基于DDS芯片AD5930信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 頡，崔華義，于金花，常 哲，呂九紅，張 爽，高 超，李 琦

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

基于DDS芯片AD5930信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 頡，崔華義，于金花，常 哲，呂九紅，張 爽，高 超，李 琦

（國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

提出一種以直接數(shù)字合成（DDS－Direct Digital Synthesis）技術(shù)為基礎(chǔ)的信號發(fā)生器的設(shè)計(jì)。采用單片機(jī)MSP430F149控制DDS芯片AD5930產(chǎn)生信號頻率范圍可調(diào)的正弦信號，同時(shí)通過16位DA芯片AD5662實(shí)現(xiàn)信號幅度調(diào)節(jié)。該信號發(fā)生器控制方便靈活，電路結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)具備低功耗和低成本的特點(diǎn)，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

信號發(fā)生器；DDS；AD5930；MSP430F149；幅度調(diào)節(jié)

信號發(fā)射器是產(chǎn)生波形信號的重要設(shè)備，也是海洋聲學(xué)儀器設(shè)備的重要組成部分，它能夠按照要求輸出各種波形信號和采集相關(guān)測量傳感器的數(shù)據(jù)，用于海洋聲學(xué)觀測和目標(biāo)探測。市場上成型的信號發(fā)生器，產(chǎn)生信號形式豐富，但體積較大，難以直接用于海洋儀器，研發(fā)基于DDS芯片的信號發(fā)生器是海洋聲學(xué)儀器設(shè)備的重要過程之一。

研發(fā)的用于海洋聲學(xué)儀器設(shè)備的信號發(fā)生器應(yīng)具有信號長度、幅度、頻率范圍可調(diào)節(jié)功能，并具有繼電器/空氣開關(guān)輸出控制功能。

1 信號發(fā)生器的硬件設(shè)計(jì)

1.1 信號發(fā)生器的硬件電路

信號發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，信號發(fā)生器主要由信號產(chǎn)生電路、幅度調(diào)節(jié)電路、控制電路、數(shù)據(jù)存儲電路、開關(guān)控制電路、電源電路、電源控制電路、串口分配電路、電子羅盤和壓力傳感器等組成。

可編程掃頻和輸出觸發(fā)脈沖波形發(fā)生器AD5930的芯片工作電壓范圍是-0.3～6 V，本電路選用3.3 V模擬和3.3 V數(shù)字電源來供電；參考電壓引腳可以設(shè)置為輸入引腳，最大輸入的參考電壓為1.3 V，本設(shè)計(jì)采用的是芯片內(nèi)部參考電壓1.18 V。

數(shù)字頻率合成芯片為20引腳封裝，包括控制輸入(FSYNC)、中斷(INTERRUPT)、下電(STANDBY)、數(shù)字輸入(CTRL)、串行時(shí)鐘(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸入(SDATA)和數(shù)字時(shí)鐘(MCLK)等控制引腳。設(shè)計(jì)采用單片機(jī)來負(fù)責(zé)芯片的工作模式設(shè)定，并將頻率控制字在串行輸入芯片。AD5930與單片機(jī)的連接如圖1所示。

圖1 信號發(fā)生器硬件結(jié)構(gòu)框圖

通過滿量程調(diào)整控制引腳(FSADJUST)來調(diào)整輸出電流的大小，F(xiàn)SADJUST引腳外接電阻RSET與輸出電流的關(guān)系如公式(4)所示?？梢酝ㄟ^調(diào)整電阻來控制輸出電壓在后級輸入電壓范圍內(nèi)[1]。

在本設(shè)計(jì)中，F(xiàn)SADJUST連接到AD5662的電壓輸出Vout，則滿量程電流為：

單片機(jī)通過改變AD5662的Vout將改變滿量程電流，從而改變DDS器件的電壓輸出。

采用2線的串行EEPROM AT24C512作為數(shù)據(jù)存儲器，存儲容量512K (65,536×8)bits，AT24C512的串行時(shí)鐘(CLK)和串行數(shù)據(jù)輸入(DATA)引腳與單片機(jī)的I/O端口連接，由單片機(jī)控制完成AT24C512的讀寫操作。

