基于MSP430和DDS的可控波形发生器

李乐乐 汤 轲

（南京信息工程大学 电子与信息工程学院，江苏 南京210044）

0 引言

随着我国经济和科技的发展，对各种测试仪器和测试手段也提出了更高的要求[1]。 与传统函数发生器相比，本设计具有硬件电路简单、波形清晰、频率幅值可控性高、波形任意切换等优点，而且还具有自动化、数字化、可编程化和数据高速处理的功能，能够满足实验室多数实验对信号源的要求。

直接数字频率合成（DDS）[2]技术是近年来迅速发展的一种新型频率合成技术。 DDS 具有很宽的频率输出范围，极高的频率分辨率和输出精度，以及较低的相位噪声优点。 信号源是现代电子设备和系统中的重要组成部分，在通信系统、电子测量以及各种科学实验中，常常需要一个高精度的频率可变信号源，并且要求数字可控[3]。因此研究一种全自动化、可控性好、精度高的信号发生源具有一定的实用价值和经济效应。

1 系统结构和工作原理

1.1 系统结构

该设计以MSP430F169 单片机为主控元件，由信号处理电路（差分放大、两路选择和乘法电路）、功能键盘、LCD 显示电路以及电源等部分组成。 系统框图如图1 所示。

图1 系统总框图

1.2 工作原理

该设计以MSP430F169 单片机作为控制核心，通过键盘进行波形选择和参数设置等信息，并将输出信号的频率和幅值信息实时送给液晶进行数据显示。 同时，单片机通过并行方式向DDS 模块AD9850 送频率控制字，由AD9850 产生正弦波并在模块内部集成比较器同时将方波输出，正弦波和方波将各自两路对称信号经差分放大6 倍输出[4]。单片机P4.3 口控制波形方式的输出， 其内部的D/A 转换在单片机控制下输出直流电压进入乘法器中与信号相乘以扩大其幅值，改变控制字以改变其幅值大小，实现自动控制。

2 硬件设计

2.1 单片机

MSP430F169 是一个超低功耗Flsh 型16 位RISC 指令集单片机，具有更大的程序和数据存储区， 内置有12 位ADC 和12 位DAC 模块，独有的D/A 转换模块可以将MSP430 运算处理的数字量转换为模拟量。 其还具有内置硬件乘法器，性价比极高[5]。

系统采用MSP430F169 单片机为控制核心，其独有的DAC 模块、高速处理数据能力和低功耗等性能是本设计选取的重要原因。单片机首先通过并行口控制DDS 输出信号，对键盘实时扫描获取键值，从而实时控制硬件电路各模块工作，按预设值实现波形切换、频率和幅值的动态变化，将当前数据、波形方式通过液晶屏显示，实现人机友好界面。

2.2 波形发生模块

直接数字合成（DDS）技术具有输出信号精度高、频率变换速度快、输出信号光滑及控制方便等诸多优点，所以适用于高频、高精度信号发生器的设计。 其工作原理示意图如图2 所示。 本设计选取AD9850，AD9850 是AD 公司生产的最高时钟为125MHz、采用先进的CMOS 技术的直接频率合成器，主要由可编程DDS 系统、高性能模数变换器（DAC）和高速比较器3 部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成[6]。在控制时钟信号作用下，累加器将与输出信号频率对应的频率字进行累加，然后与相位字相加以形成最终相位信息。正弦ROM 表则将相位信息转化为幅值信息， 然后由DAC 生成两个互补的正弦信号， 将DAC 的输出经低通滤波后接到AD9850 内部的高速比较器上即可直接输出方波。 DDS 模块内部集成低通滤波电路，具有毛刺的正弦波和方波经过滤波使其波形更加光滑。

输出的正弦波频率fout=M*fcN（fc为外部参考时钟频率，M 为步长）。[7]

图2

2.3 差分放大电路

差分放大电路的作用是对DDS 输出的正弦波信号和方波信号进行放大，实现高幅值输出，便于乘法电路对任意宽范围幅值输出。本模块采用频带为175Mhz 的THS4082 芯片，由AD9850 生成两个互补的信号特点，采用差分电路。实现对交流信号放大，以达到所要求的幅值变化范围。 如图3 所示。

