正弦信號發生器設計方案

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正弦信號發生器設計方案

馬海洋，曾真，徐廣嵌 發表於 2010-04-15 15:34:41

正弦信號發生器設計方案

1 引言

    為了精確地輸出正弦波、調幅波、調頻波、PSK及

ASK

等信號，並依據直接數字頻率合成(Direct Digital FrequencySvnthesizer，簡稱DDFS)技術及各種調製信號相關原理，設計了一種採用新型DDS器件產生正弦波信號和各種調製信號的設計方法。採用該方法設計的正弦信號發生器已廣泛用於工程領域，且具有系統結構簡單，界面友好等特點。

2 系統總體設計方案
    圖1給出系統總體設計方框圖，它由單片機、現場可編程門陣列(FPGA)及其外圍的模擬部分組成。在FPGA的內部數字部分中，利用FPGA內部的總線控制模塊實現與鍵盤掃描、液晶控制等人機互動模塊的通信，並在單片機與系統工作總控制模塊之間的交互通信中起橋梁作用。系統工作總控制可統一控制各個時序模塊；各時序模塊用於完成相應的控制功能。在模擬部分中，利用無源低通濾波器及放大電路，使AD9851型DDS模塊的輸出信號成為正弦波和FM調製信號；再利用調幅電路，使FPGA內部DDS模塊產生的信號與AD9851輸出的載波信號變為調幅信號，同時在基帶碼控制下通過PSK/ASK調製電路得到PsK和ASK信號。最後，各路信號選擇通道後，經功率放大電路驅動50Ω負載。

3 理論分析與計算
3．1 調幅信號
    調幅信號表達式為：

   
式中：ω0t，ωt分別為調製信號和載波信號的角頻率；MA為調製度。
    令V(O)=Vocos(ω0t)，V(ω)=MAcos(ωt)，則V(t)=V(O)+V(O)V(ω)。故調幅信號可通過乘法器和加法器得到；通過改變調製信號V(ω)的幅值改變MA，V(ω)的範圍為0．1～l V，MA對應為10％~100％。
3．2 調頻信號
    採用DDS調頻法產生調頻信號，具體實現方法：通過相位累加器和波形存儲器在FPGA內部構成一個DDS模塊，用於產生1 kHz的調製信號。其中，波形存儲器的數據即為調製信號的幅度值。將這些表示幅度值的數據直接與中心頻率對應的控制字相加，即可得到調頻信號的瞬時頻率控制字，再按調製信號的頻率切換這些頻率控制字，即可得到與DDS模塊輸出相對應的調頻信號。
3．3 PSK和ASK信號
    ASK信號是振幅鍵控信號，可用一個多路復用器實現。當控制信號為1時，選擇載波信號輸出；當控制信號為0時，不選擇載波信號輸出；當控制信號由速率為10 Kb／s的數字脈衝序列給出時，可以產生ASK信號。PSK信號是移相鍵控信號，這裡只產生二相移相鍵控，即BPSK信號。它的實現方法與ASK基本相同，只是在控制信號為0時，選擇與原載波信號倒相的輸出信號，該倒相信號可由增益倍數為l的反相放大電路實現。

4 主要功能電路設計
    圖2給出調幅電路。它採用ADI公司的乘法器AD835實現。該器件內部自帶加法器，可直接構成調幅電路。圖3給出PSK／ASK電路。它主要由多路復用器和移相器構成。其中，移相器採用Maxim公司的高速運算放大器MAX477所構成的反相放大電路實現，多路復用器採用ADI公司的AD7502。當兩條通道選擇控制線A1AO為ll時，輸出原信號；當A1A0為00時，輸出原信號的反相信號；當A1A0為01時，無信號輸出。這樣只要FPGA按固定速率通過Al和AO兩條控制線給出基帶序列信號，就能相應輸出PSK和ASK信號。

    FPGA內部DDS調頻電路由分頻器、累加器、ROM和AD985l時序控制電路構成。分頻器用於得到20 kHz的信號，作為AD985l控制字的切換頻率；ROM中存儲了1 kHz的正弦波表，接收累加器給出的控制字切換信號，同時向AD985l時序控制模塊發送頻偏控制字；AD985l時序控制電路根據中心頻率並結合頻偏控制字向AD985l器件發送頻率控制字，以實現DDS調頻。

    功率放大電路由ADI公司的高速運算放大器AD811和T1公司的緩衝器BUF634構成，如圖4所示。AD8ll採用同相放大器接法，將輸入信號放大到電壓峰峰值為6 V；後級緩衝電路用於提供足夠的輸出電流，使負載的輸出電壓峰值穩定在6 V。由於AD81l的輸出電流較大，所以在AD811與緩衝器之間串接了一隻l kΩ的電阻用於限流。電路調試時發現．輸出高頻信號有衰減。經過分析獲知，主要原因在於後級緩衝器有8 pF的等效輸入電容(見圖4中虛線)，該電容影響電路的高頻響應。於是在AD811輸出與BUF634輸入之間接入了 一隻330nF的補償電容，補償後的電路高頻響應效果良好。

5 系統軟體設計
    該系統軟體採用結構化和層次化的設計方法。前者指相應的基本功能模塊利用底層處理子程序所處理的數據，向上層全功能模塊提供處理後的數據；後者指利用前者的接口完成該模塊功能。最後由主程序調用全功能模塊構建系統。圖5給出程序流程圖。

    整個程序以按鍵中斷為主線，分為正弦波、調幅波、調頻波、鍵控波4種輸出模式和1個復位模式。在不同的模式下分別執行相應的子程序，最後分別向FPGA寫入相應的控制字。

6 測試數據
    該系統測試主要由高頻毫伏表、頻率計、示波器完成。其中，高頻毫伏表測試輸出信號峰值；頻率計測試輸出信號的頻率；示波器用於測試正弦波、調幅波、調頻波、PSK以及ASK等信號波形。這裡選取1 kHz，lO kHz，100 kHz，l MHz和10 MHz這5個頻率點對正弦信號發生器進行測試，將實際頻率與預置頻率相比較，得到各頻率點的相對誤差均小於0．05‰。其中100 kHz和10 MHz處的相對誤差小於0．02‰；5個頻率點所對應正弦信號的電壓峰值分別為6．28 V，6．25 V，6．10 V，5．90 V，5．60 V。

7 結語
    該系統較好地完成了預期的各項功能和指標。正弦波的輸出頻率範圍為l kHz～10 MHz，在其內頻率穩定度為10～4；調頻波的輸出頻率範圍為100 kHz～10 MHz，在其內最大頻偏可分為5 kHz／10 kHz二級程控調節；調幅波的輸出頻率範圍為l~10 MHz，在其內調製度可在10％~100％之間程控調節，且步進為10％；ASK及PSK信號則通過移相電路和多路復用器的結合，在FPGA給出的基帶序列信號控制下產生。

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