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正弦信号发生器[2005年电子大赛二等奖]文章来源：凌阳科技教育推广中心作者：广东工业大学陈剑栋姚健棉邱淑康发布时间：2006-5-269:43:28摘要:本系统设计一个正弦信号发生器，使用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为中央控制器，结合DDS芯片AD9850，产生0～15MHz频率可调的正弦信号,正弦信号频率设定值可断电保存；使用宽频放大技术，在50Ω负载电阻上使1K～10MHz范围内的正弦信号输出电压幅度VP-P=6V±1V；产生载波频率可设定的FM和AM信号；调制信号为1KHz的正弦波，调制信号的产生采用DDS技术，由CPLD和FlashROM加上DAC进行直接数字合成；二进制基带序列码由CPLD产生，在100KHz固定载波频率下进行数字键控，产生ASK，PSK信号。系统采用全中文菜单操作方式，操作简单，快捷，且系统的精度和稳定性高。关键字：正弦信号，DDS技术，FM模拟调频，AM模拟调幅，PSK，ASK，宽频放大。一、方案论证根据题目要求，本系统主要由主控制器模块、正弦信号发生模块、输出电压放大模块、FM调频电路模块、AM调幅电路模块和人机界面模块构成。如图1.1。图1.1系统模块框图1、主控制器方案一：采用通用的51单片机AT89S52作为主控制器，完成数据处理，DDS的频率输出控制，键盘的扫描及液晶显示器的显示控制等。由于51单片机内部的RAM和ROM都比较小，考虑到实现本系统需要大量的数据处理及液晶显示需占用大量的ROM资源等，用51单片机实现本系统就需外扩RAM和ROM，实现起来比较麻烦。而且本系统需要用A/D转换器采样调制信号实现调频信号的输出，使用51单片机就需外扩一片A/D转换芯片，实现也比较麻烦。而且基于整个系统的速度要求，51单片机也不能满足要求。方案二：采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器。由于SPCE061A内置有2K字的SRAM和32K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及液晶显示所需数据的存储要求CPU时钟频率高达49.152MHz，能满足速度要求；集成有7通道10位电压模数转换器ADC，可以满足系统采样调制信号的要求；一片凌阳SPCE061A单片机就可以完成整个系统的主要功能，基本不需要扩展其他器件，不仅体积小而且可靠性高。而且凌阳单片机具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，实现整个系统更加简单。基于此，本系统采用方案二，利用凌阳的16位单片机SPCE061A作为主控制器。2、正弦信号产生方案一：采用反馈型LC振荡原理，选择合适的电容、电感就能产生相应的正弦信号。此方案器件比较简单，但是难以达到高精度的程控调节，而且稳定度不高，故不采用。方案二：采用DDS技术的基本原理。DDS技术是基于Nyquist采样定理，将模拟信号进行采集，经量化后存入存储器中（查找表），通过CPLD或者FPGA进行寻址查表输出波形的数据，再经D/A转换滤波即可恢复原波形。根据Nyquist采样定理知，要使信号能够恢复，必须满足采样频率大于被采样信号最高频率的2倍，否则将产生混叠，经D/A不能恢复原信号。此方案产生的波形比较稳定，在高频输出时会产生失真，而且电路比较复杂，故不采用。方案三：直接采用DDS集成芯片。AD9850是AD公司生产的DDS芯片，带并行和串行加载方式，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。由于DDS集成芯片能达到要求，而且节省硬件电路，程控调节能够方便实现，本设计采用方案三，作为1K～10MHz正弦信号发生。3、输出电压放大方案一：采用高频三极管做功率放大。选择恰当的电阻和电容来实现符合题目要求的放大倍数。但是使用三极管放大时，信号放大的稳定性不高，很难满足题目的要求。故不采用。方案二：采用宽频运算放大器做前级电压放大，AD8056可以达到300M的带宽，而且频率稳定性好。在后级加上互补对称的推挽式输出电路做电流放大作用。所以在本设计中采用了方案二。4、FM调频电路方案一：使用变容二极管直接调频。变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的一种二极管。加反向偏压时，变容二极管呈现一个较大的结电容。变容二极管要并接在产生中心频率振荡的选频网络的两端，并加上调制信号，使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变，从而达到调频作用。但是本方案会使电路产生的频偏不稳定，容易产生中心频率偏移。方案二：采用锁相环进行调制，采用锁相环路调频，能够达到中心频率高度稳定的调频信号。由于锁相环能跟踪并锁定中心频率。从而使中心频率有足够高的稳定度。而调制信号就加在VCO（压控振荡器）的输入端，从而使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变。如图1.2。本方案比较直观，而且中心频率和频偏都比较准确，但是电路复杂，故不采用。图1.2锁相环框图方案三：凌阳的单片机芯片SPCE061A内部集成有10位ADC。可先将调制信号离散化，当采集完一个周期（1ms）的数据后，计算出每相邻两个抽样点的偏移量，这样就可以根据偏移量控制改变DDS的输出频率，从而达到调频效果，而且硬件设计简单。本设计使用方案三。5、AM调幅电路方案一：采用单二极管开关状态调幅电路,使二极管近似处于一种理想的开关状态下,在两个不同频率电压作用下进行频率交换。方案二：采用二极管平衡调幅电路,它是利用二极管的开关状态和平衡抵消的措施,经调幅后通过带通滤波器就可以得到调幅信号。前面两种方案电路实现比较复杂,而且由于采用分立元件，稳定性比较差，调试困难。方案三：采用模拟乘法器调幅电路，它是一种完成两个模拟信号相乘作用的电路，起到频率搬移的作用，若采用专门的模拟乘法器芯片，电路实现简单，稳定性比较好，功能实现容易，符合题目要求。基于此，本系统采用方案三，选用集成模拟乘法器MC1496实现AM的模拟调幅。6、产生二进制PSK、ASK信号方案一：直接采用DDS实现ASK和PSK，用程序直接控制DDS输出二进制PSK和ASK信号，根据码序列中的'0'或'1'直接控制DDS的相移，便可以实现PSK调制功能，而控制DDS开和关即可实现ASK调制。