FSK信號分別如圖10～12所示.ASK信號載波為400 kHz的正弦波，當調制信號二進制碼為1時，輸出400 kHz正弦波，二進制序列碼為0時，輸出為0.BPSK信號中相位1、2均為180°，在二進制序列0和1的跳變處產生180°相位偏移.FSK信號中載波頻率分別為400 kHz和800 kHz，在0和1的跳變處頻率由400 kHz變為800 kHz.經測試，改變數字調制中相關信號參數，可實現不同參數下的ASK、BPSK和FSK信號，完全滿足一般測試場合需求.

圖10 ASK調制信號

圖11 BPSK調制信號

圖12 FSK調制信號

5 結 語

本研究以MSP430F149單片機和AD9852為核心設計了一種多功能信號發生器，整個系統結構緊湊，功能強大，其可產生1 Hz～20 MHz的正弦信號，在50Ω負載電阻上正弦信號峰峰值可達5V±0.5V，并可實現AM、ASK、BPSK、FSK等調制功能.實際測試表明，本信號發生器具有較好的穩定性和抗干擾性能，操作簡單，使用方便，完全滿足實驗室與戶外等一般測試場合的使用要求.