【導(dǎo)讀】華中科技大學(xué)電子與信息工程系。2021年TI杯電子設(shè)計(jì)大賽項(xiàng)目總結(jié)報(bào)告。題目：MSP430控制的基于DDS的波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

　　

【正文】 (Vpp0)Vpp。 DrawVpp()。 DrawVpp()。 voltage=v1[Vpp]。 voltage=v1[Vpp]。 Draw(voltage)。 Draw(voltage)。 26 Write_DAC(voltage)。 Write_DAC(voltage)。 實(shí)際聯(lián)調(diào)中，由于 DDS 方波輸出電壓與三角波、正弦波輸出電壓值有很大的區(qū)別，可以在讀取數(shù)組值時(shí)，判斷當(dāng)前模式，進(jìn)行對(duì)應(yīng)的修改。修改后代碼： If(Mode == 0){//方波時(shí) …… Voltage = v2[Vpp]。 …… } else if(Mode == 1 ||Mode == 2){//三角波、正弦波時(shí) …… Voltage=v1[Vpp] …… } 6 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果 總體方案選擇 原方案 我們?cè)ㄓ?MSP430F149 單片機(jī)作為波形發(fā)生器的主控制器。因?yàn)樵诜N類(lèi)和數(shù)量繁多的單片機(jī)中， TI 的 MSP430 系列頗具特色，并具有良好的性能。我們?cè)?jì)劃采用 MSP430F149控制 DDS 輸出高頻率的正弦波、方波和三角波。輸出的數(shù)字波形通過(guò) DAC0832 轉(zhuǎn)換為模擬波形。模擬波形經(jīng)過(guò)濾波、放大、穩(wěn)幅電路后，就可以輸出到示波器觀察。 輸入采用 44 鍵盤(pán)中斷控制。這樣可以最大限度的避免占用 CPU 機(jī)時(shí)。輸出采用 LED循環(huán)顯示頻率和幅度，以及用字符表示當(dāng)前波形。 下圖是原方案系統(tǒng)框圖： 27 遇到的障礙： 但是隨著工作的深入，我們遇到了很多障礙和預(yù)想不到的困難。比如 LED 顯示的效果并不好，特別是和 LCD 比較起來(lái)明顯很粗糙。所以我們決定改用 LCD 顯示。然而這樣又帶來(lái)了新的問(wèn)題， 149 不能直接相連 LCD 去控制，它需要很復(fù)雜的外圍驅(qū)動(dòng)電路和軟件控制。我們?cè)诮?jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間的嘗試之后還是沒(méi)能成功。再加上其他很多編程時(shí)遇到的細(xì)節(jié)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)討論決定使用 430 開(kāi)發(fā)板。 改進(jìn) 方 案： 考慮到上面的問(wèn)題，我們購(gòu)買(mǎi)了一塊開(kāi)發(fā)板，它使用的是比 430F149 更先進(jìn)的核心芯片 430F5438。工作原理是 430 產(chǎn)生 DDS 的控制字，讓后者輸出正弦波、三角波或是方波。波形經(jīng)過(guò)放大穩(wěn)幅后輸出。其實(shí)也可以直接通過(guò)查表法讓 430 產(chǎn)生各種波形，但430 系列是以其低功耗見(jiàn)長(zhǎng)，數(shù) MHz 的主頻雖然并不低，但還不足以產(chǎn)生百 kHz 以上的正弦波形。為了達(dá)到盡可能高的輸出頻率，我們這樣做，而是僅僅把 430 用作控制用途。 為了控制幅度，我們決定使用一個(gè)壓控調(diào)幅器件。