正弦大电流稳流电路设计1

1、XXXXXXX学院毕 业 论 文（设 计）论文（设计）题目： 正弦大电流稳流电路设计 所属系别 信 息 工 程 系 专业班级 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 姓名 X X 学号 XXXXXXXXXXXXXXX 指导教师 X X 撰写日期 2012 年 5 月摘 要传统的正弦波信号发生器大多是基于模拟电子技术设计制作的，这种信号源制作简单，成本低廉，但是它的缺点也很多，比如不便于存储，频率稳定度差，失真度高等。DDS是以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的合成原理。本设计采用DDS和单片机技术相结合，以DDS芯片AD9850为核心设计了一种幅度、相位、频率都可

2、调节的正弦波信号发生器，它不仅能克服传统的正弦波信号发生器的缺点，而且由模拟乘法器产生调幅电路、采用数字键控的方法实现二进制PSK、ASK信号，且频带较宽、频率稳定度高，波形良好。该信号发生器具有更强的市场竞争力，在跳频技术、无线电通信技术方面具有比较广阔的发展前景。关键词 : 信号发生器 ,DDS ,AD9850 ,单片机 AbstractMost of the traditional sine wave signal generator is designed based on analog electronic technology, this is simple and low cos

3、t production source, but it has many shortcomings, such as it is not easy to store,its frequency stability is poor, high distortion and so on. DDS is a new synthetic principle which based on the all-digital technology, starting from the concept of phase direct synthesis of waveforms required.This de

4、sign uses DDS and microcontroller technology, the AD9850 DDS chip to the core ，design a sine wave signal generator，whose magnitude, phase, frequency can be regulated.Its not only can overcome the traditional shortcomings of the sine wave signal generator, and the amplitude circuit is produced by the

5、 analog multiplier , the digital keying is used to achieve binary PSK, ASK signal, and it has wide band, high frequency stability, wave good. The signal generator has a stronger market competitiveness, in the frequency hopping, radio communication technology has relatively broad prospects for develo

6、pment.Key Words：Signal Generator ,DDS ,AD9850 ,MCU目 录1 引言12 方案论证12.1 主控制器22.2 正弦信号产生22.3 输出电压放大32.4 FM调频电路32.5 AM调幅电路43 详细软硬件设计44 硬件模块设计54.1 正弦信号产生模块54.1.1 AD9850芯片简介54.2.3 相位控制字的计算64.3 带负载输出84.4 正弦调制信号的产生84.5 AM调幅信号的产生94.6 LCD显示器104.6.1 概述104.6.2 基本特性115 软件设计11致 谢131 引言信号源作为一种信号产生的装置已经越来越受到人们的重视，它可

7、以根据用户的要求，产生自己需要的波形，具有重复性好，实时性强等优点，已经逐步取代了传统的函数发生器。当今高性能的信号源均通过频率合成技术来实现，随着计算机、数字集成电路和微电子技术的发展，频率合成技术有了新的突破直接数字频率合成技术DDS(Direct Digital Synthesis)，他是将先进的数字信号处理理论与方法导入到信号合成领域的一项新技术，它的出现为进一步提高信号的频率稳定度提供了新的解决方法。同时，随着微电子技术的迅速发展，尤其是单片机技术的发展，智能仪器也有了新的进展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不断提高。本课题的目的就是依据DDS原理设计开发出一个能产生正弦波

8、，且能产生幅度调制（AM）信号电路，产生模拟调制（FM）信号电路，产生二进制PSK，ASK信号电路1。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010MHz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50负载电阻上使1K10MHz范围内的正弦信号输出电压幅度=6V1V；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Flash ROM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，

9、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2。2 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 2-1。图2-1 系统模块框图2.1 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

10、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

11、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3。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。2.2 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

12、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1K10MHz正弦信号发生。2.3 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

13、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。2.4 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

14、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。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。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4。 本设计使用方案三。2.

