0 引 言
    信號源是現代電子系統(tǒng)的重要組成部分，在通信、測控、導航、雷達、醫(yī)療等領域有著廣泛的應用，而且信號源作為現代電子產品設計和生產中的重要工具，必須滿足高精度、高速度、高分辨率、頻率可調等要求。傳統(tǒng)的RC或LC自激振蕩器方式的信號源組成較繁雜，調試較困難，不易實現程控，已不能適應新的要求；而由采用專用IC芯片構成的信號發(fā)生器，例如使用MAX038或ICL8038集成芯片外接分立元件，通過調節(jié)外接電容或電阻來設置輸出信號頻率，其輸出信號受外部分立器件參數的影響很大，且輸出信號頻率不能太高，同時無法實現頻率步進調節(jié)，不便于擴展和較高的使用要求。另外，采用FPGA+D／A可實現正弦信號發(fā)生器的設計，同時可實現頻率步進調節(jié)；但當輸出高頻信號時，需要高速D／A來配合工作，成本較高。頻率合成與鎖相技術的應用，可獲得高精度的信號源。目前，頻率合成技術是研制信號源的最關鍵技術。直接數字頻率合成技術(Direct Digital Frequency Synthesis，DDS)是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術。DDS技術具有相對帶寬寬，頻率轉換時間短，頻率分辨率高，切換時相位能保持連續(xù)等優(yōu)點，能實現各種調制波和任意波形的產生。易于實現全數字化的設計。廣泛用于高精度頻率合成和任意信號發(fā)生。
    該設計采用直接數字頻率合成(DDS)技術，使用DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機配合，可輸出精確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字頻率合成器芯片，可以產生從直流到62．5 MHz的寬頻率信號，從投放市場至今已廣泛應用于雷達系統(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，該設計將AD9850與MSP430F149結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計方案。在控制流程中，通過4x 4矩陣鍵盤設定頻率值，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，結合鍵盤上步進調節(jié)增量“1 Hz”，“10 Hz”，“100 Hz”鍵，使得頻率可以精確到步長為1 Hz的調節(jié)；產生正弦波時，經過低通濾波器濾除信號的高頻分量，通過增益可調的寬帶放大器放大輸出所需信號。如果接到AD9850內部的高速比較器上，即可直接輸出一個抖動很小的方波，系統(tǒng)通過字符型液晶屏1602顯示設定頻率和其他信息。實驗結果顯示，輸出信號頻率范圍在1 Hz～10 MHz，且無明顯失真；輸出信號頻率實現1 Hz，10 Hz，100 Hz三級步進調節(jié)，頻率精度0．01 Hz，頻率轉換速度1 ms，輸出幅度范圍1～10 V。

1 系統(tǒng)設計
1．1 DDS技術原理與結構
    DDS技術是一種用數字控制信號的相位增量技術，具有頻率分辨率高，穩(wěn)定性好，可靈活產生多種信號的優(yōu)點。一個DDS信號發(fā)生器由相位累加器、波形數ROM表、D／A轉換器以及模擬低通濾波器LPF組成，原理框圖如圖1所示。DDS技術的核心是相位累加器。相位累加器在穩(wěn)定時鐘信號的控制下產生讀取數據的地址值，隨后通過查表變換，地址值被轉化為信號波形的數字幅度序列，再由數／模變換器(D／A)將代表波形幅度的數字序列轉化為模擬電壓；最后經由低通濾波器將D／A輸出的階梯狀波形平滑為所需的連續(xù)波形。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)來改變輸出頻率。每當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，該地址對應波形存儲器中的內容就是一個波形合成點的幅度值，然后經D／A轉換變成模擬值輸出。當下一個時鐘到來時，相位累加器的輸出又加一次頻率控制字，使波形存儲器的地址處于所合成波形的下一個幅值點上。最終，相位累加器檢索到足夠的點就構成了整個波形。合成信號的波形取決于ROM表中的幅度序列，通過修改數據可以產生任意波形，如果要產生多種波形，只需把所需的多種波形數據存放到波形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，所產生的信號頻率能超過時鐘頻率的50 %，在實際應用中，為了保證信號的輸出質量，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。
    DDS的頻率分辨率定義為：