用 430 輸出振幅相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)通過(guò) DA 轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，輸 入到 VCA 中控制需要波形的幅度。 硬件電路測(cè)試 VCA810 壓控放大器 首先，在連接 VCA810 壓控放大器的時(shí)候，按照 Datasheet 上面的電路連接，如下圖： 由于參考電壓 Vc 應(yīng)為負(fù)，調(diào)試階段 Vc 的輸入我用的是 5V 的電壓分壓?？墒遣ㄐ螏缀鯖](méi)有輸出，而且沒(méi)有任何改變放大倍數(shù)的跡象。這塊芯片的電路調(diào)了一整天，后來(lái)發(fā)現(xiàn) Rc28 不能連，因?yàn)闀?huì)和我設(shè)計(jì)的分壓器并聯(lián)，使得電壓非常低，去掉之后波形的沖擊消失。 但是仍然不可調(diào)放大倍數(shù)，后來(lái)將 RL 由并聯(lián)改成串聯(lián)，串上一個(gè) 100 歐的電阻，結(jié)果輸出波形正常。 Datasheet 上的 VCA810 可調(diào)放大倍數(shù)范圍是 1/100~100，由于實(shí)際上芯片只有正負(fù) 5V 的電壓，而輸入的正弦波和三角波的幅度有 680mV，方波的幅度有 ，所以實(shí)際上不可能達(dá)到 100 倍，實(shí)際上只有七八倍左右，而縮小可以達(dá)到 1/100。我們需要精確的調(diào)幅，所以這一級(jí)只用它的縮小。我們從 DA 送給它的參考電壓為 0~1V。 OPA1632 在調(diào)試由 OPA1632 搭的放大電路時(shí)，基本上很順利，只是實(shí)際的放大倍數(shù)小于理論的放大倍數(shù)。但是在調(diào)試由 OPA1632 搭的電壓跟隨器時(shí)，偶爾會(huì)出現(xiàn)自激和干擾，加上輸出對(duì)地的電容時(shí)，輸出就很好了。 級(jí)聯(lián) DDS 和 VCA810 及 OPA1632 級(jí)聯(lián)時(shí)，出現(xiàn)各種問(wèn)題，要不就是失真，要不就是頻率上不去。最開(kāi)始，我試過(guò)在 DDS 和 VCA810 之間加上一級(jí)電壓跟隨器，因?yàn)?DDS 的帶負(fù)載能力不強(qiáng)，它輸出的正弦波和三角波本來(lái)有 680mV，加上后級(jí)電路時(shí)，馬上衰減到 100mV 左右。而電壓跟隨器的帶負(fù)載能力很強(qiáng)，接上這一級(jí)之后輸出電壓就不變了。但是后來(lái)我們發(fā)現(xiàn)VCA810 的輸入最大只能有 5V，而 DDS 接電壓跟隨出來(lái)的方波幅度有 ，因此不能 直接接VCA，我考慮接衰減電路，但是后來(lái)覺(jué)得去掉電壓跟隨器，直接利用由于帶負(fù)載能力不強(qiáng)的因素產(chǎn)生的衰減電壓，輸入到 VCA 中。事實(shí)表明這個(gè)方法很管用。 VCA810 和 OPA1632 之間級(jí)聯(lián)的時(shí)候也是有些問(wèn)題，后來(lái)接了一個(gè)耦合電容在兩極之間，濾除直流成分，效果比較好。 由于 DDS 衰減，我開(kāi)始嘗試接兩級(jí)放大，在帶負(fù)載的時(shí)候出現(xiàn)強(qiáng)烈的干擾，考慮到放大器有同相和反相兩種，同相容易引起電磁干擾，我把第二級(jí)放大電路改為反相放大，而第一級(jí)仍然為同相放大器，結(jié)果很好。 關(guān)于換備選方案 由于最后一天我們的 AD9833 因?yàn)檎`操作 燒了，所以不得不啟用臨時(shí)方案，臨時(shí)方案的性能沒(méi)有原來(lái)的好，后面也不需要兩級(jí)放大了，我就直接接一級(jí)放大，然后接電壓跟隨器輸出。但是這個(gè)備選方案的頻率有點(diǎn)達(dá)不到 200Khz。其他功能都很好。 