一种新型的正弦信号发生器的设计与实现-设计应用

精品文档-下载后可编辑一种新型的正弦信号发生器的设计与实现-设计应用摘要：为地输出正弦波、调幅波、调频波、PSK、ASK等信号及保证信号的高可靠性，设计出一种新型的正弦信号发生器。该正弦信号发生器以可编程逻辑器件CPLD和单片机AT89S52为基础，采用数字频率合成DDS技术实现频率合成功能，结合高速D/A器件AD9713使得输出频率维持在1k~10MHz范围内，步进为100Hz，且通过对CPLD采用相应的数字控制算法实现调频FM，调幅AM和键控PSK、ASK数字调制功能。测试结果表明，设计的正弦信号发生器输出信号稳定度优于10-4，在频率范围内50Ω的负载上输出正弦波电压幅度稳定在6±0.6V，波形无明显失真，系统的整体性能良好。

0引言

正弦信号源在实验室和电子工程设计中有着十分重要的作用，而传统的正弦信号源根据实际需要一般价格昂贵，低频输出时性能不好且不便于自动调节，工程实用性较差。本文的设计以较低的成本制作正弦信号发生器，可用作核磁共振中引发磁场测量仪的激励一般的正弦信号，也可作为调制用的教学演示信号源。

正弦信号发生器主要由两部分组成：正弦波信号发生器和产生调幅、调频、键控信号。正弦波信号发生器采用直接数字频率合成DDS技术，在CPLD上实现正弦信号查找表和地址扫描，经D／A输出可得到正弦信号。具有频率稳定度高，频率范围宽，容易实现频率步进100Hz。全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控。

调幅、调频、键控信号的产生可采用调频、调幅专用芯片能分剐实现，但是该方法实现的调频调幅功能，对于某一特定频率和特定的调制度、频偏效果较好，在载波频率可变和调制度、频偏要求任意设定的情况下难以实现。本文利用CPLD和单片机AT89S52不仅可以实现频率范围可调的正弦波信号，而且在CPLD内部加上相应的数字控制算法就能方便地实现调频FM，调幅AM和键控PSK、ASK数字调制功能有利于提高系统的整体性能和工作可靠性。正弦信号产生部分可在一片CPLD(EP1K30)中实现，大大地简化了硬件电路，便于功能扩展，并为进一步实现系统集成创造了条件。

1理论分析与计算

1．1正弦波形的产生

单向DDS由Nbit相位累加器和ROM只读存储器(正弦查找表)构成的数控振荡源(NCO)，数模转换器(DAC)、低通平滑滤波器(LPF)构成，图1所示为DDS的基本结构。

图1中fc为时钟频率，K为频率控制字，N为相位累加器的字长，M为ROM地址线位数，L为ROM数据线宽度，fo为输出频率。相位累加器由全加器和累加寄存器级联组成。在时钟频率fc的控制下，对输入频率控制字K进行累加，累加满量时就产生溢出。相位累加器的输出对应于该时刻合成周期信号的相位，并且这个相位是周期性的，在0～2π范围内变化。相位累加器位数为N，输出为2N-1，对应于2π的相位，累加1次就输出1个相应的相位码，地址以查表方式，得到对应相位的信号幅度值，经过数模转换，就可以得到一定频率的信号输出波形，低通滤波器对输出的信号波形进行平滑处理，滤除杂波和谐波。由于控制字K经过2N／K次累加，相位累加器满量溢出，完成1个周期运算，所以输出频率fo由fc和K共同决定，即fo=fcK／2N且K2N-1，得到DDS的分辨率可达fc／2N。理论上通过设定DDS相位累加器的位数N、频率控制字K和时钟频率fc的值，就可以产生任一频率的输出。根据频率步进100Hz的要求，选取累加器的位数为19位，计算出时钟频率fc应为52．4288MHz。步进的累计误差通过软件补偿的方法进行修正，利用现有的52．4160MHz晶振完全地实现步进100Hz的要求。

图1基于DDS的正弦信号发生器的原理图

1．2产生模拟幅度调制信号

用调制信号去控制高频振荡的幅度，使其幅度的变化量随调制信号成正比地变化，这一过程称为幅度调制。若载波为uc=Uccosωct，调制信号为f(t)=cosΩt，则调幅波为

普通调幅波利用模拟相乘器实现，但是外围电路复杂，改变调制度需改变电路元件的参数，实现起来繁琐。可以采用CPLD芯片结合DDS技术灵活的实现数字调幅，原理如图2所示。

图2幅度调制原理图

由DDS产生的波形信号作为载波，在单片机内部作调制信号为1kHz的正弦波形存储表，根据键盘所设定的调制度ma(10％～100％)与存储表中的数据相乘的结果送CPLD与DDS得到的波形相乘，再与DDS信号相加就产生相应的数字调幅波编码，经D／A转换得到模拟调幅信号。

