秩名 發表於 2012-07-31 11:42:14
摘 要：本系統採用AT89S51單片機為核心，輔以必要的模擬，數字電路，構成了一個基於DDS技術的正弦波信號發生器。該軟體系統採用4*4鍵盤操作，以菜單形式進行顯示，操作方便簡單，軟體增加了許多功能。它通過啟動DDS，把內存緩存區的數據讀出送到DDS後輸出相應的頻率，並把數據轉換為BCD碼，通過液晶顯示器進行顯示。該系統體積小、穩定度、精度極高，方便攜帶，適用於當代的尖端的通信系統和精密的高精度儀器以及高頻無線傳輸系統等。
一.方案
1. 常見信號源製作方法：採用DDS，即直接數字頻率合成，其原理方框圖如圖0所示，
它以有別於其它頻率合成方法的優越性能和特點成為現代頻率合成技術中的佼佼者。具體體現在相對帶寬、頻率轉換時間短、頻率解析度高、輸出相位連續、可產生寬帶正交信號及其他多種調製信號、可編程和全數位化、控制靈活方便等方面，並具有極高的性價比。
2.調幅電路：用增益可變運放AD603，其傳輸帶寬高達90MHZ，完全可以滿足輸出信號頻率的要求。
3.調頻電路 ：壓控振蕩器
壓控振蕩器的輸出頻率是隨著輸入電壓的改變而改變的，鑑於此，如果用調製信號來控制壓控振蕩器的輸入電壓，即可實現調頻。這樣顯然簡單而容易控制，且精度較高。
4.顯示模塊：採用液晶(LCD)顯示，界面形象清晰，內容豐富，可顯示複雜字符，易於和單片機接口，且耗電少，故優先採用。
5.A/D轉換模塊：用8位串行A/D轉換器TLC549實現，TLC549(TLC548)是TI公司生產的一種低價位、高性能的8位A/D轉換器，它以8位開關電容逐次逼近的方法實現A/D轉換，其轉換速度小於17us，它能方便地採用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構成各種廉價的測控應用系統，且讀寫TLC549比讀寫ADC0809簡單。
二.系統硬體設計
1.總體設計
本系統採用51單片機作為核心，控制DDS晶片AD9851產生頻率為1KHZ至10MHZ的正弦波系統框圖如圖1所示
圖1 正弦波系統總體框圖
2.模塊說明
(1)用單片機控制AD9851產生頻率為1K至10MHZ的正弦波，自動增益控制實現增益自動調節，當輸出幅度過大或偏小時，單片機通過檢波電路和A/D 採樣調節增益大小。放大級對已調信號進行幅度放大，然後輸出至負載。
(2)檢波電路對輸出信號採樣，經過A/D轉換送給單片機處理。
(3)顯示模塊對輸出信號動態顯示
(4)單片機控制壓控振蕩器產生頻0率隨調製信號變化的信號，並把已調信號送到AD9851，作為AD9851的時鐘頻率，從而實現對載波信號的調頻。
(5)模數轉換用8位串行A/DTLC549即可實現。
(6)二進位數字基帶信號用單片機直接產生，這種方式簡便，快捷，而且穩定度很好
3.理論分析與參數計算
(1)正弦信號發生器
DDS是產生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優先選用技術。DDS以穩定度高的參考時鐘為參考源，通過精密的相位累加器和數位訊號處理，通過高速D/A變換器產生所需的數字波形(通常是正弦波形)，這個數字波經過一個模擬濾波器後，得到最終的模擬信號波形。如圖2所示，通過高速DAC產生數字正弦數字波形，通過帶通濾波器後得到一個對應的模擬正弦波信號，最後該模擬正弦波與一門限進行比較得到方波時鐘信號。DDS系統一個顯著的特點就是在數字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外，DDS的固有特性還包括：相當好的頻率和相位解析度(頻率的可控範圍達μHz級，相位控制小於0.09°),能夠進行快速的信號變換(輸出DAC的轉換速率300百萬次/秒)。這些特性使DDS在軍事雷達和通信系統中應用日益廣泛。
本系統採用了美國模擬器件公司採用先進DDS直接數字頻率合成技術生產的高集成度產品AD9851晶片。AD9851是在AD9850的基礎上，做了一些改進以後生成的具有新功能的DDS晶片。AD9851相對於AD9850的內部結構，只是多了一個6倍參考時鐘倍乘器，當系統時鐘為180MHz時，在參考時鐘輸入端，只需輸入30MHz的參考時鐘即可。如圖4(AD9851內部結構)所示，AD9851是由數據輸入寄存器、頻率/相位寄存器、具有6倍參考時鐘倍乘器的DDS晶片、10位的模/數轉換器、內部高速比較器這幾個部分組成。其中具有6倍參考時鐘倍乘器的DDS晶片是由32位相位累加器、正弦函數功能查找表、D/A變換器以及低通濾波器集成到一起。這個高速DDS晶片時鐘頻率可達180MHz， 輸出頻率可達70 MHz，解析度為0.04Hz。
為了實現調頻，DDS的基準信號源採用壓控振蕩器輸出的30 M頻率作為基準信號源由於AD9851是貼片式的體積非常小，引腳排列比較密，焊接時必須小心，還要防靜電擊穿，焊接不好就很容易把晶片給燒壞。還有在使用中數據線、電源等接反或接錯都很容易損壞晶片。所以在AD9851外圍採用了電源、輸入、輸出、數據線的保護電路。為了不受外界幹擾，添加了不少的濾波電路，顯得整個電路更完美。詳細電路圖如圖2。
