基于MSP430的多功能信号发生器设计

王 勤，程 辉

(成都大学 电子信息与电气工程学院，四川 成都 610106)

0 引 言

信号发生器是电子信息领域必不可少的仪器设备，在通信、测试及控制等领域有着广泛应用[1-2].在实验室与户外等多种特定测试场合，对信号发生器功能有不同需求，而通用信号发生器在很多时候无法满足特定测试场合的要求[3-4].本研究基于直接数字频率合成(direct digital frequency synthesis,DDS)技术设计了一种多功能信号发生器，其可产生较宽频率范围的正弦信号，满足从低频至高频测试的需求，同时可产生多种调制信号，满足对调制信号的需求，具有良好的人机界面，通过电池供电，完全满足实际场合的使用要求.

1 系统总体设计

信号发生器系统主要由键盘显示模块、单片机控制模块、正弦信号产生模块、信号调理模块及调制模块等组成，具体如图1所示.系统的工作步骤是：键盘显示模块用于设定输出正弦信号参数或调制信号类型；单片机控制模块与正弦信号产生模块生成设定正弦信号，经信号调理模块后输出能正常使用的正弦信号，该信号同时作为调制模块载波信号使用；调制信号由单片机控制模块产生，经调制模块处理后可实现AM模拟调制和ASK、BPSK、FSK等数字调制.

图1 信号发生器系统框图

2 系统硬件设计

2.1 单片机控制模块

系统的单片机控制模块采用MSP430F149单片机.该单片机为TI公司生产的16位FLASH型单片机，具有集成度高、功能丰富的特点，能实现多种复杂设计[5]，相较于其他控制芯片，具有开发难度小，成本低的优点，特别适用于需要电池供电的便携式仪器仪表中，故本系统将MSP430F149作为多功能信号发生器控制模块.

2.2 正弦信号产生模块

系统的正弦信号产生模块使用DDS集成芯片AD9852来实现.AD9852是ADI公司生产的专用DDS芯片，内含双12位D/A转换器及高速比较器，具有双48位频率控制字，且拥有最高可达300 MHz的工作频率，输出最高达150 MHz的频率生成信号，可实现全数字频率合成、频率发生、调频和调相等功能[6-7].相较于其他方式实现DDS，其性能出众，性价比高，使用方便，且具有较低的功耗，可极大程度缩短开发周期.AD9852内部主要频率合成过程如图2所示.

图2 AD9852 DDS频率合成框图

图2中，参考时钟频率为200 MHz，由外部50 MHz高稳定度有源晶振经AD9852内部可编程时钟倍频器4倍频后得到，可满足产生1 Hz～20 MHz正弦信号需求.相位累加器长度为48位，由加法器和寄存器构成，用于累加相位和存储相关结果.波形存储器(ROM)用于将正弦功能表存储起来.数模转换器(DAC)为一12位300 MHz DAC，用于把前端量化的数字波形转换为模拟正弦信号输出.

2.3 信号调理模块

由于AD9852输出的信号含有噪声且信号幅度较小，不能直接使用，故该输出信号需经信号调理模块之后才能使用.信号调理模块由低通滤波器、信号放大电路和自动增益控制(automatic gain control,AGC)电路组成，可净化、放大与稳定前级输出正弦信号，具体如图3所示.

图3 信号调理模块

2.3.1 滤波电路

由于AD9852输出正弦信号中含有高频干扰信号，需经低通滤波器滤除后才可供后级使用.本系统低通滤波器采用无源七阶切比雪夫滤波器[8]，相较于其他类型滤波器，切比雪夫滤波器具有通带平坦、阻带等波纹或阻带平坦、通带等波纹的特性，且阻带下降较快，和理想滤波器频率响应曲线之间误差最小，故采用切比雪夫滤波器来滤除高频干扰.该滤波器由分立元件构成，结构简单，可作用于120 MHz以内的信号，满足设计输出20 MHz正弦信号需求，滤波电路如图4所示.

图4 滤波电路

2.3.2 信号放大电路

滤波后的正弦信号幅度较小，需经放大电路放大后才能达到向后级输出的需求，信号放大电路由电流模运放OPA2684构成.OPA2684是TI公司生产的低功耗、高性能电流模运算放大器，采用新的输入级缓冲结构，放大器在宽增益范围内可保持几乎恒定的交流性能，可提供最大120 mA输出电流，最大带宽可达170 MHz.OPA2684可较好地平衡性能、功耗与成本，故本系统信号放大电路采用该芯片，电路如图5所示.