1．3产生模拟频率调制信号

在连续波调制中，载波可表示为uc=Uccosωct，调制信号为UΩ(t)，调频波是瞬时频率的变化量与调制信号成正比，因此调频波的瞬时角频率除了载波角频率ωc外，还附加一项和调制信号成正比的部分，式中kf为比例系数，是单位调制信号强度引起的频率变化。△ωf(t)的值△ωf称为频偏，反映在频率上为f(t)=fc+△fcos(2πft)，调频波的表达式：

图3为CPLD数字调频电路，频偏为5K时的控制字是50，将余弦波形与50相乘，并与单片机传递的频率控制字相加，送入DDS模块经D／A转换就可以输出调频波，其设计原理图如图4所示。

图3CPLD数字调频电路图

图4频率调制设计原理图

1.4产生二进制PSK、ASK信号

用数字基带信号去控制高频正弦波的幅度就是振幅键控调制ASK。在CPLD内部只需要根据所设定的二进制基带序列码对产生的DDS波形进行处理，二进制基带序列为1时波形通过，序列为0时输出0，仿真波形如图5所示。

图5二进制ASK仿真波形图

移相键控PSK是数字基带信号去控制载波的相位。它是利用载波不同相位或相位变化来传递信息的。PSK的实现方法是根据数字基带信号的两个电平(或符号)使载波相位在两个不同的数值之间切换，两个载波相位通常相差180°。波形如图6所示。

图6二进制PSK仿真波形图

1．5输出信号调理部分

D／A转换电路如图7所示，选用的是12位高速D／A器件AD9713，该器件具有更好的静态性能和动态特性。AD9713B更新速率可达100MS／s。由于该D／A转换器是针对DDS、波形重构和高质量图像信号处理等应用而设计的，这款芯片在动态特性方面表现特别突出，并且具有优良的谐波抑制能力。AD9713输出满量程电流输出是由VCONTROLAMPIN和RSET决定的，图7中AD9713采用内部参考电压，输出满量程电流为-20mA。

图7D／A转换电路

幅度调节电路是由放大器组成。高频信号放大要求放大器有足够的输出电压转换速率，在正弦波的情况下，放大器所需要的摆率SR=2πω=2πAf，其中ω为信号的角频率，A为信号幅度，f为频率。此外，幅度调节电路要求带低阻负载，放大器的电流输出能力也是个重要参数，要在50Ω负载上输出6V信号，则放大器至少要有120mA的连续电流输出能力。考虑以上原因，本文选择AD公司的高速运放AD811作为输出放大器，它是一个宽带高速电流反馈型运算放大器，其各项参数非常适合上述指标：小信号带宽(G=+2时)达120MHz，电压摆率SR为2500V／μs，全谐波失真THD为-74dB(10MHz)，输出电流达100mA，其短路输出电流可达150mA。

幅度调节电路如图8所示，图中R3和R4起分流作用，限制用于I／V转换的电流，1个电流反馈的高速放大电路。它把AD9713输出的电流转换成电压，通过反馈电阻Rf的电流决定AD811输出的幅度为6V。为了增大后级的带负载能力设计了后级电压跟随，模拟输出的部分是滤波电路，滤波器的选择主要取决于系统所要输出的波形，在50Ω的负载电阻上的电压峰峰值为6±1V。

图8幅度调节电路

1．6频率值的接收与显示

键盘、显示部分用来实现用户与单片机的交互。系统采用中断查询的方式接收通过键盘输入的频率值。该频率值一方面送到数码显示接口进行显示，另一方面转化成频率控制字送往相位累加模块。

2系统软件设计

单片机程序采用C语言，在KeiluV2环境下编译，用WAVE6000L仿真器调试CPLD在MAXPLUSⅡ下开发，采用VHDL语言编程。

关于CPLD部分，相位测量仪和数字移相信号发生器采用ALTERA公司的EP1K30TC144-3FPGA芯片，原理图已经在前面的分析中。关于单片机部分，程序流程图如图9所示。

图9程序流程图

3功能及指标测试

利用测试仪器：EE1641B1型函数信号发生器／计数器，直流稳压电源GPS-3303C、60MHz示波器TDS1002，高频测试仪等对设计的信号发生器进行性能测试。正弦波的频率范围、步进、在50Ω负载上的输出电压幅度，失真度测量如表1所示，频率稳定度测量如表2所示，步进为10％的幅度调制测试如表3所示，调制信号为1kHz的频率调制测试如图10所示，二进制PSK、ASK如图11和图12所示。

表1正弦波实验观察结果

表2正弦波频率稳定度测试结果

表3正弦波幅度调制测试结果

图10正弦波频率调制测试结果

图11ASK信号测试图

图12PSK信号测试图

经过测试可以得到，本文设计的系统可达以下性能指标：

1)正弦波输出频率范围1kHz～10MHz。

2)具有频率设置功能，频率步进100Hz。

3)输出信号频率稳定度优于10-4。

4)输出电压幅度在50Ω负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥1V。

5)失真度用示波器观察时无明显失真。