基于DDS芯片AD9850和MSP430F149单片机的嵌入式信号源设计方法,该信号源可输出频率范围为1 Hz~10 MHz的正弦波和方波,且具有频率设定1 Hz,10 Hz,100 Hz多档步进调整和幅度调节的功能。可以通过按键进行频率值设定,并有LCD显示波形的频率等信息,经实验测试,在1 Hz~10 MHz频率范围内,得到的正弦波方波信号具有频率稳定性好,频率准确度高及频率分辨率高等特点。
该设计采用直接数字频率合成(DDS)技术,使用DDS芯片AD9850与超低功耗的MSP430F149单片机配合,可输出精确控制的正弦波和方波信号。AD9850是AD公司推出的低功耗直接数字频率合成器芯片,可以产生从直流到62.5 MHz的宽频率信号,从投放市场至今已广泛应用于雷达系统、低功耗频率源中;MSP430是TI公司开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机,该设计将AD9850与MSP430F149结合提出一种具有较高性价比和集成度、低功耗的嵌入式信号源设计方案。在控制流程中,通过4x 4矩阵键盘设定频率值,MSP430为AD9850计算频率控制字,并且将频率控制字通过串行方式写入其中,结合键盘上步进调节增量“1 Hz”,“10 Hz”,“100 Hz”键,使得频率可以精确到步长为1 Hz的调节;产生正弦波时,经过低通滤波器滤除信号的高频分量,通过增益可调的宽带放大器放大输出所需信号。如果接到AD9850内部的高速比较器上,即可直接输出一个抖动很小的方波,系统通过字符型液晶屏1602显示设定频率和其他信息。实验结果显示,输出信号频率范围在1 Hz~10 MHz,且无明显失真;输出信号频率实现1 Hz,10 Hz,100 Hz三级步进调节,频率精度0.01 Hz,频率转换速度1 ms,输出幅度范围1~10 V。
1 系统设计
1.1 DDS技术原理与结构
DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术,具有频率分辨率高,稳定性好,可灵活产生多种信号的优点。一个DDS信号发生器由相位累加器、波形数ROM表、D/A转换器以及模拟低通滤波器LPF组成,原理框图如图1所示。DDS技术的核心是相位累加器。相位累加器在稳定时钟信号的控制下产生读取数据的地址值,随后通过查表变换,地址值被转化为信号波形的数字幅度序列,再由数/模变换器(D/A)将代表波形幅度的数字序列转化为模拟电压;最后经由低通滤波器将D/A输出的阶梯状波形平滑为所需的连续波形。DDS信号发生器通过改变相位增量寄存器的值△phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率。每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时,锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就与N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后,它就作为波形存储器的一个寻址地址,该地址对应波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值,然后经D/A转换变成模拟值输出。当下一个时钟到来时,相位累加器的输出又加一次频率控制字,使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。最终,相位累加器检索到足够的点就构成了整个波形。合成信号的波形取决于ROM表中的幅度序列,通过修改数据可以产生任意波形,如果要产生多种波形,只需把所需的多种波形数据存放到波形ROM表中。