图5 信号放大电路

2.3.3 自动增益控制电路

为保证放大后正弦信号幅度的均匀与稳定，满足提供可靠正弦信号的需求，需在放大电路后有一级自动增益控制电路，该电路由可控增益放大器AD603和高速三极管2N3906、2N3904组成.AD603是ADI公司生产的低噪声、低功耗电压控制放大器，其最高带宽可达90 MHz，广泛应用于AGC系统[9].系统的自动增益控制电路如图6所示.电路由2个AD603级联组成，可达到最大信噪比.输入信号经2级AD603放大后，在电容CAV处产生自动增益控制电压VAGC，进入电容CAV的电流为2N3906和2N3904集电极电流之差△Ic，随输出信号幅度增大而增大，最终自动增益控制电压VAGC将跟随输出信号幅度变化.AD603的1脚作为正电压增益控制输入端，由VAGC电压输入，2脚为负电压增益控制输入端，接外部输入电压，通过1脚与2脚之间电压差的变化来控制输出信号幅度的稳定.该电路结构较简单，控制方便，只需在外部输入增益控制电压即可确保增益稳定，灵敏度高，且具有较高的性价比.

图6 自动增益控制电路

2.4 调制模块

系统的调制模块由模拟调制部分和数字调制部分构成，可产生AM、ASK、BPSK、FSK等调制信号.

在模拟调制部分，AM调制采用D/A芯片TLC7528和模拟乘法器MPY634作为核心器件.TLC7528为TI公司生产的双8位数模转换器，该芯片设计有独立的片上数据锁存，数据通过公共8位输入口传送至2个DAC数据锁存器中的任一个，并通过控制端口确定装载哪一个DAC.MPY634是TI公司生产的高带宽精密模拟乘法器，可进行混频、平衡调制与解调，具有优良的载波抑制功能，广泛应用于中频、射频和视频信号处理等领域[10].AM调制电路如图7所示，MSP430F149控制TLC7528产生正弦信号作为调制信号，AD9852模块输出的正弦信号作为载波，将调制信号与载波信号通过模拟乘法器MPY634相乘即可得到AM调制信号，改变调制信号的幅度即可调节调制度.

图7 AM调制电路

数字调制信号由MSP430F149控制AD9852产生，可充分利用AD9852内部功能，减少外部硬件带来的误差，产生高质量数字调制信号，同时可节省成本.工作时，AD9852模块输出的正弦信号作为载波，MSP430F149产生的二进制序列码作为调制信号，通过设置AD9852内部不同寄存器得到ASK、BPSK、FSK等信号.

3 系统软件设计

3.1 主程序设计

本系统以MSP430F149单片机控制AD9852及外围器件产生正弦信号与各种调制信号，并通过键盘显示模块操作和显示，系统总体流程如图8所示.系统初始化完成后，键盘显示模块提示通过按键选择输出正弦信号或调制信号.若选择正弦信号，则进一步提示通过按键设置输出正弦信号参数；若选择调制信号，则进一步提示选择输出调制信号类型，通过按键可选择输出AM、ASK、BPSK、FSK等调制信号，同时可进一步对输出调制信号进行设置.

图8 系统主程序流程图

3.2 正弦信号产生程序设计

正弦信号由MSP430F149控制AD9852产生，需设置AD9852内部控制寄存器、频率寄存器、相位寄存器以及振幅控制寄存器.各寄存器片内地址分别为1DH～20H、04H～09H、00H～01H、21H～22H，其中频率寄存器为48位，相位寄存器为14位，振幅控制寄存器为12位，改变3个寄存器控制字便可产生不同参数的正弦信号.

AD9852输出正弦信号相应控制字由式(1)～(3)确定.

Kf=f0*2N/fc=f0*248/fc

(1)

Kp=P0*214/360°

(2)

Kv=V0*212/Vref

(3)

式中,Kf、Kp、Kv分别为频率控制字、相位控制字和振幅控制字，f0、P0、V0分别为输出正弦信号频率、相位和振幅，N为频率寄存器位数，为48位，fc为参考时钟频率，Vref为12位D/A转换器参考电压.

工作时，首先通过键盘选择正弦信号，此时，MSP430F149将AD9852内控制寄存器的9～11位设置为000，使其工作在单频模式.然后设置输出正弦信号的频率、相位与振幅等参数，根据设定值，MSP430F149由式(1)～(3)计算产生相应的控制字，并发送至AD9852来设置对应寄存器，其中频率寄存器数据由式(1)中频率控制字Kf确定，相位寄存器数据由式(2)中相位控制字Kp确定，振幅控制寄存器数据由式(3)中振幅控制字Kv确定.在200 MHz参考时钟作用下，经AD9852内部相位累加器、波形存储器、D/A转换器等模块之后，在其输出端得到阶梯形正弦信号，再经外部低通滤波器后得到可使用的正弦信号.

