MSP430控制的基于DDS的波形发生器设计Word格式文档下载.docx

1、3系统设计方案53.1几种初步方案53.1.1方案一53.1.2方案二63.1.3方案的比较63.2器件选型73.2.1单片机73.2.2数模转换DAC73.2.3压控增益放大器73.2.4运算放大器84系统硬件设计与实现84.1系统框图84.2系统电路图94.3器件清单94.4模块分析104.4.1DDS104.4.2幅度控制114.4.3放大稳压134.4.4自选波形144.4.5键盘144.4.6LCD显示155系统软件设计与实现165.1总体设计框图165.2初始化175.3DDS185.4LCD显示195.5DAC215.6键盘226系统测试与结果266.1总体方案选择266.1.1

2、原方案266.1.2遇到的障碍：276.1.3改进方案：6.2硬件电路测试276.2.1VCA810压控放大器276.2.2OPA1632286.2.3级联286.2.4关于换备选方案286.3系统联调结果286.3.1三角波、正弦波、方波测试结果286.3.2扩展波形的测试结果326.3.3扩展扫频功能的测试结果337结束语337.1目标完成情况337.2感想338参考文献349附录349.1电路图349.2源码清单35501. 设计目标设计并制作一个波形发生器，该波形发生器能产生正弦波、方波、三角波和由用户编辑的特定波形，并根据用户输入选择产生指定类型与参数的波形，同时在必要的辅助输出显示

3、设备上显示产生波形的类型与参数。1.1 基本功能l 具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能；l 输出波形的频率范围为100Hz-20KHz（非正弦波频率按10次谐波计算）；重复频率可调，频率步进间隔100Hz。l 输出波形幅度范围0-5V（峰峰值），可按步进0.1V（峰峰值）调整。l 由外界按键输入选择产生波形的种类、频率与峰峰值；l 界面显示输出波形的类型、重复频率（周期）和幅度。1.2 扩展功能l 输出波形频率范围扩展至100Hz-200KHz。l 用键盘或其它输入装置产生任意波形。l 增加稳幅输出功能，当负载变化时，输出电压幅度变化不大于3%（负载电阻变化范围：100）。l 可

4、产生单次或多次（1000次以下）特定波形（如产生1个半周期三角波输出）。l 具有掉电存储功能，可存储掉电前用户编辑的波形和设置。l 其它（如增加频谱分析、失真度分析、频率扩展大于200KHz、扫描输出等功能）。2 团队组成我们的工作分为以下模块（详细分工在个人报告中叙述）l 前期：收集资料、方案设计、器件选型 l 硬件部分：电路参数设计、proteus制图及硬件仿真、各单级调试、PCB布线、通用版布线、电路焊接、排查焊接错误 l 软件部分： LCD模块、键盘扫描模块、DDS模块、调频、扫频、模块间接口设计与实现、自选波形模块（DA部分）、软件联调l 后期：硬件级联调试、软件联调报告书写、文档排

5、版、幻灯片演示、视频制作、答辩展示3 系统设计方案3.1 几种初步方案3.1.1 方案一由MSP43F149单片机产生三角波、正弦波和方波，并且控制波形之间的转换，以及波信号的频率和幅度。用LCD液晶显示模块显示波形的种类和相关参数。单片机输出数字信号，通过DAC进行数模转换。采用低通滤波器滤除DAC转换过程中形成的高频小锯齿波，运算放大器进行放大，电压跟随器稳幅，最后送入示波器显示信号。3.1.2 方案二用DDS（直接数字合成 Direct Digital Synthesis）芯片产生三角波、正弦波和方波，并用MSP430单片机送控制字给DDS以控制波形之间的转换，以及波信号的频率，通过TI

6、公司的VCA810压控放大器芯片进行调幅。然后通过滤波器滤除高频噪声，通过放大电路对信号进行放大，之后通过缓冲对信号进行稳幅，最后送入示波器显示信号，用单片机产生任意波形和其他扩展功能。3.1.3 方案的比较方案一的基本思路是用单片机发出指令输出相应的数字量，然后通过DA产生要求的模拟量，但是存在一个致命的问题，那就是本次的频率基本要求为100Hz-20KHz，扩展要求是100-200KHz，但是通常的MSP430系列单片机的晶振一般为8M左右，指令周期是机器周期，可达1/8ms，所以对生成方波来说还可以，而要合成三角波或正弦波则存在很多问题，程序实现难度很大，所以我们最终放弃了这个方案。方案

7、二的基本思路是走两条路，使用DDS芯片产生三种基本波形，用单片机实现任意波形以及控制和显示等功能，容易对功能进行扩充，且外围电路简单，系统可靠性较高，编程实现较为简单，整个系统成本较低，我们最终选择了这个方案。信号初步产生之后都要经过滤波、放大、缓冲输出等电路，各个方案下的设计大同小异，主要还是需要稳定可靠，带宽很宽。3.2 器件选型3.2.1 单片机选用MSP430F5438单片机，因为在种类和数量繁多的单片机中，TI的MSP430系列颇具特色，并具有良好的性能。3.2.2 数模转换DAC按照设计好的方案，扩展功能中的任选波形用DA来实现，有2种方法：外接DAC0832或者自带的DAC557