系統(tǒng)聯(lián)調(diào) 結(jié)果 三角波、正弦波、方波 測(cè)試結(jié)果 經(jīng)過(guò)測(cè)試輸出波形的頻率范圍為 10Hz200KHz，完成了系統(tǒng)的基本要求 100Hz20kHz（非正弦波頻率按 10 次諧波計(jì)算）和擴(kuò)展功能要求；重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔 設(shè)為 四 檔：29 10Hz、 100Hz、 1KHz 和 10KHz， 調(diào)節(jié)初始值分別為 500Hz、 5KHz、 50KHz、 500KHz， 滿足了頻率步進(jìn)小于等于 100Hz 的基本要求，并可以實(shí)現(xiàn)頻率的快速調(diào)節(jié)。綜上所述，本系統(tǒng)完成了正弦波的基本要求并達(dá)到了擴(kuò)展頻率要求。具體的測(cè)試過(guò)程如下所示： 圖中 CH2 接的是 整個(gè)模塊 電路處理后最終波形。 1) 下圖為頻率 20KHz 的時(shí)候 的輸出 波形，可以看到波形沒(méi)有失真，輸出比較理想。 輸入波形峰峰值為 100mV 左右， 輸出峰峰值為 5V 左右的波形如下 ，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 三角波 ： 正弦波： 30 方波： 2) 下 面三 圖為頻率 200KHz 的時(shí)候 的輸出 波形，可以看到波形 基本 沒(méi)有失真，輸出比較理想。 輸入波形峰峰值為 100mV左右， 輸出峰峰值為 12V 左右的波形如下 ，符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。 31 三角波： 正弦波： 方波： 32 擴(kuò)展波形的測(cè)試結(jié)果 除了基本的波形設(shè)計(jì)以外，我們還設(shè)計(jì)了 一個(gè) 自己 較為常用的鋸齒波形，如下。 33 擴(kuò)展掃頻功能的測(cè)試結(jié)果 可以實(shí)現(xiàn)從 10Hz 到 500KHz 的 大范圍 掃頻功能，其基本測(cè)試情況 滿足要求 （附件中有掃頻功能的視頻） 7 結(jié)束語(yǔ) 目標(biāo)完成情況 基本要求 中： ? 能夠 產(chǎn)生正弦波、方波、三角波三種周期性波形； ? 輸出波形的頻率范圍為 100Hz20KHz（非正弦波頻率按 10 次諧波計(jì)算）；重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔 ≤100Hz（我們最小步進(jìn)可以達(dá)到 10Hz）； ? 輸出波形幅度范圍 05V（峰峰值），可按步進(jìn) （峰峰值）調(diào)整 （我們可以微調(diào)（步進(jìn) ）和粗調(diào)（步進(jìn) 峰峰值））； ? 可 由外界按鍵輸入選擇產(chǎn)生波形的種類(lèi)、頻率與峰峰值； ? 通過(guò) LCD 界面顯示輸出波形的類(lèi)型、重復(fù)頻率（周期）和幅度。 發(fā)揮部分 中： ? 輸出波形頻率范圍擴(kuò)展至 100Hz200KHz； ? 用鍵盤(pán)產(chǎn)生任意波形 （事先存儲(chǔ)在 msp430 的 flash 中的波形）； ? 增加穩(wěn)幅輸出功能，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓幅度變化不大于 177。3%（負(fù)載電阻變化范圍：100Ω） （我們是在 200Ω 的基礎(chǔ)上變化 100Ω 的范圍）； ? 方波，三角波，正弦波的 掃描輸出功能。 感想 這學(xué)期的硬件課程設(shè)計(jì)是以 TI 杯的形式進(jìn)行的，我們選擇了波形發(fā)生器這個(gè)題目。相比較另一個(gè)題目溫度巡檢，波形發(fā)生器更加需要硬件電路的設(shè)計(jì)和調(diào)試，而溫度巡檢則增多的是編程。