本方案直接用软件来实现产生二进制ASK，PSK信号，基本不用硬件电路,比较方便,但经过试验,输出的信号不稳定。故不采用。方案二：采用数字键控的方法来实现，采用模拟开关，利用基带信号控制模拟开关的选通或关闭来实现ASK调制。实现PSK调制时，把100K的载波信号分接成两路，其中一路接增益为-1的运放电路，将载波信号移相180o。'0''1'基带序列码由CPLD产生。本方案硬件设计也比较简单,输出的信号比较稳定，各种指标符合题目要求。基于此本系统采用了方案二实现产生二进制PSK，ASK信号。二、详细软硬件设计根据上面的论证，本系统以凌阳的16位单片机SPCE061A为核心，配合DDS专用芯片AD9850，完成正弦信号的产生，并辅以各个功能模块完成题目的设计要求。系统的总体框图如图2.1，硬件连接图如图2.2。图2.1系统设计框图图2.2系统硬件连接图1、硬件模块设计(1)正弦信号产生模块正弦信号产生模块的主要部分是AD9850。AD9850采用先进的CMOS工艺,其功耗在3.3V供电时仅为155mW,温度范围为-40～80℃,采用28脚SSOP表面封装形式。图2.3为其组成框图。图中层虚线内是一个完整的可编程DDS系统,外层虚线内包含了AD9850的主要组成部分。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。可编程DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N为32；每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M递加；相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上；正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息,每一个地址对应正弦波中0°～360°范围的一个相位点；查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号,然后驱动DAC以输出模拟量。图2.3AD9850组成框图相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次,相应地正弦查询表每经过一个循环也回到初始位置,从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波周期TO=Tc2N/M，频率fout=Mfc/2N，Tc、fc分别为外部参考时钟的周期和频率。AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14位输入到正弦查询表,查询表的输出再被截断成10位后输入到DAC，DAC输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节,调节关系为ISET=32(1.248V/RSET),RSET的典型值是3.9kΩ。其系统功能结构如图2.4所示。AD9850在接上精密时钟源和写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出,此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。在125MHz的时钟下,32位的频率控制字可使AD9850的输出频率分辨率达0.0291Hz；并具有5位相位控制位,而且允许相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或这些值的组合进行调整。图2.4AD9850结构因为要考虑到FM调频，本系统使AD9850工作于并行方式接线，以提高频率的切换速度。从而达到调制1K正弦波的要求。参考时钟使用42M晶振，设计低通滤波器时，就要去掉42M的高频干扰。DDS输出的带宽比较高，低通滤波器要采用LC做成7阶切贝雪夫低通滤波。其连接图如图2.5。图2.5AD9850连接图而且，应在电路中使用一个截止频率为16MHz的7阶切比雪夫滤波器,其电路图如图2.6所示。在滤波器的设计过程中,能否准确实现高Q值的电感,直接影响着滤波器的最终性能。图2.6切贝雪夫低通滤波器(2)带负载输出要达到6V±1V的带负载输出，我们先使用宽频运放AD8056做前级放大，为了达到合适的电压增益，我们使用了两级放大切换，改变放大的级数以便适应增益要求；经运放输出的电压电流较弱，带负载能力不强，所以要在运放的后级加上一级推挽输出，提高输出电流。如图2.7、图2.8所示：在推挽输出端接上了50Ω电阻，输出幅度能达到题目的要求。图2.7放大电路图2.8推挽输出(3)正弦调制信号的产生1K正弦调制信号的产生采用DDS技术。DDS技术采用全数字技术实现频率合成，和其它一般的频率合成技术相比，有一些突出的优点和独特的性能：DDS在相对带宽、频率转换时间、频率分辨率、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为本系统实现AM，FM调制提供了稳定的正弦调制信号。DDS的实现原理如图2.9:图2.9DDS技术的实现DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程，以及有强大EDA软件支持等特性，十分适合实现频率的合成。由于本系统要求产生1KHz的正弦调制信号,失真度要求要小,而且稳定性要好,DDS的失真度除受D/A转换器本身的噪声影响外，还与存储深度M和D/A字长有密切关系，设q为均匀量化间隔，其失真度近似数学关系为:THD=本系统的量化级为256（8位DAC），经计算其失真度约为5.676%，可以满足设计要求。系统采用Altera公司的CPLD器件EPM7128，其最高工作频率为120MHz，典型可用门5000门，DDS设计电路产生的波形存在高次谐波，须进行低通滤波使波形平滑，为使通带内的起伏最小，我们采用了巴特沃斯二阶低通滤波器，如图2.10。巴特沃思二阶低通滤波器的截止频率为fc=1/2πRC。由于只需产生1KHz的正弦信号,本系统设计的滤波器的截至频率为2KHz，选取C=1uf，经计算取R=80Ω。图2.10二阶巴特沃思滤波器(4)AM调幅信号的产生幅度调制是正弦波或脉冲序列的幅度随调制信号线形变化的过程,标准调幅信号可用下式表示:其中Ac为外加直流,f(t)表示调制信号.在AM调幅中,输出已调信号的包络与输入调制信号成正比,基于此我们采用控制输入调制信号的