15、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5。3 详细软硬件设

16、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。 硬件连接图如图 3-1。图3-1 系统硬件连接图4 硬件模块设计4.1 正弦信号产生模块 正弦信号产生模块的主要部分是AD9850。 4.1.1 AD9850芯片简介AD9850 是AD 公司采用先进的DDS 技术于1996 年推出的高集成度DDS频率合成器，它内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器。接上精密时钟源，AD9850 可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟

17、正弦波输出。此正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出6。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-4085, 采用28 脚SSOP 表面封装形式。其管脚功能如图4-5所示。图 4-6是一个完整的可编程DDS系统,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

18、个正弦波周期的数字幅度信息, 每一个地址对应正弦波中 0360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7。图4-1 AD9850芯片管脚功能图相位寄存器每过2/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= 2/M，频率= Mfc/2 ，、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

19、接电阻RSET调节, 调节关系为= 32(1.248V/ RSET) , RSET的典型值是3.9k。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0.0291Hz8。4.2 相位控制字的计算AD9850 有串行和并行两种控制命令字写入方式。图4-7是控制字并行输入的时序图。并行输入方式下，在W_CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK上升沿后，W_CLK

20、的边沿不再起作用，直到复位信号或FQ_UD上升沿把地址指针复位到第一个寄存器。在FQ_UD的上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率/相位数据寄存器(更新DDS输出频率和相位)9。图4-2 控制字并行输入的时序图图4-3 控制字串行输入的时序图图4-4 AD9850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 4-510。图4-5 AD9850 连接图而且，应在电路中使用一

21、个截止频率为10MHz 的7 阶切比雪夫滤波器。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。4.3 带负载输出 要达到6V1V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，如图4-12；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 4-6所示：在推挽输出端接上了50电阻，输出幅度能达到题目的要求。图4-6 放大电路4.4 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

22、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 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。 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 4-7。巴特沃思二阶低通滤波器的截止频率为fc = 1/ 2RC 。由于只需产

23、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=80。 图4-7 二阶巴特沃思滤波器4.5 AM调幅信号的产生调幅（AM）是指用调制信号f（t）去控制载波c（t）的振幅，使已调波的包络按照f（t）的规律线性变化的过程，这种调制在中短波广播及通信中获得广泛应用。假设调制信号为f（t），载波为 c（t）=cos（t+） (4-1)则已调信号可以写为 (t)= + f（t）cost=m(t)cost (4-2)式中：为未调载波的振幅，为载波频率，为载波起始相位。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幅度来改

24、变调制度ma, 使其可在10%100%之间程控调节，步进量10%。本系统中采用的是模拟乘法器 MC1496 来实现调制器的设计, MC1496 中包含了由带双电流源的标准差动放大器驱动的四个高位放大器输出集电极交叉耦合,产生了两个输入电压的全波平衡调制乘积现象,也就是说输出信号是一个常数乘以两个输入信号的乘积, 即为 = K。 使用模拟乘法器比较容易实现调幅，调制质量高。电路如图 4-8。图4-8 MC1496电路图4.6 LCD显示器本设计中采用了TG12864A 液晶显示器，该显示器是12864点阵式液晶，其结构框图4-9 TG12864A 液晶显示器结构图4.6.1 概述带中文字库的12

25、8X64 是一种具有4 位/8 位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为12864, 内置8192个16*16 点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示84行1616 点阵的汉字，也可完成图形显示，低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。4.6.2 基本特性（1） 低电源电压（VDD:+3.0-+5.

26、5V）（2） 显示分辨率:12864点 （3） 内置汉字字库，提供8192个1616点阵汉字(简繁体可选) （4） 内置 128个168点阵字符 （5） 2MHZ 时钟频率 （6） 显示方式：STN、半透、正显（7） 驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8） 视角方向：6点 （9） 背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED 的1/51/10 （10） 通讯方式：串行、并选可选5 软件设计系统软件部分主要包括了具有友好界面的操作菜单，各种信号的设置和控制。正弦波产生过程为：频率设置，数据处理，然后控制DDS芯片完成各种频率的正弦波产生；调幅波产生过程为：通过调制系数的设置，控制D/A转换器输出，可得到不同幅值的调制波，与载波相乘来实现调幅波的产生；PSK、ASK产生：通过MCU对模拟开关的控制来完成PSK、ASK的产生。调频信号产生过程：通过A/D转换器采集调制信号，然后根据调制信号的幅度计算出频偏，把频偏数据下载到DDS即可实现频信号的产生。参考文献1 梅开乡,梅军进.模拟电子技术M.北京：北京理工大学出版社，2009.012葛中海.模拟电子技术M20110101北京：机械工业出版社3王卫东.模拟