AD9850在嵌入式信號源中的應(yīng)用-設(shè)計應(yīng)用

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信號源是指收音頭、高頻頭、錄音卡座、錄像卡座等器件。微機(jī)及輔助設(shè)備完成信號的提取、數(shù)模轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理等功能。信號源是雷達(dá)系統(tǒng)的重要組成部分。雷達(dá)系統(tǒng)常常要求信號源穩(wěn)定、可靠、易于實現(xiàn)、具有預(yù)失真功能，信號的產(chǎn)生及信號參數(shù)的改變簡單、靈活。信號發(fā)生器又稱信號源或振蕩器，是用來產(chǎn)生各種電子信號的儀器，在生產(chǎn)實踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的RC或LC自激振蕩器方式的信號源組成較繁雜，調(diào)試較困難，不易實現(xiàn)程控，已不能適應(yīng)新的要求；而由采用專用IC芯片構(gòu)成的信號發(fā)生器。另外，采用FPGA+D/A可實現(xiàn)正弦信號發(fā)生器的設(shè)計，同時可實現(xiàn)頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)；但當(dāng)輸出高頻信號時，需要高速D/A來配合工作，成本較高。頻率合成與鎖相技術(shù)的應(yīng)用，可獲得高精度的信號源。目前，頻率合成技術(shù)是研制信號源的關(guān)鍵技術(shù)。

該設(shè)計采用直接數(shù)字頻率合成（DDS）技術(shù)，使用DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機(jī)配合，可輸出控制的正弦波和方波信號。AD9850是AD公司推出的低功耗直接數(shù)字頻率合成器芯片，可以產(chǎn)生從直流到62.5MHz的寬頻率信號，從投放市場至今已廣泛應(yīng)用于雷達(dá)系統(tǒng)、低功耗頻率源中；MSP430是TI公司開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，該設(shè)計將AD9850與MSP430F149結(jié)合提出一種具有較高性價比和集成度、低功耗的嵌入式信號源設(shè)計方案。在控制流程中，通過4x4矩陣鍵盤設(shè)定頻率值，MSP430為AD9850計算頻率控制字，并且將頻率控制字通過串行方式寫入其中，結(jié)合鍵盤上步進(jìn)調(diào)節(jié)增量"1Hz","10Hz","100Hz"鍵，使得頻率可以到步長為1Hz的調(diào)節(jié)；產(chǎn)生正弦波時，經(jīng)過低通濾波器濾除信號的高頻分量，通過增益可調(diào)的寬帶放大器放大輸出所需信號。

1系統(tǒng)設(shè)計

1.1DDS技術(shù)原理與結(jié)構(gòu)

DDS是一種全數(shù)字化的頻率合成器，由相位累加器、波形ROM、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。時鐘頻率給定后，輸出信號的頻率取決于頻率控制字，頻率分辨率取決于累加器位數(shù)，相位分辨率取決于ROM的地址線位數(shù)，幅度量化噪聲取決于ROM的數(shù)據(jù)位字長和D/A轉(zhuǎn)換器位數(shù)。DDS有如下優(yōu)點：⑴頻率分辨率高，輸出頻點多，可達(dá)個頻點（N為相位累加器位數(shù)）；⑵頻率切換速度快，可達(dá)us量級；⑶頻率切換時相位連續(xù)；⑷可以輸出寬帶正交信號；⑸輸出相位噪聲低，對參考頻率源的相位噪聲有改善作用；⑹可以產(chǎn)生任意波形；⑺全數(shù)字化實現(xiàn)，便于集成，體積小，重量輕。DDS信號發(fā)生器通過改變相位增量寄存器的值△phase（每個時鐘周期的度數(shù)）來改變輸出頻率。每當(dāng)N位全加器的輸出鎖存器接收到一個時鐘脈沖時，鎖存在相位增量寄存器中的頻率控制字就與N位全加器的輸出相加。在相位累加器的輸出被鎖存后，它就作為波形存儲器的一個尋址地址，該地址對應(yīng)波形存儲器中的內(nèi)容就是一個波形合成點的幅度值，然后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換變成模擬值輸出。當(dāng)下一個時鐘到來時，相位累加器的輸出又加頻率控制字，使波形存儲器的地址處于所合成波形的下一個幅值點上。終，相位累加器檢索到足夠的點就構(gòu)成了整個波形。合成信號的波形取決于ROM表中的幅度序列，通過修改數(shù)據(jù)可以產(chǎn)生任意波形，如果要產(chǎn)生多種波形，只需把所需的多種波形數(shù)據(jù)存放到波形ROM表中。