   
    由于基準時鐘的頻率一般固定，因此相位累加器的位數決定了頻率分辨率；位數越多，分辨率越高。
    該信號源采用DDS專用芯片AD9850產生正弦信號。AD9850采用CMOS工藝，其功耗在3．3 V供電時為155 mW，擴展工業(yè)級溫度范圍為-40～+80℃，采用28腳SSOP表面封裝形式，AD9850內含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，能實現全數字編程控制的頻率合成。AD9850支持的時鐘輸入最高為125 MHz，頻率控制字的位數為32位。由式(2)可以計算出在125 MHz時鐘輸入時分辨率為0．021 9 Hz，該設計中選用30 MHz的有源晶振，故其分辨率按式(2)計算得0．006 9 Hz。
1．2 系統(tǒng)總體設計
    該系統(tǒng)采用MSP430F149對DDS進行控制構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、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鍵器件，負責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+5 V電壓經過電平轉換后為MSP430和AD9850提供+3．3 V的電源電壓；外部參考時鐘源選用30 MHz有源晶振，MSP430F149與AD9850采用串行通信方式連接。
1．3 硬件設計
    該信號源選用MSP430F149作為核心控制器，為了節(jié)省I／O資源，方便系統(tǒng)功能擴展，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內部比較器的正向輸入端(VINP)以得到方波信號。其中：DGND為數字地；AGND為模擬地；VCC為模擬部分的電源電壓；VDD為數字部分的電源電壓。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一級高速電壓跟隨器隔離，AD9850的輸出信號峰峰值為1～2 V，為增大AD9850輸出信號幅值，采用單位增益帶寬為140 MHz，Sr=2 500 V／μs的高速寬頻帶運放AD811進行信號放大，并且通過調節(jié)反饋電阻來改變增益，從而調節(jié)輸出信號幅度。放大電路的最大放大倍數，可以滿足一般的應用需求。

1．4 低通濾波器設計
    低通濾波器是直接數字頻率合成器的重要組成部分，其性能的優(yōu)劣直接影響整個直接數字合成器的特性。在整個DDS實現過程中，低通濾波器除了濾掉高頻信號之外，還有除去雜散的作用。DDS的雜散主要來源以下三個方面：
    (1)ROM幅度量化誤差：相位轉化為幅度，是通過尋址ROM實現的，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雜散的主要來源；[!--empirenews.page--]
    (3)DAC的轉換誤差，即DAC中非線性引起的轉換誤差：DAC有限的分辨率、非線性特性以及轉換過程中出現的尖峰脈沖均會導致頻譜質量變壞。因此，低通濾波器的使用是非常必要的，其性能的優(yōu)劣直接關系到整個DDS的技術指標。
    低通濾波器可以分為巴特沃什濾波、切比雪夫濾波、貝賽爾濾波和橢圓濾波等。巴特沃什低通濾波器通帶和阻帶都是平坦的，但是其過渡帶太過平緩；切比雪夫低通濾波器的通帶是等波紋抖動的，阻帶是平坦的，過渡帶比巴特沃什稍陡；貝賽爾低通濾波器和切比雪夫低通剛好相反，通帶平坦，阻帶是等波紋抖動的；橢圓低通濾波器的通帶和阻帶都是抖動的。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最高10 MHz時能夠最低程度地降低AD9850外部系統(tǒng)時鐘30 MHz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。根據系統(tǒng)要求，輸出信號的頻率可達10 MHz，設定其通帶為10 MHz，且7階濾波具有下降速度更快的過渡帶，可以有效地濾除10 MHz以上的高頻干擾。考慮到實際的橢圓濾波器設計與理論分析是有所不同的，在此使用Multisim 9經行仿真后得出橢圓濾波器的具體參數。橢圓低通濾波器的電路圖如圖5所示。