3.3 调制信号产生程序设计

通过键盘显示模块选择调制信号后，可进一步选择调制信号类型.当选择AM调制后， MSP430F149通过查询正弦表控制TLC7528产生一定频率范围的正弦信号作为调制信号，AD9852产生的正弦信号作为载波信号，在MPY634的输出端可得到AM调制信号.此方法可根据需求，由键盘灵活调整调制信号与载波信号，使用方便快捷，同时可充分发挥AD9852功能，提高使用效率，节省硬件成本.

在数字调制中，MSP430F149产生一定速率的二进制基带序列码作为调制信号，载波为AD9852产生的正弦信号.FSK调制与BPSK调制可通过MSP430F149向AD9852输入二进制序列码并设置内部寄存器实现.当控制寄存器9～11位设置为100时为FSK模式，之后设置频率寄存器1、2 的控制字，对应产生频率分别为f1、f2的正弦信号，当二进制序列码输出值为0时，输出频率f1正弦信号，当二进制序列码输出值为1时，输出频率f2正弦信号，即可实现FSK调制.当控制寄存器9～11位设置为001时为BPSK模式，之后设置频率寄存器1控制字，确定载波频率，并进一步设置相位寄存器1、2的控制字，当二进制序列码输出值为0时，输出相位寄存器1对应相位正弦信号，当二进制序列码输出值为1时，输出相位寄存器2对应相位正弦信号，即可实现BPSK调制.因AD9852无ASK工作模式，需通过判断MSP430F149产生序列来实现ASK调制，当二进制序列码为1时，设置振幅控制寄存器控制字，使其输出幅度为非0正弦波，当二进制序列码输出值为0时，设置振幅控制寄存器控制字，使其输出幅值为0，即可实现ASK调制.

4 系统测试

4.1 正弦信号测试

为测试正弦信号，本系统在1 Hz至～20 MHz频率范围内设置10档测试数据，通过在键盘显示模块设定期望参数，调节AD9852频率控制字，使AD9852输出正弦信号作用在50Ω负载电阻上，并设置振幅控制字，使输出正弦信号峰峰值固定为5V，用数字示波器观察输出正弦信号频率与峰峰值，所得数据如表1所示.

表1 正弦信号测试数据

由测试结果可知，输出正弦信号在1 Hz～10 MHz范围内频率与峰峰值都比较稳定，峰峰值可达到5V±0.5V.当设置频率增加时，输出信号频率的精度下降且峰峰值下降明显.峰峰值下降由Sinc效应产生，导致输出信号频率增加时峰峰值减小.频率误差主要与AD9852参考时钟频率偏差有关[11]，由于参考时钟由外部50 MHz有源晶振经AD9852内部倍频器4倍频后得到，当外部晶振存在一定误差时，经4倍频后会将频率误差进一步放大，当输出正弦信号频率增加时，导致输出频率误增大差.此外，相位截断误差也会导致频率误差[12].

4.2 调制信号测试

在调制信号的测试中，对于模拟调制，MSP430F149产生1.6 kHz正弦波作为调制信号，AD9852产生40 kHz正弦波作为载波，所产生AM调制信号如图9所示.从图9中可以看出，AM调制信号满足需求.经测试，通过键盘改变调制信号和载波信号参数可实现调制信号频率100Hz～10kHz可调、调制度10%～100%可调的AM调制信号.

图9 AM调制信号

3种数字调制的调制信号为速率均为3 kbps的二进制基带序列码，产生的ASK、BPSK、FSK信号分别如图10～12所示.ASK信号载波为400 kHz的正弦波，当调制信号二进制码为1时，输出400 kHz正弦波，二进制序列码为0时，输出为0.BPSK信号中相位1、2均为180°，在二进制序列0和1的跳变处产生180°相位偏移.FSK信号中载波频率分别为400 kHz和800 kHz，在0和1的跳变处频率由400 kHz变为800 kHz.经测试，改变数字调制中相关信号参数，可实现不同参数下的ASK、BPSK和FSK信号，完全满足一般测试场合需求.

图10 ASK调制信号

图11 BPSK调制信号

图12 FSK调制信号

5 结 语

本研究以MSP430F149单片机和AD9852为核心设计了一种多功能信号发生器，整个系统结构紧凑，功能强大，其可产生1 Hz～20 MHz的正弦信号，在50Ω负载电阻上正弦信号峰峰值可达5V±0.5V，并可实现AM、ASK、BPSK、FSK等调制功能.实际测试表明，本信号发生器具有较好的稳定性和抗干扰性能，操作简单，使用方便，完全满足实验室与户外等一般测试场合的使用要求.