基于AD9851的受控正弦信号发生器设计

摘要：以TI公司超低功耗单片机(MSP430F420)，电流变送器(XTR105PA)，电流接收器(RCV420KP)及DDS芯片AD9851为主要器件，设计二线式电流型电阻变送器控制的正弦信号发生器，变送器可变电阻阻值范围为1000～2000 Ω，对应输出频率为1000～2 000 kHz的正弦信号，可用示波器显示，阻值由LFD显示。
关键词：AD9851；电流变送器XTR105；电流接收器RCV420；MSP430；受控正弦信号发生器

0 引言
    现代电子产品对信号源的要求不断提高，信号源必须满足高精度、高速度、高分辨率且具备良好的可控可调性等要求。研究了基于DDS(Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成)技术的可控信号发生器，以美国AD公司推出的DDS集成芯片AD9851为核心，通过MSP430单片机控制，结合一种高精度信号调理电路(由电流接收器RCV420和电流变送器XTR105构成)，实现受控正弦信号发生器的设计。

1 系统设计
    系统主要由可调变阻器，电流变送器，电流接收器，单片机，DDS及电源构成，系统结构图如图1所示。设计思路：当可调电阻在1 000～2000 Ω之间变化时，经电流变送器后输出相应4～20 mA的电流，经RCV420KP转换为0～5 V电压输出信号，并将其处理到相应的0～1．2 V送单片机MSP430。由单片机处理后送LED显示阻值，同时送出频率控制字到DDS芯片AD9851，经AD9851输出正弦信号。

2 模块设计
2．1 二线式电流变送器
    二线式电流变送器主要由芯片XTR105PA构成，实现由阻值1～2kΩ转换为4～20 mA电流，其中R2是精密变阻器，变阻范围为1～2 kΩ，如图2变送器电路所示，由XTR105第7脚(I／O)输出4～20mA电流。

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2．2 信号发生模块
    信号发乍部分主要由电流接收器RCV420与信号发生器组成。RCV420实现4～20 mA电流线性地转换为0～5V电压信号，信号发生器主要由单片机及DDS芯片组成，单片机采集来自电流接收器RCV420的电压信号，正弦信号由DDS芯片产生，经低通滤波及OPA227PA放大后输出，通过LED显示正弦信号频率。
2．2．1 电流接收器RCV420
    电流接收器RCV420连接在XTR105的输出端，此芯片实现将输出4～20 mA的电流信号换为0～5 V电压信号，通过串接4．7 kΩ和1 kΩ电阻，将0～5 V信号转换为0～1．2V的电压信号送MSP430单片机，具体电路如图3接收器电路所示。
2．2．2 单片机MSP430及DDS芯片AD9851
    MSP430单片机可直接接收模拟信号进行处理，将电压值转换为相应的电阻值，送LED数码显示，此过程由软件完成，同时送出频率控制字给AD9851，由AD9851输出正弦信号。AD9851包括相位寄存器、相位全加器、D／A转换器，相位寄存器和相位全加器构成相位累加器。其内部的控制字寄存器首先寄存来自外部频率、相位控制字，相位累加器接收来自控制字寄存器的数据后决定最终输出信号频率和相位的范围和精度，经过内部D／A转换器后，所得到的就是最终的合成信号。如果频率控制字为M，相位累加器的位数为N，系统外部参考时钟频率为30 MHz，AD9851具备6倍参考时钟倍乘器使能功能，则经过内部6倍参考时钟倍乘器后，可得到AD9851内部工作时钟fc为180 MHz，此时最终合成信号的频率由公式可得。从可变电阻阻值到M的对应关系以及输出信号频率的确定，整个过程由软件完成。MSP430与AD9851接口如图4所示。

3 结语
    设计中采用DDS技术，具有突出优点：频率分辨率高；频率切换速度快；相位噪声低，信号纯度高；超宽的频率范围；能实现各种调制波和任意波形的产生；易于实现全数字化的设计等。同时，16位MSP430单片机具有超低功耗、强大的处理能力、高性能模拟技术及丰富的片上外围模块、高效的开发环境及同步连接至模拟信号和数字组件的特性使系统工作稳定性好，硬件电路简单化。