MSP430F149有兩個(gè)串口，串口1通過調(diào)制解調(diào)器與上位機(jī)連接；串口0通過CD4052擴(kuò)展為4路串口，可分時(shí)采集4路傳感器。本設(shè)計(jì)接入壓力傳感器和電子羅盤，并預(yù)留兩路傳感器接口，方便擴(kuò)展。

壓力傳感器為MPM4700型智能液位變送器，采用RS485接口；電子羅盤為TCM2.5，采用RS232接口；傳感器的供電電壓為5 V，傳感器電源由單片機(jī)控制，不使用時(shí)關(guān)閉，降低系統(tǒng)功耗；單片機(jī)分時(shí)采集存儲傳感器數(shù)據(jù)，獲得拖曳體深度和姿態(tài)數(shù)據(jù)，并定時(shí)將測量數(shù)據(jù)傳送到上位機(jī)。

1.2 直接數(shù)字合成芯片AD5930

直接數(shù)字頻率合成(DDS)是一種新的頻率合成技術(shù)，由于其應(yīng)用在數(shù)字領(lǐng)域優(yōu)點(diǎn)突出，所以近些年發(fā)展迅猛，并且已經(jīng)成為信號源主流。如圖2所示，DDS主要由頻率控制字寄存器、相位累加器、相位幅度轉(zhuǎn)換查找表、D/A轉(zhuǎn)換器及低通濾波器(LPF)構(gòu)成[2]。

圖2 DDS的基本原理框圖

頻率控制字和CLK為DDS的關(guān)鍵輸入量。當(dāng)DDS開始工作時(shí)，每來一個(gè)時(shí)鐘，相位累加器就完成一次累加，并把累加結(jié)果保存在相位寄存器中，同時(shí)輸出給相位幅度轉(zhuǎn)換查找表。相位幅度轉(zhuǎn)換查找表的任務(wù)是把輸入的相位按照查找表方式計(jì)算出它的幅度，然后再由D/A轉(zhuǎn)換器完成數(shù)模轉(zhuǎn)換，在輸出端可以得到一個(gè)連續(xù)的模擬信號。

CLK的頻率為fc，頻率控制字的值M決定輸出的頻率fout：

相位寄存器的位數(shù)N越高，輸出頻率的分辨率就越高，當(dāng)M的位數(shù)為N時(shí)，DDS的頻率分辨率Δf為：

使用DDS可以很方便地產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等多種簡單信號和調(diào)頻、調(diào)相等調(diào)制信號。DDS相對于傳統(tǒng)信號源具有信噪比高、穩(wěn)定度好、功耗低、使用靈活、控制模式多以及可擴(kuò)展性好等優(yōu)點(diǎn)。DDS的輸出信號改變方便，并且跳頻速率特別快。

本方案設(shè)計(jì)所選芯片是AD公司的AD5930。AD5930是可編程掃頻和輸出觸發(fā)脈沖波形發(fā)生器。該芯片區(qū)別于其他系列產(chǎn)品的特點(diǎn)是專門為掃頻設(shè)計(jì)的，它不需要其他輔助器件就可以完成可編程掃頻。AD5930功耗較低，適合便攜設(shè)備使用。這款器件采用支持增強(qiáng)型頻率控制的嵌入式數(shù)字處理技術(shù)，能夠生成合成的模擬或數(shù)字頻率步進(jìn)波形；采用預(yù)先編程的頻率配置文件可以避免連續(xù)的寫周期，從而釋放了重要的DSP/微控制器資源；波形從已知相位開始，并可以連續(xù)地增加相位，因此能夠輕松的確定相移。

AD5930可以產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出，并且有3種工作模式，控制靈活。對器件進(jìn)行編程時(shí)，用戶需要輸入起始頻率、頻率步進(jìn)、增量數(shù)量，以及器件在各頻率點(diǎn)停留的時(shí)間間隔。頻率配置文件可通過切換CTRL引腳來啟動。該器件提供多種不同的掃描方式。頻率以三角掃描模式步進(jìn)來連續(xù)上下掃描整個(gè)頻率范圍，或以鋸形掃描模式向上掃描，但再次發(fā)起掃描之前會返回到初始頻率。此外，無需執(zhí)行任何掃描，也可產(chǎn)生單個(gè)頻率或突發(fā)。

