标签: msp430f149

　　 引 言 　　信号源是现代电子系统的重要组成部分，在通信、测控、导航、雷达、医疗等领域有着广泛的应用，而且信号源作为现代电子产品设计和生产中的重要工具，必须满足高精度、高速度、高分辨率、频率可调等要求。 　　该设计采用直接数字频率合成(DDS)技术，使用DDS芯片AD9850与超低功耗的MSP430F149单片机配合，可输出精确控制的正弦波和方波信号。在控制流程中，通过4x 4矩阵键盘设定频率值，MSP430为AD9850计算频率控制字，并且将频率控制字通过串行方式写入其中，结合键盘上步进调节增量“1 Hz”，“10 Hz”，“100 Hz”键，使得频率可以精确到步长为1 Hz的调节；产生正弦波时，经过低通滤波器滤除信号的高频分量，通过增益可调的宽带放大器放大输出所需信号。如果接到AD9850内部的高速比较器上，即可直接输出一个抖动很小的方波，系统通过字符型液晶屏1602显示设定频率和其他信息。实验结果显示，输出信号频率范围在1 Hz～10 MHz，且无明显失真；输出信号频率实现1 Hz，10 Hz，100 Hz三级步进调节，频率精度0.01 Hz，频率转换速度1 ms，输出幅度范围1～10 V。 　　该设计的创新点在于：将DDS芯片AD9850与超低功耗的MSP430F149单片机结合，提出了具有较高性价比和集成度、低功耗的嵌入式信号源设计方案；并且AD9850与MSP430F149采用串行连接方式，节省单片机的I/O资源，便于系统的功能扩展和产品升级。该信号源具有精度高，频率范围宽，频率输出稳定，体积小，功耗低，控制灵活方便的特点，可广泛应用于日常教学和科研工作中，如果再经过结构优化，将具有良好的市场前景。 　　 1 系统设计 　　1.1 DDS技术原理与结构 　　DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，具有频率分辨率高，稳定性好，可灵活产生多种信号的优点。一个DDS信号发生器由相位累加器、波形数ROM表、D/A转换器以及模拟低通滤波器LPF组成，原理框图如图1所示。DDS技术的核心是相位累加器。相位累加器在稳定时钟信号的控制下产生读取数据的地址值，随后通过查表变换，地址值被转化为信号波形的数字幅度序列，再由数/模变换器(D/A)将代表波形幅度的数字序列转化为模拟电压；最后经由低通滤波器将D/A输出的阶梯状波形平滑为所需的连续波形。DDS信号发生器通过改变相位增量寄存器的值△phase(每个时钟周期的度数)来改变输出频率。每当N位全加器的输出锁存器接收到一个时钟脉冲时，锁存在相位增量寄存器中的频率控制字就与N位全加器的输出相加。在相位累加器的输出被锁存后，它就作为波形存储器的一个寻址地址，该地址对应波形存储器中的内容就是一个波形合成点的幅度值，然后经D/A转换变成模拟值输出。当下一个时钟到来时，相位累加器的输出又加一次频率控制字，使波形存储器的地址处于所合成波形的下一个幅值点上。最终，相位累加器检索到足够的点就构成了整个波形。合成信号的波形取决于ROM表中的幅度序列，通过修改数据可以产生任意波形，如果要产生多种波形，只需把所需的多种波形数据存放到波形ROM表中。 　　DDS系统输出正弦波的频率计算公式为： 　　式中：fo为输出正弦波的频率；fo为系统的时钟频率；FSW为频率控制字；N为相位累加器的字长，频率控制字与输出频率成正比。由取样定理，所产生的信号频率能超过时钟频率的50 %，在实际应用中，为了保证信号的输出质量，输出频率不要高于时钟频率的33 %，以避免混叠或谐波落入有用输出频带内。 　　DDS的频率分辨率定义为： 　　由于基准时钟的频率一般固定，因此相位累加器的位数决定了频率分辨率；位数越多，分辨率越高。 　　该信号源采用DDS专用芯片AD9850产生正弦信号。AD9850采用CMOS工艺，其功耗在3.3 V供电时为155 mW，扩展工业级温度范围为-40～+80℃，采用28脚SSOP表面封装形式，AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成。AD9850支持的时钟输入最高为125 MHz，频率控制字的位数为32位。由式(2)可以计算出在125 MHz时钟输入时分辨率为0.021 9 Hz，该设计中选用30 MHz的有源晶振，故其分辨率按式(2)计算得0.006 9 Hz。 　 　