基于频率合成器的信号发生器设计与测试

汤文 邢志刚

摘 要：本文基于直接數字式频率合成器芯片AD9834设计了简易信号发生器，采用微处理器MSP430F149、液晶模块LCD12864以及按键模块，搭建了人机交互良好的操作界面，并对设计的信号发生器进行了实验验证。结果表明，对于不同频率的正弦波和方波信号，信号发生器均能提供准确地频率输出。

关键词：微处理单元；频率合成器；信号发生器；人机交互

中图分类号：TN741 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）17-0000-00

1 引言

函数信号发生器作为一种能够产生包含方波和正弦波在内多种波形的信号源，随着函数信号发生器应用范围日趋广泛，需要输出的频率和幅值具有一定可调节性[1]。在通信广播系统中需要将载有低频率音频信号调制为高频信号，而在核磁共振成像和超声诊断领域需要应用到不同功率不同频率的信号发生器[2]。函数信号发生器广泛应用在各个领域，研究一套低功耗具有不同信号类型、且频率可变的函数信号发生器具有一定的实用性。

2 总体设计

本文采用数字式频率合成器AD9834、微处理器MSP430F149、以及液晶模块LCD12864进行了函数信号发生器的设计，如图1所示。系统输入信号通过基于液晶显示模块设计的操作菜单界面进行输入，来处理识别判断按键模块的控制指令，驱动直接数字式频率合成器在滤波电路处理后输出期望值，同时为了验证函数信号发生器运行性能，采用示波器对输出信号进行校正测量。

3 硬件设计

数字式频率合成器包含频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分[3]，其结构原理如图2所示。数字式频率合成器输出数字化正弦波，经高速D/A转换和低通滤波才输出可用模拟频率信号。因此，选用具有片内D/A转换器以及片内集成调频和调相等调制功能的芯片AD9834。

数字式频率合成器输出波形频率 为：

其中： 为参考频率， 为频率控制字， 为相位累加器的位数。芯片AD9834最高时钟频率为75MHz，相位累加器位数为28位。当使用25MHz时钟输入时，可以提供分辨率为0.093 Hz的输出信号，选用不同的输入时钟，可以提供更加高的分辨率 ：

当输出制定频率时需要配置计算相位累加器，通过计算得到的频率控制字输入到低位频率寄存器0x50C7和高位频率寄存器0x4000，结合控制时序可以输出期望频率。当输出得到400Hz正弦波信号，芯片时钟频率是25MHz时可得：

数字式频率合成器AD9834采用SPI串行接口与外围控制器连接，减少系统的引脚数。但在数字地与模拟地连接处理时，在原理图和PCB设计过程中需要将两者分开，用一个零欧姆的电阻短接，即可解除二者的干扰。

微处理器MSP430F149是Texas Instrument公司生产的一款高性能16位混合信号微处理器，具有运算速度快、集成程度高等优点[4]。当采用芯片电源电压降压技术及灵活可控制的运行时钟，微处理器提供多种低功耗模式，如供电电压1.8～3.6V，当其工作于模式LMP5时，工作电流仅为0.1uA。同时片上具有多达48路I/O口，且每路I/O均可独立编程配置成普通I/O模式或第二功能模式。以Flash型器件为主，片内集成JTAG调试接口，可实现程序在线调试，在方便开发过程同时减少开发周期和难度。

按键模块主要采用按键来选择输出波形类型和进行频率设置，其功能定义如表1所示。本文采用液晶显示模块LCD12864进行菜单显示，并与外部CPU接口采用并行接口，进行图形和点阵汉子的显示。通过使能端口使能器件，两个读写操作接口用于控制读写信息的写入读取，8个并行口用于传输数据信息。

本文设计了一种简易函数信号发生器，采用微处理器处理从按键输入的信号，驱动液晶模块LCD模块输出交互信息。基于微处理器高速的运算速度，可实时处理按键菜单的输入信息，快速刷新LCD显示模块，通过串行SPI接口与数字式频率合成器进行信号输出。为兼顾系统的供电，系统上集成LM1117MP-3.3电压转换模块，将5V电压转换成为3.3V电压。

4 系统测试

函数信号发生器在系统商店复位后，完成各模块初始化，在信号进入等待过程中扫描与按键菜单结构，确定是否有输入的控制信号。同时微处理器根据输入信号类型触发对应的动作，完成指定波形和频率信号的输出，如图3所示。

为了验证函数信号发生器的精度以及可靠性，选定输入信号类型为正弦波和方波，其频率为1000Hz，100Hz以及10Hz可调，使用示波器测量相应波形的输出频率和幅值，测试结果如图4和表2所示。实验结果表明，对于10Hz、100Hz和1000Hz的正弦波信号其误差分别为0.9%、0.2%和0，而10Hz、100Hz和1000Hz的方波信号其误差分别为0.8%、0.2%和3.1%，所设计的函数信号发生器均能得到精度可接受的正弦波信号和方波信号。

5 结语

本文设计了一种基于直接数字式频率合成器芯片的简易函数信号发生器，选用超低功耗微处理器进行控制，设计具有良好的人机交互界面，函数信号发生器能够输出频率可调、输出信号类型可调的正弦波及方波形。通过采用示波器对输出信号的测试，实验表明所设计的简易信号发生器具有较高的精确度。

参考文献

[1] 李季.信号发生器发展浅析（上）[J].电子产品世界，2002，（19）：65-66.

[2] 徐伟，周杏鹏.基于AD9834的高性价比信号发生器设计[J].仪器仪表与分析监测，2008，（1）：6-8.

[3] 庄海军.数字函数信号发生器的设计与实现[D].江南大学，2008.

[4] 沈建华，杨艳琴，翟骁曙.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用[M].清华大学出版社，2004.

收稿日期：2018-06-08

作者简介：汤文（1981—），男，四川资中人，本科，毕业于四川师范大学，工程师，研究方向：机械电子及自动控制、智能化。

Design and Testing of Signal Generator Based on Frequency Synthesizer

TANG Wen， XING Zhi-gang

（Jiangsu Wenguang Vehicle Accessories Company Limited， Zhenjiang Jiangsu 212325）

Abstract： This paper designed a simple signal generator based on the direct digital frequency synthesizer chip AD9834. An operational man-machine interface is built using microprocessor MSP430F149， liquid crystal module LCD12864 and button module. The experimental signal generator was verified， which indicated that the designed signal generator can provide accurate frequency output for different frequencies sine and square wave signals.

Key words： micro-processing unit； frequency synthesizer； signal generator； human-computer interaction