函数信号发生器

函数信号发生器

函数信号发生器

作者：华伟锋卞蕊樊旭超

2013-8-8

函数信号发生器

摘要

直接数字频率合成（DDS）是一种重要的频率合成技术，具有分辨率高、频率变换快等优点，在雷达及通信等领域有着广泛的应用前景。本文介绍了DDS(直接数字频率合成)的基本原理和工作特点，提出以DDS芯片AD9850芯片为核心利用MSP430F5438单片机控制，辅以必要的外围电路，构成一个输出波形稳定、精度较高的信号发生器。该信号发生器主要能产生标准的正弦波、方波与三角波(锯齿波)，波形可手动切换，频率步进可调，软件系统采用菜单形式进行操作，LCD液晶显示可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值，操作方便明了，还增加了很多功能。

关键词：AD9850；信号发生器；MSP430F149单片机；DDS；LCD液晶；

Abstact：Direct Digital Synthesis (DDS) is an important frequency synthesizer technology, with high resolution, fast frequency conversion, etc., in radar and communications and other fields have a wide range of applications. This article describes the DDS (direct digital frequency synthesis) of the basic principles and work, we proposed to DDS chip AD9850 chip as the core using MSP430F5438 MCU control, supplemented by the necessary peripheral circuits to form a stable output waveform, high precision signal generator . The signal generator can generate standard primary sine wave, square wave and triangular wave (sawtooth), the waveform can be manually switched, frequency step adjustable software system used to operate the menu form, LCD liquid crystal display can be real-time display of the output signal type , amplitude, frequency and frequency step value, easy to understand, but also adds a lot of functionality.

Key words：AD9850; signal generator; MSP430F5438MCU; DDS; LCD liquid crystal;

1 引言

信号源起激励作用，电路中的信号均由信号源所激励，由激励产生响应。高精度的信号源对通信系统、电子对抗及各种电子测量技术十分重要。随着电子技术的发展，对信号源的频率稳定度、准确度以及频谱纯度提出越来越高的要求。直接数字频率合成（DDS）技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。与传统的频率合成技术相比，它具有频率分辨高、频率转变速度快、输出相位连续、相位噪声低、可编程和全数字化、便于集成等突出优点，成为现代频率合成技术的佼佼者，越来越得到广泛的应用，成为众多系统中不可缺少的组成部分。对于信号调制，直接用电平发送容易收到干扰，而且效率也不高，我们只能用光电二极管来接收，抗干扰能力弱，如果调制，我们可以用高灵敏度的接收头，里面有载波检测电路，有抑制干扰的能力。

2 方案设计与论证

2.1 总体方案描述

整个系统由MSP430F5438微控制器，液晶彩屏显示，触摸屏控制、信号产生等模块构成。整个系统上电后，单片机启动DDS，对LED进行初始化，预制完毕后向单片机发出一系列应答，接着单片机读取存储器数据，送至LED显示，然后进入按键扫描中，有效触摸则单片机进行波形档位的切换，读取频率数据，然后送给已启动的DDS 信号芯片，输出相应的频率的波形。微控制器与液晶显示构成了控制显示模块，能对输出的电压和频率进行键盘设定和步进调整，并显示输出波形种类、电压频率及幅值，形成了良好的人机界面。总体框图如图2.1。

图2-1 系统框图

2.2 微处理器模块的比较与论证

方案一：用单片机MSP430F5438作为系统的主控核心

此单片机具有体积小，使用灵活的，易于人机对话和良好的数据处理，有较强的指令寻址和运算功能等优点。

方案二：用FPGA等可编程器件作为控制模块

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，密度高，速度快，稳定性好等许多有点。FPGA 在掉电后会丢失数据上电后须进行一次配置，因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序。并且FPGA作为数字逻辑器件，竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。

在此系统中，采用单片机作为控制比采用FPGA实现更简便。基于综合性价比，确定选择方案一。

2.3 信号产生模块的比较与论证

方案一：使用集成函数发生器芯片

集成函数芯片有ICL8038等。ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将它作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。但是发挥部分要求正弦波以1Hz为步进增加，所以用ICL8038不方便控制。

方案二：直接数字频率合成（DDS）

直接数字频率合成技术是根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后储存在EPROM中构成一个正弦查询表。频率合成时，相位累加器在参考时钟的作用下对时钟脉冲进行计数，同时将累加器输出的累加相位与频率控制字K预置的相位增量相加，以相加后的吉果形成正弦查询表的地址；取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值，经D／A转换器输出模拟信号，再经低通滤波器平滑得到符合要求的模拟信号。相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同，由于相位累加器的相位增量不同，将导致一周期内的取样点数不同，在取样频率(由参考时钟频率决定)不变的情况下，输出信号的频率也相应变化。如果设定累加器的初始相位，则可以对输出信号进行相位控制。

目前有许多可用作信号发生器的专用DDS集成芯片，如ADI公司推出的AD9850其基本结构原理图如图2-2。