既然做的是硬件課程設(shè)計(jì)，所以經(jīng)過(guò)協(xié)商，我們選擇波形發(fā)生器這個(gè)命題。 之所以選擇 MSP430，是為了符合 TI 杯的宗旨。并且在隨后的工作中，隨著不斷的查找相關(guān)用戶(hù)手冊(cè) 、數(shù)據(jù)手冊(cè)，我們確實(shí)被 TI 公司豐富的產(chǎn)品型號(hào)和配套的嚴(yán)謹(jǐn)資料所折服。此外，TI 讓我們可以極其方便的申請(qǐng)樣片，這大大方便了我們的工作同時(shí)也節(jié)約不少經(jīng)費(fèi)。這種經(jīng)營(yíng)方式也讓我們大開(kāi)眼界。 硬件課設(shè)和我們之前做的注重理論的項(xiàng)目完全不同，趣味性強(qiáng)，不僅鍛煉能力，而且可以學(xué)到很多東西。在與老師和同學(xué)的交流過(guò)程當(dāng)中，互動(dòng)學(xué)習(xí)，將知識(shí)融會(huì)貫通，這是我們所有組員共享的一筆非常寶貴的財(cái)富。 回憶這些廢寢忘食的日子，有苦也有歡樂(lè)。在開(kāi)始階段基礎(chǔ)知識(shí)的不足成為一個(gè)非常大的問(wèn)題。在很多基礎(chǔ)問(wèn)題上走了不少?gòu)澛贰５鹊綕u漸步入正軌 的時(shí)候，時(shí)間又所剩無(wú)幾。再加上因?yàn)榧夹g(shù)生疏，調(diào)試時(shí)因?yàn)閭€(gè)人的誤操作燒壞過(guò)不少芯片，造成工作無(wú)法順利繼續(xù)的情34 況也時(shí)有發(fā)生。每當(dāng)這時(shí)，我們的工作氣氛不可避免地會(huì)很壓抑，然后經(jīng)過(guò)緊張的補(bǔ)救、尋求幫助之后，直到解決之時(shí)，才終于喘了一口氣。而由此而來(lái)的幸福感，不親身經(jīng)歷過(guò)也是無(wú)從得知的。 快樂(lè)至上，享受過(guò)程，而不是結(jié)果。認(rèn)真對(duì)待每一個(gè)實(shí)驗(yàn)，珍惜每一分一秒，學(xué)到最多的知識(shí)和方法，鍛煉自己的能力，這個(gè)是我們?cè)诒敬握n設(shè)上學(xué)到的最重要的東西，也是以后都將受益匪淺的！ 8 參考文獻(xiàn) [1] Datasheet : MSP430F543 AD983 VCA8 OPA163 UA741 等 [2]洪利等編著 《 MSP430 單片機(jī)原理與應(yīng)用實(shí)例詳解》北京航空航天大學(xué)出版社 ISBN：9787512401228 2021 年 7 月 [3]周靈彬 任等編著 《基于 Proteus 的電路與 PCB 設(shè)計(jì)》 電子工業(yè)出版社 ISBN：9787121116148 2021 年 10 月 9 附錄 電路圖 總體電路圖： 35 其中， DDS 部分電路圖是： 源碼清單 void main( void ) { WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD 。 // 關(guān)閉看門(mén)狗 //AD9833_SPI_PORT_Init() 。 //output_init() 。 Init() 。 LCD_Init() 。 Clear_LCD(Color_BK) 。 _EINT() 。 InitInterface() 。 Init_I2C() 。 voltage = 0 。 while(1) { __delay_cycles(2048000) 。 if(FreqScanEn == 1 amp。amp。 (Mode==0||Mode==1||Mode==2)) //掃頻 { FreqCoeff=(FreqCoeff+1)%99 。 dds() 。 DrawFreq()。 } ScanKey()。 } 36 } ///////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////