基于AD9833的信号发生器的设计与实现.docx
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基于AD9833的信号发生器的设计与实现
摘要
毕业设计的核心问题是设计信号发生器,使之输出不同频率的正弦波、三角波和方波,并通过按键切换输出的波形,也可改变频率以及频率变化的步进。
本方案选择了AD9833作为核心芯片,并与低功耗单片机MSP430结合,设计一款简易的高精度频率信号发生器,具有体积小功耗低等优点。
AD9833是AD公司生产的一款采用DDS技术、低功耗、可编程波形发生器。
本课题介绍了用AD9833设计信号发生器的根本框架,详细阐述了该芯片的根本性能和使用方法,分析了它与MSP430结合产生波形的具体措施。
并且对DDS这一技术做了比较详细的分析,也展望它的开展前景。
关键词:
AD9833;MSP430;DDS技术;信号发生器
ABSTRACT
Themainaimofthisthesisistodesignthesignalgenerator,soitcanoutputsinewave,trianglewaveandsquarewaveindifferentfrequency,.Theoutputwaveformcanbechangedthroughtheswitchbuttons,soarethefrequencyandthefrequencychangestep.TheprogramselectedtheAD9833asacorechip,andcombinedwithlowpowerconsumptiveMSP430,todesignasimplehigh-precisionfrequencysignalgeneratorwithsmallsizeandlowpowerconsumption.AD9833ismanufacturedbyADIusingaDDStechnologyanditisalowpowerconsumptiveandprogrammablewaveformgenerator.ThistopicdescribesthebasicframeworkoftheAD9833signalgenerator.AnditalsodescribedthebasicpropertiesofthechipandtheuseofmethodsindetailaswellasthespecificmeasuresofgeneratingwaveformscombinedwithMSP430.AstotheDDStechnology,thethesisgivesadetailedanalysisandforecastsitsfuturedevelopment.
Keywords:
AD9833;MSP430;DDStechnology;signalgenerator
1引言
随着电子技术的开展,要求信号的频率越来越准确和越来越稳定,一般振荡器已不能满足系统设计的要求。
晶体振荡器虽然具有高准确度和高稳定度,但其频率变化X围很小,而且频率值也不高,很难满足通信、雷达、测控、仪器仪表等电子系统的需求,这就需要应用频率合成技术来满足这一要求。
直接数字频率合成〔DDS〕技术继1971年问世以来[1],由于它低本钱、低功耗、高分辨率、频率切换时间短、相位连续、相噪低、构造简单、体积小等诸多优点,在电信和电子仪器领域得到了越来越广泛的应用。
AD9833是AD公司生产的一款采用DDS技术、低功耗、可编程波形发生器,器件采用MSOP封装,非常小巧,外围电路简单,通过SPI接口和单片机相连,编程可生成正弦波、三角波、方波,输出频率和相位都可通过软件编程,易于调节。
本课题主要是基于DDS芯片AD9833的一款简易信号发生器[2],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,也可改变频率以及频率变化的步进。
该系统以低功耗为出发点,用超低功耗单片机MSP430作为主控芯片,选用低功耗芯片AD9833为信号产生芯片。
且使用DDS器件,具有体积很小,电路简单的优点,整个系统可以做得很小,甚至可以作为手持设备使用,这就正好满足了当前技术的需要。
此也为这次设计的两个创新点。
2概述
2.1信号发生器系统概述
信号发生器是一种常用的信号源,广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验领域。
它是一种为电子测量和计算工作提供符合严格技术要求的电信号设备。
传统信号发生器的三种设计方法分别是:
〔1〕用分立元件组成的函数发生器:
通常是单函数发生器且频率不高,其工作不很稳定,不易调试;〔2〕由晶体管、运放IC等通用器件制作,更多的那么是用专门的函数信号发生器IC产生,它们的功能较少,精度不高,频率上限只有300kHz,无法产生更高频率的信号,调节方式也不够灵活,频率和占空比不能独立调节,二者互相影响;〔3〕利用单片集成芯片的函数发生器:
能产生多种波形,到达较高的频率,且易于调试,如美国美信公司开发的新一代函数信号发生器ICMAX038,它克制了〔2〕中芯片的缺点,可以到达更高的技术指标,是上述芯片望尘莫及的。
MAX038频率高、精度好,因此它被称为高频精细函数信号发生器IC。
在锁相环、压控振荡器、频率合成器、脉宽调制器等电路的设计上,MAX038都是优选的器件。
但一般传统的信号发生器都采用谐振法,即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡,获得所需频率。
本次毕业设计的信号发生器基于一款DDS芯片即AD9833,相比于传统的设计方法,它有诸多优势。
基于DDS技术的信号发生器即利用频率合成技术制成的信号发生器,也称为合成信号发生器,具有输出频率稳定、准确,波形质量好和输出频率X围宽等一系列独特的优点。
2.2DDS技术
直接数字合成技术是美国学者于1971年提出的,即以全数字技术,从相位概念出发直接合成所需波形的一中新的频率合成原理,称之为直接数字频率合成器(DirectDigitalSynthesis)。