圖2 硬體電路圖
(2)壓控振蕩器
MC1648有兩種基本型VCO的壓控特性，這裡我們只採用其中一種第一種基本負阻集成LC VCO 電路如圖3 示,它僅用一隻變容二極體,並由晶片MC1648 外加諧振迴路組成。MC1648 為集成射極耦合振蕩電路,具有負阻效應,輸出MECL 電平。
圖3 基本負阻集成LC VCO 電路圖
其詳細電路圖如圖4所示
圖4 詳細電路圖
(3)自動增益控制模塊
AD603 的原理框圖[1 ]其原理圖如圖5 所示
圖5 AD603 的原理框圖
已調信號從1K至10MHZ變化，頻帶很寬，用一般的運放不能滿足要求，AD603的頻帶寬度為0到90MHZ，完全能夠滿足要求，且為增益可變運放，由於頻率高時信號衰減比較快，用AD603可實現對不同頻率信號的放大倍數。其電路他圖6所示
圖6 AD603可實現對不同頻率信號的放大倍數的電路圖
(5)正弦波調製信號
採用NE555產生1KHZ的正弦波調製信號，電路如圖7所示，其中AM和FM 都是用此電路產生調製信號
圖7 正弦波調製信號產生電路圖
(6)穩幅輸出模塊
峰值檢波器獲得輸出電壓的幅值，經過A/D採樣後就得到輸出端當前電壓的幅值，送回單片機與預設值相比就可以知道輸出下降的情況，從而實現自動增益控制。
(7)顯示模塊
顯示電路是很重要的人機界面。在顯示電路中，我們沒有選擇普通的數碼管顯示，而是優先採用了能夠顯示複雜字符的5 × 7 點陣液晶顯示器(1602)。此顯示界面分為上下兩行：提示字符「請輸入頻率：」下一行為頻率值顯示與數碼管相比，其優點是：功耗低，顯示形象直觀，人機界面友好。控制部分：鍵盤輸入經單片機處理後控制AD9851的頻率輸出，達到智能控制目的。
(8)按鍵電路
採用4*4鍵盤，系統不停的對按鍵進行掃描，當有鍵按下時，即轉去執行相應的程序。
(九)A/D轉換模塊
其中 1和3腳為參考電壓，接電位器可以改變參考電壓，2腳為模擬信號輸入端，4腳為 接地端，5腳為片選，低電平有效，故接地，6，7，8分別為數據輸出端和時鐘輸入端及電源端。
三.系統軟體設計
系統軟體流圖如圖8所示，通過按鍵選擇所需要的頻率，操作簡單快捷。
圖8 系統軟體流程圖
四.系統調試
根據方案設計要求，調試過程公分三大部分，硬體調試，軟體調試，軟體和硬體聯調。電路按模塊逐個調試，各模塊調試通過後在聯調。程序先在最小系統板調試，通過後在軟硬聯調。
1. 硬體調試
(1) 高頻電路抗幹擾設計 AD9851的時鐘頻率很高，對周圍的電路有一定的影響，我們採取了各種抗幹擾措施。例如引線儘量短，減少交叉，儘量減少跳線，在電源輸入端都加上去藕電容，數字地與模擬地分開，信號源與地儘量隔遠，增大接地面積，這就要求設計電路時採取敷銅的方法，實踐證明，這些措施對消除某些引腳上的毛刺及幹擾噪聲起到了很好的作用。
(2) 由於輸出頻率很高，因此對運放的帶寬有一定的要求，我們選擇了帶寬較大的AD811。
2. 軟體調試
本系統的軟體系統採用C51寫，調試也是分模塊進行，各個模塊調試通過函數裡調用，這樣寫結構明了，出錯時容易查錯。
3. 軟硬聯調
按程序定義的各個口分別把線接好，然後把程序寫進單片機控制各個模塊
五.指標測試
1. 測試儀器
(1)示波器
(2)萬用表
六.測試方法與結果分析
(1)通過鍵盤輸入所需的頻率，然後按確認鍵即可從示波器上看到輸出信號，輸出頻率範圍為：1KHZ至10MHZ。輸入所需頻率後，按住「+」「-」鍵即可實現頻率的步進，步進頻率為100±5HZ，每按按一次「-」鍵，頻率降低：100±5HZ。
按一次「+」鍵，頻率升高：100±5HZ。
(2)輸出所需頻率F後，觀測到頻率跳變小於發F×10E-4，所以輸出頻率穩定度優於1×10e-4.
(3)在輸出端接上50歐的電阻 ，用示波器探頭接到輸出端，觀察到示波器輸出峰峰值如下表所示
由此可見，輸出幅度符合基本要求。
(4)用示波器探頭接在輸出端，改變輸入頻率從1KHZ到10MHZ變化，輸出波形沒有失真現象。
經過測試，基本部分的指標都能達到。發揮部分由於要求輸出頻率帶寬很大，1KHZ到800KHZ 能夠滿足6v±1v，800KHZ到10MHZ電壓幅度放大不夠，只能達到2.5±0.5V,後來我們想設計一個高通濾波器，由於時間倉促，這部分沒辦法實現，所以1MHZ到10MHZ這個頻段沒有達到發揮部分的要求，在1M到10MHZ範圍內調製度Ma 可在10%到100%內程控調節，步進量為10%，在100KHZ到10MHZ頻率範圍內產生的最大頻偏位10KHZ，PSK和ASK信號都很好，沒有明顯的失真。
(5)用單片機產生速率為10Kbps的二進位基帶信號,從鍵盤輸入100KHZ的頻率，然後用二進位基帶信號調製載波信號，得到ASK信號和PSK信號。
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