2 系統(tǒng)軟件設計
    軟件設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軟鍵盤輸入設定頻率和調整步進。一共16個按鍵，不同的按鍵代表著不同的數字和功能，除了正常的10個數字鍵0～9外，為了方便頻率值的輸入，還設計了菜單鍵、刪除鍵、步進一、步進十、確認鍵、輸出鍵等功能鍵。通過輸入0～9數字鍵，輸入設定頻率；按下確認鍵，輸出相應頻率的波形；按下菜單鍵，可根據需要按下1，2，3數字鍵，分別選擇1 Hz，10 Hz，100 Hz三個檔位的頻率步進；按下確認鍵，此后按下步進+、步進一即可對輸出信號進行頻率的步進調整；欲重新設定頻率只需按下刪除鍵，再次輸入預設的頻率即可。
    該系統(tǒng)中單片機與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30 MHz，根據式(1)得：

   
式中：fo為從鍵盤上輸入的頻率值。式(3)計算的結果在不影響精度的情況下舍去小數部分，轉換為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。實際應用中，工作方式選擇位通常設定成00，該系統(tǒng)中AD9850的40位控制字高8位設置為00H。串行接口方式下需滿足的時序關系為：在W_CLK的上升沿，引腳D7上的數據自最低有效位開始逐位串行移人輸入寄存器，40位數據輸入結束后，任何W_CLK上升沿到來，都會造成數據順序移出并導致原來數據無效。此時，FQ_UD端的上升沿將40位數據裝入頻率／相位控制寄存器，更新芯片的輸出頻率和相位，同時把地址指針復位到第一個輸入寄存器，等待下一組新數據的寫入。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，對按鍵值進行查表處理，之后執(zhí)行相應的子程序。輸入的信號相關信息通過運行液晶顯示程序，在LCD上顯示正確的輸入數據和提示字符。在按下確認鍵后，MSP430F149計算出所需信號的數據或控制命令，將其傳送到AD9850，輸出最終信號。

3 系統(tǒng)測試與結果分析
    為了檢驗本系統(tǒng)的實際性能，在完成所有設計后，使用HDSTO22M型示波表對該系統(tǒng)進行實測，經過實驗測試系統(tǒng)達到下列性能指標：輸出信號頻率范圍為1 Hz～10 MHz；步進調整為1 Hz，10 Hz，100 Hz三檔步進；失真度無明顯失真；輸出電壓峰峰值為1～10 V；頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4。

4 結 語
    在此給出一種基于DDS芯片AD9850和MSP430F149單片機的嵌入式信號源設計方法，該信號源可輸出頻率范圍為1 Hz～10 MHz的正弦波和方波，且具有頻率設定1 Hz，10 Hz，100 Hz多檔步進調整和幅度調節(jié)的功能?？梢酝ㄟ^按鍵進行頻率值設定，并有LCD顯示波形的頻率等信息，經實驗測試，在1 Hz～10 MHz頻率范圍內，得到的正弦波方波信號具有頻率穩(wěn)定性好，頻率準確度高及頻率分辨率高等特點。
    該設計的創(chuàng)新點在于：將DDS芯片AD9850與超低功耗的MSP430F149單片機結合，提出了具有較高性價比和集成度、低功耗的嵌入式信號源設計方案；并且AD9850與MSP430F149采用串行連接方式，節(jié)省單片機的I／O資源，便于系統(tǒng)的功能擴展和產品升級。該信號源具有精度高，頻率范圍寬，頻率輸出穩(wěn)定，體積小，功耗低，控制靈活方便的特點，可廣泛應用于日常教學和科研工作中，如果再經過結構優(yōu)化，將具有良好的市場前景。