DDS系統(tǒng)輸出正弦波的頻率計算公式為：

式中：fo為輸出正弦波的頻率；fo為系統(tǒng)的時鐘頻率；FSW為頻率控制字；N為相位累加器的字長，頻率控制字與輸出頻率成正比。由取樣定理，所產(chǎn)生的信號頻率能超過時鐘頻率的50%,在實際應(yīng)用中，為了保證信號的輸出質(zhì)量，輸出頻率不要高于時鐘頻率的33%,以避免混疊或諧波落入有用輸出頻帶內(nèi)。

DDS的頻率分辨率定義為：

由于基準(zhǔn)時鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數(shù)決定了頻率分辨率；位數(shù)越多，分辨率越高。

該信號源采用DDS專用芯片AD9850產(chǎn)生正弦信號。AD9850采用CMOS工藝，其功耗在3.3V供電時為155mW,擴(kuò)展工業(yè)級溫度范圍為-40~+80℃，采用28腳SSOP表面封裝形式，AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。AD9850支持的時鐘輸入為125MHz,頻率控制字的位數(shù)為32位。由式（2）可以計算出在125MHz時鐘輸入時分辨率為0.0219Hz,該設(shè)計中選用30MHz的有源晶振，故其分辨率按式（2）計算得0.0069Hz.

1.2系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)采用MSP430F149對DDS進(jìn)行控制構(gòu)成方波正弦波信號源的系統(tǒng)框圖如圖2所示。

該信號源由MSP430F149單片機(jī)、DDS芯片AD9850、低通濾波器（LPF）、4×4軟鍵盤、1602液晶顯示屏和外部參考時鐘源、寬帶放大器和穩(wěn)壓電源等組成。其中，低通濾波器是信號源中的關(guān)鍵器件，負(fù)責(zé)濾除正弦輸出信號中的高頻、雜散信號和諧波信號；穩(wěn)壓電源的+5V電壓經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換后為MSP430和AD9850提供+3.3V的電源電壓；外部參考時鐘源選用30MHz有源晶振，MSP430F149與AD9850采用串行通信方式連接。

1.3硬件設(shè)計

MSP430是德州公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH的單片機(jī)，由于其性價比和集成度高，受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。它采用16位的總線，外設(shè)和內(nèi)存統(tǒng)一編址，尋址范圍可達(dá)64K,還可以外擴(kuò)展存儲器。具有統(tǒng)一的中斷管理，具有豐富的片上外圍模塊，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO內(nèi)部振蕩器和兩個外部時鐘，支持8M的時鐘。由于為FLASH型，則可以在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和，且JTAG口直接和FET（FLASHEMULATIONTOOL）的相連，不須另外的仿真工具，方便實用，而且，可以在超低功耗模式下工作，對環(huán)境和人體的輻射小，測量結(jié)果為100mw左右的功耗（電流為14mA左右），可靠性能好，加強(qiáng)電干擾運行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運行環(huán)境，適合與做手柄之類的自動控制的設(shè)備。