AD5930通過三線式串行接口寫入數(shù)據(jù)，能夠在高達(dá)40 MHz的時(shí)鐘速率下工作。器件采用2.3～ 5.5 V電源供電，工作電流僅為8 mA，AD5930為波形發(fā)生器提供了方便的低功耗解決方案。并具有待機(jī)功能，能夠關(guān)斷器件中沒有使用的部分，關(guān)斷模式功耗僅為20 μA[2]。1.3 MSP430F149

圖3 AD5930功能結(jié)構(gòu)圖

選用MSP430F149單片機(jī)作為CPU。

MSP430Flx系列單片機(jī)功耗極低，在1 MHz時(shí)鐘條件下，工作電流根據(jù)工作模式不同分別為0.1～400 μA，工作電壓為1.8～3.6 V；并具有6種工作模式，分別為正常工作模式以及5種低功耗模式[3-4]。MSP430F149芯片有豐富的片上外圍模塊，從P1到P6共有48個(gè)I/O端口[4]。

1.4 DA芯片AD5662

AD5662是一款低功耗、單通道、16位、緩沖電壓輸出DAC，掉電模式的功耗200 nA（3 V）。圖4是AD5662的結(jié)構(gòu)圖[5]。

圖4 AD5662的結(jié)構(gòu)圖

DAC的輸入編碼為直接二進(jìn)制，理想輸出電壓為：

式中：D是載入DAC寄存器的二進(jìn)制編碼的十進(jìn)制等效值。

AD5662的3線串行接口(SYNC、SCLK和DIN)與MSP430F149的I/O接口連接。AD5662的電壓輸出Vout與AD5930的FSADJUST引腳連接，調(diào)節(jié)AD5930的輸出信號幅度。

2 信號發(fā)生器的軟件設(shè)計(jì)

信號發(fā)生器根據(jù)上位機(jī)設(shè)置的參數(shù)，首先通過I2C總線設(shè)置AD5662的輸出電壓，然后設(shè)置DDS芯片AD5930的寄存器，最后通過其輸出端口輸出。

2.1 系統(tǒng)程序框圖

系統(tǒng)程序框圖如圖5所示，信號發(fā)生器按照上位機(jī)指令進(jìn)行相應(yīng)的操作，同時(shí)定時(shí)采集存儲傳感器數(shù)據(jù)，并上傳到上位機(jī)。為及時(shí)響應(yīng)上位機(jī)的命令，串口1采用中斷模式工作。

圖5 系統(tǒng)程序框圖

上位機(jī)控制軟件可以設(shè)置發(fā)射信號脈沖長度、脈沖幅度、脈沖個(gè)數(shù)、脈沖間隔、脈沖組間隔，信號發(fā)生器存儲參數(shù)并按照該參數(shù)輸出脈沖信號。

2.2 DDS信號輸出

2.2.1 AD5930的寄存器 單片機(jī)通過控制AD5930的控制寄存器、起始頻率寄存器、頻率增量寄存器和跳頻數(shù)量寄存器實(shí)現(xiàn)不同信號的輸出。AD5930的寄存器地址如表1[2]。

2.2.2 AD5930的工作模式選擇 AD5930的使能和控制掃頻模式靈活，分為3種：即自動(頻率)增量，自動觸發(fā)脈沖控制；外部增量，自動觸發(fā)控制。外部增量，外部觸發(fā)脈沖控制。

2.2.3 AD5930的寫控制字時(shí)序 AD5930的控制引腳分為串行時(shí)鐘輸入(SCLK)、串行數(shù)據(jù)輸入(SDATA)、幀同步信號(FSYNC)、數(shù)字輸入信號(CTRL)和數(shù)字時(shí)鐘信號(MCLK)。其中FSYNC為幀同步和使能信號，F(xiàn)SYNC置0后，串行時(shí)鐘在SCLK的下降沿輸入到移位寄存器中，16個(gè)SCLK的下降沿后FSYNC置l；或者有多個(gè)16位字寫入，F(xiàn)SYNC可以一直置0，直到最后一個(gè)字寫完再拉高，本設(shè)計(jì)采用后一種方法。圖6為AD5930控制時(shí)序[2]。