图3 差分放大

2.4 继电器模块

继电器[8]模块实现对不同输出波形的选择。 在单片机发送的信号控制下，通过按键的预设实现不同时刻输出的波形信号选择，达到所要求自动化功能。 如图4 所示。

图4 二路选择

2.5 乘法电路

乘法电路的作用是实现幅值在一定电压范围内任意变化。MSP430F169 单片机独有的DAC 转换器在给其送不同的二进制数时，其输出电压值不断变化，将信号与直流电压相乘后以改变输出波形电压值，达到幅值可调功能。 电路如图5 所示。

图5 乘法器

2.6 其他硬件电路

键盘控制模块：该系统选用4×4 矩阵键盘做功能键[9]，作用分别为10 个数据预设键、确认键、取消键、波形切换键、幅值/频率转换键、频率步进增减键。

LCD 液晶显示模块：该设计采用12864 液晶实时显示测量数据值同时配合键盘进行频率预设参数的设置。 带中文字库的LCD12864 液晶是一种高性能显示模块，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令， 可构成全中文人交互图形界面[10]。 单片机的P5 口与12864 液晶的数据口连接, 用于数字信号的读取，P4.4、P4.5 作为液晶显示模块的读/写控制信号端口, P4.6 作为LCD 的片选口。

3 软件设计

软件设计部分主要包括主程序、DDS 控制模块、D/A 模块、键盘处理模块和LCD 显示模块，其流程图如图6 所示。

3.1 键盘扫描模块

设定了2 个切换按键实现不同波形输出和频率/幅值切换,10 个独立按键用于改变波形的频率大小。 确认 和取消键控制整个数据的输入， 两个步进键用于按等间隔自动频率变化, 当MCU 检测到按键被按下时, 完成相应按键所执行的功能。

3.2 LCD 显示模块

12864 液晶用于显示输出的波形、波形的频率以及波形的幅值。

图6 程序流程图

4 结论

本文设计的以MSP430 单片机和DDS 技术为核心的可控波形发生器，在软硬件有机地结合下，可以达到预计的性能要求，系统运行稳定可靠。 测试表明该波形发生器通过单片机并行控制DDS 和按键的预设将输出的信号频率和幅值准确的显示在液晶屏上。该系统具有波形切换、幅值可控、频率任意设置和步进的功能。通过矩阵键盘对波形进行相应的功能设置，具有操作简单、方便和可控值等特点。本设计完成一个高精度的频率可变、幅值可控的波形发生器，在今后的通信系统和电子测量以及各种科学实验具有重要的使用价值。

［1］万其力，吴文彪.基于DDS 及单片机的函数产生器设计[J].西安邮电学院学报，2003.

［2］殷海波,许果,王广君.基于单片机和FPGA 的任意频率发生器设计[J].自动化技术与应用，2010(04).

［3］李国立,王晓君,刘冬冬,刘岩. 基于DSP 与DDS 技术的高精信号源的设计[J].科技风，2010(19).

［4］涂剑鹏,何尚平,罗小青,郭波.基于差分放大电路的宽带直流放大器的设计[J].自动化与仪器仪表，2010(02).

［5］肖振锋，袁荣湘，邓翔天，刘晓蕾.基于MSP430F169 的远程智能故障监测器[J].电力自动化设备，2013(01).

［6］石桂名，冀勇钢，彭海龙.基于AD9850 的信号发生器的设计与实现[J].现代电子技术，2010(01).

［7］林珊,许建明.基于单片机的键盘显示系统设计[J].信息与电脑：理论版，2011(01).

［8］文星,刘俊华,庞仁治,高通.基于单片机和DDS 技术的信号发生器的设计[J].科技信息，2010(07).

［9］林毓梁，张锐，王伟.基于MSP430F169 的深海环境数据采集系统设计[J].电子设计工程，2011(03).

［10］李金群.基于51 单片机的12864 液晶图文显示研究[J].机电信息，2010(36).