該信號源選用MSP430F149作為控制器，為了節(jié)省I/O資源，方便系統(tǒng)功能擴(kuò)展，MSP430與DDS芯片AD9850之間采用串行通信方式，接口電路如圖3所示。AD9850與外圍元件的硬件連接圖如圖4所示，AD9851的正弦輸出信號端IOUT接至外部的低通濾波器，濾除高頻雜散和諧波后，一路信號經(jīng)過寬大放大器AD811放大后輸出需要的正弦信號，另一路再回接到AD9851內(nèi)部比較器的正向輸入端（VINP）以得到方波信號。其中：DGND為數(shù)字地；AGND為模擬地；VCC為模擬部分的電源電壓；VDD為數(shù)字部分的電源電壓。D7,FQ_UD,W_CLK,RESET分別接至MSP430的P3.0,P3.1,P3.2,P3.3上。為降低噪聲信號對放大器的影響，在低通濾波器與寬帶放大器之間接高速電壓跟隨器隔離，AD9850的輸出信號峰峰值為1~2V,為增大AD9850輸出信號幅值，采用單位增益帶寬為140MHz,Sr=2500V/μs的高速寬頻帶運放AD811進(jìn)行信號放大，并且通過調(diào)節(jié)反饋電阻來改變增益，從而調(diào)節(jié)輸出信號幅度。放大電路的放大倍數(shù)，可以滿足一般的應(yīng)用需求。

1.4低通濾波器設(shè)計

對于不同濾波器而言，每個頻率的信號的減弱程度不同。當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時，它有時被稱為高頻剪切濾波器，或高音消除濾波器。低通濾波器概念有許多不同的形式，其中包括電子線路（如音頻設(shè)備中使用的hiss濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障（acousticbarriers）、圖像模糊處理等等，這兩個工具都通過剔除短期波動、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號的平滑形式。低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動平均數(shù)（movingaverage）所起的作用；低通濾波器有很多種，其中，通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器。DDS的雜散主要以下三個方面：

（1）ROM幅度量化誤差：相位轉(zhuǎn)化為幅度，是通過尋址ROM實現(xiàn)的，然而ROM地址中存有的波形幅度值字長是有限的，ROM存儲能力有限而引起的舍位誤差就是幅度量化誤差；

（2）相位截斷誤差：為了提高DDS的精度，DDS的相位累加器位數(shù)都取得非常大，但ROM的容量是有限的，因此只利用相位累加器的高M(jìn)位ROM尋址，其低（N-M）位被截斷。由此引入的截斷誤差是DDS雜散的主要；

（3）DAC的轉(zhuǎn)換誤差，即DAC中非線性引起的轉(zhuǎn)換誤差：DAC有限的分辨率、非線性特性以及轉(zhuǎn)換過程中出現(xiàn)的尖峰脈沖均會導(dǎo)致頻譜質(zhì)量變壞。因此，低通濾波器的使用是非常必要的，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個DDS的技術(shù)指標(biāo)。

巴特沃斯濾波器是濾波器的一種設(shè)計分類，其采用的是巴特沃斯傳遞函數(shù)，有高通、低通、帶通、帶阻等多種濾波器類型。切比雪夫濾波器也是濾波器的一種設(shè)計分類，其采用的是切比雪夫傳遞函數(shù)，也有高通、低通、帶通、高阻、帶阻等多種濾波器類型。同巴特沃斯濾波器相添加圖片比，切比雪夫濾波器的過渡帶很窄，但內(nèi)部的幅頻特性卻很不穩(wěn)定。但是其過渡帶下降迅速，過渡帶很窄。在該系統(tǒng)中，為了使輸出信號頻率10MHz時能夠程度地降低AD9850外部系統(tǒng)時鐘30MHz的干擾，采用具有較窄過渡帶特性的橢圓濾波器，并采用7階橢圓低通濾波。根據(jù)系統(tǒng)要求，輸出信號的頻率可達(dá)10MHz,設(shè)定其通帶為10MHz,且7階濾波具有下降速度更快的過渡帶，可以有效地濾除10MHz以上的高頻干擾?？紤]到實際的橢圓濾波器設(shè)計與理論分析是有所不同的，在此使用Multisim9經(jīng)行仿真后得出橢圓濾波器的具體參數(shù)。橢圓低通濾波器的電路圖如圖5所示。

