1、1 华中科技大学电子与信息工程系 2011 年 TI 杯电子设计大赛项目总结报告 题 目 ： MSP430 控制的基于 DDS 的波形发生器设计 组 长 ：何永天（提高 0801 班 U200814111） 组 员： 李恋阳（提高 0801 班 U200812892） 袁 园（提高 0802 班 U200813900） 杨春风（电信 0804 班 U200812791） 吴文彬（电信 0806 班 U200812863） 指导老师：陈林 日 期： 2011.7.8 2 目 录 1 设计目标 . 4 1.1 基本功能 . 4 1.2 扩展功能 . 4 2 团队组成 . 5 3 系统设计方案 .
2、5 3.1 几种初步方案 . 5 3.1.1 方案一 . 5 3.1.2 方案二 . 6 3.1.3 方案的比较 . 6 3.2 器件选型 . 7 3.2.1 单片机 . 7 3.2.2 数模转换 DAC . 7 3.2.3 压控增益放大器 . 7 3.2.4 运算放大器 . 8 4 系统硬件设计与实现 . 8 4.1 系统框图 . 8 4.2 系统电路图 . 9 4.3 器件清单 . 9 4.4 模块分析 . 10 4.4.1 DDS. 10 4.4.2 幅度控制 . 11 4.4.3 放大稳压 . 13 4.4.4 自选波形 . 14 4.4.5 键盘 . 14 4.4.6 LCD 显示
3、. 15 5 系统软件设计与实现 . 16 5.1 总体设计框图 . 16 5.2 初始化 . 17 5.3 DDS . 18 5.4 LCD 显示 . 19 5.5 DAC . 21 5.6 键盘 . 22 6 系统测试与结果 . 26 6.1 总体方案选择 . 26 6.1.1 原方案 . 26 6.1.2 遇到的障碍： . 27 6.1.3 改进方案： . 27 6.2 硬件电路测试 . 27 6.2.1 VCA810 压控放大器 . 27 6.2.2 OPA1632. 28 6.2.3 级联 . 28 6.2.4 关于换备选方案 . 28 3 6.3 系统联调结果 . 28 6.3.1
4、 三角波、正弦波、方波测试结果 . 28 6.3.2 扩展波形的测试结果 . 32 6.3.3 扩展扫频功能的测试结果 . 33 7 结束语 . 33 7.1 目标完成情况 . 33 7.2 感想 . 33 8 参考文献 . 34 9 附录 . 34 9.1 电路图 . 34 9.2 源码清单 . 35 4 1. 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设备上显示产生波形的类型与参数。 1.1 基本功能 具有产生正弦波、方波、三角波三种周期性波形的功能； 输出波形的频率
5、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。 输出波形幅度范围 0-5V（峰峰值），可按步进 0.1V（峰峰值）调整。 由外界按键输入选择产生波形的种类、频率与峰峰值； 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 输出波形频率范围扩展至 100Hz-200KHz。 用键盘或其它输入装置产生任意波形。 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）。 可产生单次或多次（ 1000 次以下）特定波形（如产生 1 个半周期三角波输出）。 具有掉电存储功能，可存储掉电前用户
6、编辑的波形和设置。 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）。 5 2 团队组成 袁 园 - - 硬 件 部 分吴 文 彬 - - 软 件 部 分杨 春 风 - - 硬 件 部 分李 恋 阳 - - 软 硬 件何 永 天 （ 组 长 ） 软 件 部 分我们的工作分为以下模块（详细分工在个人报告中叙述） 前期：收集资料、 方案设计 、 器件选型 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 软件部分： LCD 模块、 键盘扫描模块 、 DDS 模块 、调频、扫频、 模块间
7、接口设计与实现 、 自选波形 模块 （ DA 部分） 、软件联调 后期：硬件 级联调试 、软件联调报告书写、文档排版、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。 6 3.1.2 方案二 用 DDS（直接数字合成 Direc
8、t 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 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。 M S P 4 3 0 F 5 4 3 8 D D S放 大L C D 显 示D A 放 大 稳 幅P C 机 J T A GF r e q 控 制 字F r e q 控 制 字自 选 波 形自 选 波 形稳 幅按 键 控 制示 波
9、 器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 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
10、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。 7 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 DAC5571。 自带的 DAC5571 优点：使用较简单（因为有完整的 test 代码和文档
11、，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） 外接 DAC0832 优点：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；缺点：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 DA 3.2.3 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 产生控制电压改
12、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8 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： OPA1632：增益带宽积： 180MHZ； 输出驱动电流： 150mA OPA551：带宽： 3MHZ；，增益带宽积： 3MHZ； 输出驱动电流： 200mA OPA552：带宽： 12MHZ，增益带宽积： 3MHZ； 输出驱动电流： 200mA NE55
13、32：小信号带宽： 10MHZ， 输出驱动电流： 60mA THS4031：增益带宽积： 100MHZ， 输出驱动电流： 90mA THS4521：带宽： 145MHZ， 输出驱动电流： 100mA uA741：增益带宽积： 1MHZ， 输出驱动电流： 25mA 综合考虑， opa1632 各项性能比其他芯片要好很多，因此决定选用 opa1632 4 系统硬件设计与实现 4.1 系统框图 4 x 4 按 键 控 制示 波 器 显 示A D 9 8 3 3T F T 液 晶 显 示D AP C 机 J T A GF r e q 控 制 字F r e q 控 制 字自 选 波 形自 选 波 形M
14、S P 4 3 0 F 5 4 3 8V C A 8 1 0O P A 1 6 3 2放 大 器幅 度 控 制 字O P A 1 6 3 2 电压 跟 随 器由 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，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
15、 AD9833 进行相应的改变。 9 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 msp430f5438 开发板 （ 1 个） VCA810 压控增益放大器（ 1 个） 10 OPA1632 放大器（ 3 个） AD9833（ 1 个） UA741 放大器（ 1 个） 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，易于调节。其频率寄
16、存器为 28 位，主频时钟为 25 MHz 时，其精度为 0 1 Hz；主频时钟为 l MHz 时精度可达 0 004 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 D A 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 FREQlRE
17、G 的值给定，其范围为 228 fMCLK为参考时钟频率。 2) 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、 MI CROWIRE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 相 位 累 加 器( N 位 )波 形 存 储 器（ N 位 ）D / A转 换 器低 通滤 波 器f s f s频 率控 制 字 K