1.2 系统总体设计 　　该系统采用MSP430F149对DDS进行控制构成方波正弦波信号源的系统框图如图2所示。 　　该信号源由MSP430F149单片机、DDS芯片AD9850、低通滤波器(LPF)、4×4软键盘、1602液晶显示屏和外部参考时钟源、宽带放大器和稳压电源等组成。其中，低通滤波器是信号源中的关键器件，负责滤除正弦输出信号中的高频、杂散信号和谐波信号；稳压电源的+5 V电压经过电平转换后为MSP430和AD9850提供+3.3 V的电源电压；外部参考时钟源选用30 MHz有源晶振，MSP430F149与AD9850采用串行通信方式连接。 　　 1.3 硬件设计 　　该信号源选用MSP430F149作为核心控制器，为了节省I/O资源，方便系统功能扩展，MSP430与DDS芯片AD9850之间采用串行通信方式，接口电路如图3所示。AD9850与外围元件的硬件连接图如图4所示，AD9851的正弦输出信号端IOUT接至外部的低通滤波器，滤除高频杂散和谐波后，一路信号经过宽大放大器AD811放大后输出需要的正弦信号，另一路再回接到AD9851内部比较器的正向输入端(VINP)以得到方波信号。其中：DGND为数字地；AGND为模拟地；VCC为模拟部分的电源电压；VDD为数字部分的电源电压。D7，FQ_UD，W_CLK，RESET分别接至MSP430的P3.0，P3.1，P3.2，P3.3上。为降低噪声信号对放大器的影响，在低通滤波器与宽带放大器之间接一级高速电压跟随器隔离，AD9850的输出信号峰峰值为1～2 V，为增大AD9850输出信号幅值，采用单位增益带宽为140 MHz，Sr=2 500 V/μs的高速宽频带运放AD811进行信号放大，并且通过调节反馈电阻来改变增益，从而调节输出信号幅度。放大电路的最大放大倍数，可以满足一般的应用需求。 　　 1.4 低通滤波器设计 　　低通滤波器是直接数字频率合成器的重要组成部分，其性能的优劣直接影响整个直接数字合成器的特性。在整个DDS实现过程中，低通滤波器除了滤掉高频信号之外，还有除去杂散的作用。DDS的杂散主要来源以下三个方面： 　　(1)ROM幅度量化误差：相位转化为幅度，是通过寻址ROM实现的，然而ROM地址中存有的波形幅度值字长是有限的，ROM存储能力有限而引起的舍位误差就是幅度量化误差； 　　(2)相位截断误差：为了提高DDS的精度，DDS的相位累加器位数都取得非常大，但ROM的容量是有限的，因此只利用相位累加器的高M位ROM寻址，其低(N-M)位被截断。由此引入的截断误差是DDS杂散的主要来源； 　　(3)DAC的转换误差，即DAC中非线性引起的转换误差：DAC有限的分辨率、非线性特性以及转换过程中出现的尖峰脉冲均会导致频谱质量变坏。因此，低通滤波器的使用是非常必要的，其性能的优劣直接关系到整个DDS的技术指标。 　　低通滤波器可以分为巴特沃什滤波、切比雪夫滤波、贝赛尔滤波和椭圆滤波等。巴特沃什低通滤波器通带和阻带都是平坦的，但是其过渡带太过平缓；切比雪夫低通滤波器的通带是等波纹抖动的，阻带是平坦的，过渡带比巴特沃什稍陡；贝赛尔低通滤波器和切比雪夫低通刚好相反，通带平坦，阻带是等波纹抖动的；椭圆低通滤波器的通带和阻带都是抖动的。但是其过渡带下降迅速，过渡带很窄。在该系统中，为了使输出信号频率最高10 MHz时能够最低程度地降低AD9850外部系统时钟30 MHz的干扰，采用具有较窄过渡带特性的椭圆滤波器，并采用7阶椭圆低通滤波。根据系统要求，输出信号的频率可达10 MHz，设定其通带为10 MHz，且7阶滤波具有下降速度更快的过渡带，可以有效地滤除10 MHz以上的高频干扰。考虑到实际的椭圆滤波器设计与理论分析是有所不同的，在此使用Multisim 9经行仿真后得出椭圆滤波器的具体参数。椭圆低通滤波器的电路图如图5所示。 　　 2 系统软件设计 　　软件设计主要分为菜单操作和频率控制值计算两部分。在系统中通过外接4×4软键盘输入设定频率和调整步进。一共16个按键，不同的按键代表着不同的数字和功能，除了正常的10个数字键0～9外，为了方便频率值的输入，还设计了菜单键、删除键、步进一、步进十、确认键、输出键等功能键。通过输入0～9数字键，输入设定频率；按下确认键，输出相应频率的波形；按下菜单键，可根据需要按下1，2，3数字键，分别选择1 Hz，10 Hz，100 Hz三个档位的频率步进；按下确认键，此后按下步进+、步进一即可对输出信号进行频率的步进调整；欲重新设定频率只需按下删除键，再次输入预设的频率即可。 　　