2系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計主要分為菜單操作和頻率控制值計算兩部分。在系統(tǒng)中通過外接4×4軟鍵盤輸入設(shè)定頻率和調(diào)整步進(jìn)。一共16個按鍵，不同的按鍵代表著不同的數(shù)字和功能，除了正常的10個數(shù)字鍵0~9外，為了方便頻率值的輸入，還設(shè)計了菜單鍵、刪除鍵、步進(jìn)一、步進(jìn)十、確認(rèn)鍵、輸出鍵等功能鍵。通過輸入0~9數(shù)字鍵，輸入設(shè)定頻率；按下確認(rèn)鍵，輸出相應(yīng)頻率的波形；按下菜單鍵，可根據(jù)需要按下1,2,3數(shù)字鍵，分別選擇1Hz,10Hz,100Hz三個檔位的頻率步進(jìn)；按下確認(rèn)鍵，此后按下步進(jìn)+、步進(jìn)一即可對輸出信號進(jìn)行頻率的步進(jìn)調(diào)整；欲重新設(shè)定頻率只需按下刪除鍵，再次輸入預(yù)設(shè)的頻率即可。

該系統(tǒng)中單片機(jī)與AD9850采用串行通信方式連接。其中，頻率控制字的計算：AD9850的時鐘信號采用30MHz,根據(jù)式（1）得：

式中：fo為從鍵盤上輸入的頻率值。式（3）計算的結(jié)果在不影響精度的情況下舍去小數(shù)部分，轉(zhuǎn)換為32位的頻率控制字。AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制，5位用于相位控制，1位用于電源休眠（PowerDown）控制，2位用于選擇工作方式。這40位控制字可通過并行方式或串行方式輸入到AD9850.實際應(yīng)用中，工作方式選擇位通常設(shè)定成00,該系統(tǒng)中AD9850的40位控制字高8位設(shè)置為00H.串行接口方式下需滿足的時序關(guān)系為：在W_CLK的上升沿，引腳D7上的數(shù)據(jù)自有效位開始逐位串行移人輸入寄存器，40位數(shù)據(jù)輸入結(jié)束后，任何W_CLK上升沿到來，都會造成數(shù)據(jù)順序移出并導(dǎo)致原來數(shù)據(jù)無效。此時，F(xiàn)Q_UD端的上升沿將40位數(shù)據(jù)裝入頻率/相位控制寄存器，更新芯片的輸出頻率和相位，同時把地址指針復(fù)位到個輸入寄存器，等待下一組新數(shù)據(jù)的寫入。AD9850的控制字串行輸入時序圖如圖6所示。

該系統(tǒng)的總程序框圖如圖7所示，程序開始后，運行初始化程序，包括初始化單片機(jī)MSP430F149、初始化AD9850、初始化液晶顯示模塊1602等。然后掃描鍵盤狀態(tài)，檢查到有鍵按下就運行鍵值處理程序，對按鍵值進(jìn)行查表處理，之后執(zhí)行相應(yīng)的子程序。輸入的信號相關(guān)信息通過運行液晶顯示程序，在LCD上顯示正確的輸入數(shù)據(jù)和提示字符。在按下確認(rèn)鍵后，MSP430F149計算出所需信號的數(shù)據(jù)或控制命令，將其傳送到AD9850,輸出終信號。

3系統(tǒng)測試與結(jié)果分析

為了檢驗本系統(tǒng)的實際性能，在完成所有設(shè)計后，使用HDSTO22M型示波表對該系統(tǒng)進(jìn)行實測，經(jīng)過實驗測試系統(tǒng)達(dá)到下列性能指標(biāo)：輸出信號頻率范圍為1Hz~10MHz;步進(jìn)調(diào)整為1Hz,10Hz,100Hz三檔步進(jìn)；失真度無明顯失真；輸出電壓峰峰值為1~10V;頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4.

4結(jié)語

在此給出一種基于DDS芯片AD9850和MSP430F149單片機(jī)的嵌入式信號源設(shè)計方法，該信號源可輸出頻率范圍為1Hz~10MHz的正弦波和方波，且具有頻率設(shè)定1Hz,10Hz,100Hz多檔步進(jìn)調(diào)整和幅度調(diào)節(jié)的功能?？梢酝ㄟ^按鍵進(jìn)行頻率值設(shè)定，并有LCD顯示波形的頻率等