8、1。l 自带的DAC5571优点：使用较简单（因为有完整的test代码和文档，而且已经集成在5438的开发板上）；缺点：速度上不去（因为5438自带的操作DA用来产生任选波形的代码要放在main中，但main函数比较庞大，影响了任选波形的频率）l 外接DAC0832可以自己去设计DA的驱动函数，产生的任选波形的频率较高；设计和搭电路较复杂（0832的输出端还要加运放来将电流输出转换成电压输出）我们选择第一种自带DA3.2.3 压控增益放大器比较两个选择：VCA810和VCA822。具体来说，我们比较它们的增益带宽积，输出（驱动）电流，及我们对芯片的熟悉程度。最后决定选择VCA810，利用DAC

9、产生控制电压改变放大器的增益。控制电压和放大器增益成线性，方便实现精确的增益控制。VCA810的最小增益步进仅取决于 DAC 的位数，可以实现增益微调，为闭环改善放大器的性能提供方便。3.2.4 运算放大器主要考虑因素有增益带宽积，输出驱动电流（表明带负载的能力），噪声电压，电路复杂程度，对芯片的熟悉程度和价格，对于常用的几个比较结果如下：l OPA1632：增益带宽积：180MHZ； 输出驱动电流：150mAl OPA551：带宽：3MHZ；，增益带宽积： 输出驱动电流：200mAl OPA552：12MHZ，增益带宽积：l NE5532：小信号带宽：10MHZ， 输出驱动电流：60mAl

10、THS4031：100MHZ， 输出驱动电流：90mAl THS4521：145MHZ， 输出驱动电流：100mAl uA741：1MHZ， 输出驱动电流：25mAl 综合考虑，opa1632各项性能比其他芯片要好很多，因此决定选用opa16324 系统硬件设计与实现4.1 系统框图 由MSP430单片机通过3个SPI接口控制AD9833产生各种频率的正弦波、三角波、方波，经放大整形电路后输出，并通过独立的按键切换输出的波形，也可改变频率和幅度以及频率和幅度变化的步进（通过软硬件的配合）。通过TFT液晶模块和独立按键进行人机交互。系统上电后检查启动按键是否按下，当启动按下被按下时，启动各个模块

11、，与此同时检查被按下的按键值。当检查到不同的按键被按下时，由MSP430通过SPI控制AD9833进行相应的改变。4.2 系统电路图其中DDS模块较为复杂，上图只是外部接口。其详细电路设计如下图所示：4.3 器件清单l msp430f5438开发板（1个）l VCA810压控增益放大器（1个）l OPA1632放大器（3个）l AD9833（1个）l UA741放大器（1个）l 电阻，电容，导线若干4.4 模块分析4.4.1 DDS 1） AD9833介绍AD9833是ADI公司的一款低功耗的DDS器件，能够输出正弦波、三角波、方波。AD9833无需外接元件，输出频率和相位可通过软件编程设置，

12、易于调节。其频率寄存器为28位，主频时钟为25 MHz时，其精度为01 Hz；主频时钟为l MHz时精度可达0004 Hz.AD9833内部有5个可编程寄存器：1个16位控制寄存器，用于设置器件_T作模式；2个28位频率寄存器和2个12位相位寄存器，分别用于设置器件输出正弦波的频率和相位。它的SIN-ROM查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅值的数字量信号，驱动DA转换器输出模拟量。输出正弦波频率为：fout=FREQREG（fMCLK/228）式中：FREQREG为频率控制字，由频率寄存器FREQOREG或FREQlREG的值给定，其范围为0M228-1 fMCLK为参考时钟频率。2）

13、从单片机输入控制字AD9833模块有3根串行接口线，分别是FSYNC、SCLK和SDATA，与SPI、QSPI、MICROWIRE和DSP接口标准兼容，在串口时钟SCLK的作用下，数据是以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引脚置低，在16个SCLK的下降沿数据通过SDATA引脚被送到AD9833的输入移位寄存器。因此，此处我们通过3个100的电阻进行限流，并将这3个引脚接到单片机MSP430F5438的P9.4、P9.3和P9.2脚，通过单片机来控制AD9833。下图是SCI串行数据通信的时序图：3） 从Vout的各种输出OPBITEN BitMODE BitDIV2 BitVOUT PinX正弦波1三角波DAC数据的MSB / 2 DAC数据的MSB其中MSB/2和MSB对应为方波，且MSB/2为MSB频率的一半。即正弦波，三角波，方波对应的频率控制字分别为：0x2000，,0x2002，0x2028（MSB方波），0x2020（MSB/2方波）。4） 完整工作流程简介l 虽然MSP430单片机具有硬件SPI总线功能，但是一次只能传输8位数据位，而AD9833在接收数据时是