该系统中单片机与AD9850采用串行通信方式连接。其中，频率控制字的计算：AD9850的时钟信号采用30 MHz，根据式(1)得： 　　式中：fo为从键盘上输入的频率值。式(3)计算的结果在不影响精度的情况下舍去小数部分，转换为32位的频率控制字。AD9850有40位控制字，32位用于频率控制，5位用于相位控制，1位用于电源休眠(PowerDown)控制，2位用于选择工作方式。这40位控制字可通过并行方式或串行方式输入到AD9850。实际应用中，工作方式选择位通常设定成00，该系统中AD9850的40位控制字高8位设置为00H。串行接口方式下需满足的时序关系为：在W_CLK的上升沿，引脚D7上的数据自最低有效位开始逐位串行移人输入寄存器，40位数据输入结束后，任何W_CLK上升沿到来，都会造成数据顺序移出并导致原来数据无效。此时，FQ_UD端的上升沿将40位数据装入频率/相位控制寄存器，更新芯片的输出频率和相位，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器，等待下一组新数据的写入。AD9850的控制字串行输入时序图如图6所示。 　　该系统的总程序框图如图7所示，程序开始后，运行初始化程序，包括初始化单片机MSP430F149、初始化AD9850、初始化液晶显示模块1602等。然后扫描键盘状态，检查到有键按下就运行键值处理程序，对按键值进行查表处理，之后执行相应的子程序。输入的信号相关信息通过运行液晶显示程序，在LCD上显示正确的输入数据和提示字符。在按下确认键后，MSP430F149计算出所需信号的数据或控制命令，将其传送到AD9850，输出最终信号。 　　 3 系统测试与结果分析 　　为了检验本系统的实际性能，在完成所有设计后，使用HDSTO22M型示波表对该系统进行实测，经过实验测试系统达到下列性能指标：输出信号频率范围为1 Hz～10 MHz；步进调整为1 Hz，10 Hz，100 Hz三档步进；失真度无明显失真；输出电压峰峰值为1～10 V；频率稳定度优于10-4。 　　 4 结 语 　　在此给出一种基于DDS芯片AD9850和MSP430F149单片机的嵌入式信号源设计方法，该信号源可输出频率范围为1 Hz～10 MHz的正弦波和方波，且具有频率设定1 Hz，10 Hz，100 Hz多档步进调整和幅度调节的功能。可以通过按键进行频率值设定，并有LCD显示波形的频率等信息，经实验测试，在1 Hz～10 MHz频率范围内，得到的正弦波方波信号具有频率稳定性好，频率准确度高及频率分辨率高等特点。

  本系统以双H桥降压电路为核心，以MSP430F149单片机控制PWM信号的发生，单片机根据反馈信号对PWM信号做出调整，进行可靠的闭环控制，从而实现稳压输出。 系统主要由主控制器、锂电池电源、Boost升压模块、双H桥降压模块、键盘及显示模块构成。其中Boost电路将锂电池提供的12V升压为24V，为双H桥提供电源。主控制器根据输出端采集的反馈信号调整输出的PWM信号，以控制双H桥的输出达到设定的电压。 通过测试，系统能够正常工作，输出电压3～20V，产生的绝对误差均在0~0.1V范围内，能够达到较高精度。 关键词:  数控电源DC-DC  MSP430F149 双H桥 1.  引言 在实验室中，我们会用到各种不同电压大小的电源，如较为常见的5V、12V、3.3V电源。这些电源在实验室中我们用一些“直流稳压电源”（如江苏扬中华高仪器设备有限公司生产的HG63303直流稳压电源）就可容易得到，但当我们在实验室外，假设我们无法利用220V的交流电，或者很难携带一个体积稍大的“直流稳压电源”，因此我们也就很难利用这些“直流稳压电源”来产生我们所需要的电压，而因为一些可充电电池（如大容量锂离子可充电池）的体积比较小，我们比较容易携带，所以我们可以利用可充电电池来提供我们所需要的各种电压大小的电源。 本系统设计的目的是充分利用可充电池的便携性，通过设计一定的硬件电路，从而利用其为我们提供电压大小在3～20V的电源。 在设计过程中，有待解决的问题主要是： ① 如何让输出12V的锂电池提供3~20V的电源，即如何设计既能实现升压也能实现降压的硬件电路； ② 如何让硬件电路工作在稳定的状态； ③ 如何实现人机交互，即我们通过键盘输入所需电压大小，系统即输出该大小的电压。 