表1 AD5930的寄存器地址

圖6 AD5930控制時(shí)序

2.3 DA芯片AD5662

AD5662的3線串行接口(SYNC、SCLK和DIN)與單片機(jī)I/O口連接，典型寫序列的時(shí)序圖參見圖7,圖7為AD5662串行寫入操作[6]。

圖7 AD5662串行寫入操作

寫序列通過將SYNC置為低電平來啟動。來自DIN的數(shù)據(jù)在SCLK的下降沿進(jìn)入AD5662的24位移位寄存器。

AD5662具有4種獨(dú)立的工作模式，在不使用時(shí)可以將芯片設(shè)置為掉電模式，也節(jié)省電源。這些模式可通過軟件編程，設(shè)置控制寄存器中的兩位進(jìn)行選擇。表2列出了這些位的狀態(tài)與器件工作模式的對應(yīng)關(guān)系。

表2 AD5662工作模式

3 信號發(fā)生器的測試結(jié)果

信號發(fā)生器按照上位機(jī)軟件的命令，設(shè)置AD5930的寄存器，實(shí)現(xiàn)信號輸出。圖8為上位機(jī)控制軟件，圖9為信號發(fā)生器輸出波形。

圖8 上位機(jī)控制軟件

圖9 信號發(fā)生器輸出波形

4 總結(jié)

本文介紹了一種基于DDS技術(shù)的動態(tài)信號發(fā)生器，DDS芯片選用AD公司的AD5930，控制芯片為單片機(jī)MSP430F149，通過AD5662實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)節(jié)。該信號發(fā)生器控制方便，電路結(jié)構(gòu)簡單，同時(shí)具有低功耗、可靠性強(qiáng)以及成本較低等特點(diǎn)，具有較高的應(yīng)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。

在輸出頻率不是很高時(shí)，可以適當(dāng)降低DDS芯片的工作頻率，改用頻率較低的晶振，這樣不但可以降低系統(tǒng)功耗，還可以減少電磁輻射。

在輸出幅度精度要求不高的場合，可以選用帶DA輸出的單片機(jī)，例如可選用MSP430F1611，器件本身帶兩路12位DA輸出，這樣可以省去DA芯片AD5662，降低電路的復(fù)雜程度。

[1]AnalogDevices．用于AD9834波形發(fā)生器(DDS)的幅度控制電路［EB/OL］.2015.http://www.analog.com/zh/index.html.

[2]AnalogDevices．Programmable FrequencySweep and Output Burst WaveformGenerator AD5930［EB/OL］．2015.http://www.analog. com/zh/index.html.

[3]TI.MSP430x13x,MSP430x14x,MSP430x14x1MixedSignalMicrocontroller［DB/OL］.2015.http://www.ti.com.cn/product/cn/msp430f149.

[4]沈建華，楊艷琴.MSP430超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2013

[5]AnalogDevices.AD5620_5640_5660_CN.pdf［EB/OL］.2015.http://www.analog.com/zh/index.html.

[6]AnalogDevices.DDS_Faq_cn.pdf（DDS常見問題解答）［EB/OL］.2015.http://www.analog.com/zh/index.html.

Design and Implementation of the Signal Generator Based on the DDS Chip AD5930

LIU Jie,CUI Hua-yi,YU Jin-hua,CHANG Zhe,LV Jiu-hong,ZHANG Shuang,GAO Chao,LI Qi
National Ocean Technology Center,Tianjin 300112,China

A design of signal generator is proposed based on the Direct Digital Synthesis (DDS)technique.The adjustable frequency and range of the Sinusoidal signals are generated by a DDS chip AD5930,which is controlled by the single chip MSP430F149.Meanwhile,amplitude adjustment is realized through the 16 digits DA chip.This signal generator with simple circuit structure can be controlled conveniently and flexibly.It also has the advantages of low power consumption and low costs,which will be very useful in practical usage and have a broad prospect of application.

signal generator;DDS;AD5930;MSP430F149;amplitude adjustment

TP212.9

A

1003-2029（2017）03-0068-05

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.03.013

2015-08-31

劉頡（1968-），男，高級工程師，主要從事海洋環(huán)境觀測方面研究。E-mail：Liu1968Jie@sina.com