基于MSP430F169单片机控制AD9833芯片设计的函数发生器(小论文)

函数发生器

顾飞飞，吴兴波

（信息与控制工程学院，电信0902）

摘要：基于MSP430单片机，采用直接式数字频率合成（DDS）芯片AD9833设计一个多种波形函数发生器，可产生正弦波、三角波、脉冲波，输出波形频率在1Hz～1MHz。设计主要包括电源电路、控制电路、波形发生电路、放大电路和滤波电路。根据DDS特点给出合理的设计方案，包括AD9833初始化，写控制字，合成频率等。实验测试结果证明能够达到各项设计指标要求。

关键字：AD9833；MSP430单片机；波形发生器

0 引言

函数发生器又称信号源或振荡器，在生产实践和科技领域有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。本次设计中通过MSP430单片机控制DDS芯片实现三角波、正弦波、方波，通过按键的形式，可实现波形参数的设置和波形的选择，并通过LCD1602显示出来。

1 方案的设计与选择

常用的函数发生器的实现方法：

第一种，利用分立元件通过模拟电路来实现正弦波的输出，但是这种方法的调频和调幅比较困难，而且模拟电路受外部因素影响较大。

第二种，采用集成信号发生芯片MAX038通过外接电阻值改变实现对幅值和频率的调整。这种方法实现起来比较容易，但是频率和幅值的调节比较困难。

第三种，采用DAC0832通过查表的方式输出需要的波形，通过单片机定时向DAC转化器发送转换数据，实现不同的幅值和频率的输出。这种方法能够实现各种对输出的波形的要求，成本也不高，只是在扩展外设的时候浪费了大量的接口，以后的系统扩展可能会有影响。

第四种，采用DDS频率合成器，能输出各种波形，而且能够轻松调节幅值和频率。与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换等优点。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。

2 系统设计方案

本系统以MSP430F169单片机，采用DDS芯片AD9833设计一个函数发生器，可产生正弦波、三角波、脉冲波，输出波形频率为lHz～1MHz[1]。设计主要包括电源电路、控制电路、波形发生电路、滤波电路和放大电路。根据DDS芯片的特点给出程序的设计方案，包括AD9833的初始化、写控制字、合成频率等。实验测试结果证明该设计方法的正确性及可靠性，单片机控制DDS模块产生所需的频率信号，并通过低通滤波器滤掉DDS芯片输出产生的寄生频谱分量及其它低频杂波，再经功率放大，使输出的信号满足信号发生器的需求，通过按键可以选择输出波形的参数，并通过显示模块显示。

3 芯片介绍

3.1 MSP430F169的最小系统

MSP430F169的最小系统如图3-1所示。

图3-1 MSP430F169的最小系统

3.2 AD9833芯片的介绍

AD9833是由ADI公司生产的一款高精度、低功耗的串行接口DDS芯片。能够输出正弦波、三角波、方波。AD9833无需外接元件，输出频率和相位都可通过软件编程，易于调节，AD9833的核心是28位的相位累加器，它由加法器和相位寄存器组成。可以通过3个串行接口将数据写入AD9833，这3个串口的最高工作频率可以达到40MHz，易于与DSP和各种主流微控制器兼容。

AD9833还具有休眠功能，可使未被使用的部分休眠，减少该部分的电流损耗，例如，若利用AD9833输出作为时钟源，就可以让DAC休眠，以减少功耗，其结构如图3-2所示。

AD9833的主要特点如下：

（1）频率和相位可数字编程。

（2）工作电压为3V时，功耗仅为20mW。

（3）输出频率范围为0MHz-12.5MHz。

（4）频率寄存器为28位（在25MHz的参考时钟下，精度为0.1Hz）。

（5）可选择正弦波、三角波、方波输出。

（6）无需外接元件

（7）3线SPI接口

（8）温度范围为-40℃— +105℃。

图3-2 AD9833原理结构图

4 硬件设计

4.1 基于MSP430单片机控制的AD9833设计的函数发生器

系统总体设计结构框图如图4-1所示，由MSP430F169单片机控制DDS模块产生所需的频率信号，并通过低通滤波器滤掉DDS芯片输出产生的寄生频谱分量及其它高频杂波，再经过功率放大，使输出的信号满足信号发生器的需要，通过按键可以选择输出波形的参数，并通过显示模块显示。

波形选择MSP430F169单片机

电源模块

AD9833波形产

生模块

波形频率显示

低通滤波功率放大图4-1 系统总体设计结构框图

4.2 波形发生模块设计

AD9833具有SPI接口，该串行口可以在40MHz时钟频率下（最大值），供电电压为2.3～5.5V，AD9833与单片机MSP430F169连接时，需要使用单片机的3个I/O口。FSYNC（控制输入，低电平有效）与单片机的管脚P3.2连接，SCLK（串行时钟输入）与管脚P3.1连接，SDATA（串行数据输入）与管脚P3.0连接。在串口时钟SCLK的作用下，数据以16位的方式加载到设备上，FSYNC引脚是使能引脚，电平触发方式，低电平有效，进行串行数据传输时，FSYNC引脚必须置低，传送数据的每一位，都在SCLK（串行时钟）处于下降沿时发生，在写操作时，P3.2应处于高电平，执行两次写操作时，SCLK应处于高电平。MSP430F169向AD9833输出16位数据时，要由单片机通过软件控制移位寄存器，从最低位起，串行每次输出一位，这也是软件编程的关键所在。如图4-2所示。

图4-2 单片机与AD9833连接电路

4.3 电源模块设计

系统使用的直流电源为5V，220V交流电源经降压、整流、滤波和稳压后得到4.3V电压，再经过LMI317降压到3.6V。3.6V电压供给单片机使用，5V电压供给单片机以外的电路使用。原理图如图4-3所示。

图4-3 系统电源电路

4.4 功率放大模块设计

采用功率放大器OPa820芯片组成比例放大电路[2],与OP07相比，除了具有其优点外，OPA820是高电压，大电流的精密放大器，其输出电压范围为±4～±30V，驱动电流为200mA,驱动负载能力非常强，这里使用三极管为opa820运放提供稳定的2.5V偏置工作点。电路图如图4-4所示。

图4-4 输出功率放大电路

4.5 低通滤波模块