这是频率合成技术的一次重大革命。
它的根本原理就是利用采样原理,通过查表法产生波形。
但是限于当时微电子技术和数字信号处理技术的限制,DDS并没有得到足够的重视,随着现代超大规模集成电路集成工艺的高速开展,使得数字频率合成技术得到了质的飞跃,它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨率以及集成化等一系列性能指标方面,已远远超过了传统频率合成技术所能到达的水平。
但是由于DDS数字化实现的固有特点,决定了其输出频谱杂散较大。
从20世纪80年代末开场通过深入的研究认识了DDS杂散成因及其分布规律后,对DDS相位累加器进展了改良,ROM数据进展了压缩,使用了抖动注入技术以及对DDS工艺构造和系统构造进展了改良。
DDS技术建立在采样在采样定理的根底上,它首先对需要产生的信号波形进展采样和量化,然后存入存储器作为待产生信号波形的数据表。
输出信号波形时,电路在一个高稳定时钟控制下从数据表中依次读出信号波形的数据,产生过数字化的信号,这个信号再通过DAC转换成所需的模拟信号波形。
具体原理框图如图2-1所示。
它的核心是相位累加器,由N位加法器与N位相位存放器构成,类似一个简单的计数器。
加法器将频率控制字与累加存放器输出的累加相位数据相加,把相加后的结果送至累加存放器的数据输入端。
这样,相位累加器在时钟作用下,不断对频率控制字进展线性相位累加。
由此可以看出,相位累加器输出的数据就是合成信号的相位,相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。
将相位存放器的输出与相位控制字相加得到的数据作为一个地址对正弦查询表进展寻址,查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号,通过D/A变换器把数字量变成模拟量,再经过低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量,以便输出频谱纯洁的正弦波信号。
在参考频率为fs的情况下,DDS系统输出信号的频率fo为[3]:
〔2-1〕
输出信号的频率分辨率Δfo为:
〔2-2〕
图2-1DDS技术的原理框图
相对于其他信号波形产生技术,DDS技术具有输出信号的采样频率固定、频率稳定性高、信号频率转换时间输出相位连续、全数字化、可编程和易于控制等优点。
但还是有两点缺乏之处:
〔1〕散分量丰富。
这些杂散分量主要由相位舍位、幅度量化和DAC的非理想特性所引起,如图2-2所示。
因为在实际的DDS电路中,为了到达足够小的频率分辨率,通常将相位累加器的位数取大。
但受体积和本钱的限制,即使采用先进的存储方法,ROM的容量都远小于此,因此在对ROM寻址时,只是用相位累加器的高位去寻址,这样不可防止地引起误差,即相位舍位误差。
另外,一个幅值在理论上只能用一个无限长的二进制代码才能准确表示,由于ROM的存储能力,只采用了有限比特代码来表示这一幅值,这必然会引起幅度量化误差。
另外,DAC的有限分辨率以及非线性也会引起误差。
所以对杂散的分析和抑制,一直是国内外研究的特点,因为它从很大程度上决定了DDS的性能。
图2-2DDS掺杂模型
〔2〕频带受限。
由于DDS内部DAC和ROM的工作速度限制,使得DDS输出的最高频率有限。
目前市场上采用CMOS、TTL等工艺制作的DDS芯片工作频率一般在几十MHz至几百MHz。
但随着高速GaAs器件的出现,频带限制已明显改善,芯片工作频率可到达2GHz左右。
2.3本设计方案思路
该信号发生器由MSP430单片机,AD9833芯片,5110液晶显示模块,独立按键,放大整形电路等构成。
由MSP430单片机通过3个SPI接口控制DDS芯片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。
通过5110液晶模块和独立按键进展人机交互。
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,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进展相应的改变。
2.4技术指标和需要解决的主要问题
所需到达的技术指标:
(1)能产生正弦波、三角波和方波信号,并通过按键切换信号类型;
(2)通过按键可以以一定的步进改变频率;
(3)正弦波所能到达最高频率为5MHz。
需要解决的主要问题:
(1〕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16位数据位,因此,需要用软件模拟
SPI总线,如同软件模拟I2C总线;
(2)AD9833在接收16位数据时是高位在前,低位在后;
(3)先发送控制存放器字然后发送想要的频率字;
(4)发送数据前必须把FSYNC置成低电平,发送完以后把FSYNC置成高电
平;
(5)当对AD9833初始化时,为了防止DAC产生虚假输出,RESET必须置为
1,直到配置完毕,需要输出时才将RESET置为0。
RESET为0后的8一
9个MCLK时钟周期就可在DAC的输出端观察到波形。
3总体设计
本信号发生器的设计基于一款DDS芯片即AD9833,使用的单片机是超低功耗的MSP430,两者一结合,表达了该系统体积小功耗低的两大特色。
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5110液晶模块和独立按键进展人机交互。
按键的切换不仅可以改变波形的输出方式,而且可以设置波形的频率和频率变化的步进。
系统的总体框图如图3-1所示。
图3-1系统的总体框图
3.1AD9833的介绍和外围设备
AD9833是一款采用DDS技术、低功耗、可编程波形发生器[4
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- 基于 AD9833 信号发生器 设计 实现