2. 系统方案  系统方案的总体框图如下： 下面详细说明以上框图各部分： ① Boost升压模块：为双H桥降压模块提供电压，且需该电压大于20V（考虑到我们预想输出的电压最大为20V），因此，同时为便于程序设计，将锂电池输出的12V升压为24V； ② 双H桥降压模块：受主控制器MSP430F149控制，输出键盘设定输出的电压； ③ 输出滤波：减小输出电压的纹波； ④ 负载：一个反馈输出电压回主控制器的电阻； ⑤ 键盘：设定系统输出电压； ⑥ 显示模块：显示设定电压，为LCD1602； ⑦ 主控制器MSP430F149：接受键盘输入、控制显示电路、控制降压模块并采样反馈回来的信号。 PS：因为我们所利用的可充电池有限流作用，因此我们并没有设计限流保护电路。 下面介绍系统工作流程： 第一步：升压模块将锂电池输出的12V升压为24V； 第二步：通过键盘设定输出电压，并将设定值显示在LCD1602上； 第三步：主控制器输出PWM去控制双H桥降压模块输出； 第四步：降压模块输出电压并经滤波，最后经负载反馈电压信号回主控制器； 第五步：主控制器采样反馈信号并将其与设定的电压值相比较，当反馈电压值在设定电压值±0.1V范围内时，主控制器输出占空比恒定的PWM；否则，主控制器输出的PWM的占空比自动加1%或减1%，并重复第三步。 3. 系统硬件设计 系统硬件主要构成部分见下框图： 下面将详细说明以上框图中各部分电路： ① 主控制器MSP430F149电路 这部分电路我们直接利用了MSP430开发板。 ② 主控制器MSP430F149供电电路 这部分的电路是为MSP430F149提供其能正常工作的电压3.3V，由两部分组成： 其中5V电源是为3.3V电源提供输入电压。 A．5V电源 之所以选用5V电源，原因主要是：第一，5V电源较为常用，在用于此系统外还可作其他用途；第二，5V电源电路易为搭建，有丰富的资料可以参考。实际电路如下： 图1. 5V电源 电路中使用7805稳压芯片，使电路稳定且简化。 B．3.3V电源 3.3V电源的搭建主要是利用了稳压芯片ET1117来搭建。具体的电路图（芯片的参考手册）如下： 图2. 3.3V电源 ③ Boost升压模块 这部分电路我们直接利用了现成的Boost升压模块。 ④ 双H桥降压模块 这部分电路我们直接利用了现在的双H桥降压模块。 ⑤ 反馈电路 反馈电路我们利用电阻分压来反馈信号回主控制器。如下图3所示： 图3. 反馈电路 图中，OUT表示系统输出电压，P6.0表示主控制器MSP430F149的一个引脚。反馈电压从P6.0反馈回主控制器。因为系统的最大输出为24V（升压模块将锂电池输出的12V升压为24V，因此双H桥降压模块所能输出的最大电压即为24V），大于MSP430F149的工作电压，因此我们需要将输出电压按比例反馈回主控制器。根据电阻分压，我们可得得到： 求解得： 我们根据实际情况，选择 。 ⑥ 键盘接入和显示模块 A. 键盘接入电路如下： 图4. 键盘接入电路 其中P1.0所接的按钮改变设定电压值的步长为1V，P1.1的为0.1V。 B. 显示模块：LCD1602接在MSP430开发板上。 4. 系统软件设计 算法设计： 1. 初始化： 1）关闭看门狗，晶振启震 2）充分利用MSP430F149的定时器A能自动生成PWM波形输出，通过修改CCR1的值设置占空比，通过CCR0的值设置PWM周期。 3）初始化ADC，利用MSP430自身的12bitADC采集输入反馈。 4）以及初始化按键的开中断以及初始化1602等。 运行： 1）让MSP430通过P60采集输出端的电压反馈，通过P22智能输出PWM控制信号调节输出端电压，当电压过大则降低PWM的占空比，当电压过小时则增加PWM的占空比，使输出电压达到设定值。 2）设定值可以通过独立按键调节，独立键盘通过中断触发。 3）通过LCD1602显示设定电压以及PWM占空比. 4）利用调试时运用MATLAB计算出的拟合曲线（输出值与设置值的2次曲线方程），将设置的电压代入方程再与反馈电压比较，从而达到微调输出电压，使输出结果更加准确。 2. 算法流程图：   ① 输出电压与设定电压的关系 图5. 输出电压——设定电压关系 由上图可以看出，输出电压与设定电压基本保持一致，故该系统能达到较高的精度。