基于dds的单片模频信号发生器的设计

基于dds的单片模频信号发生器的设计

0两种电源的选择需要高频振荡信号发生器又称信号源和振荡器，广泛应用于电路实验、设备检测和工业应用。通信、广播、电视系统中,都需要射频载波,把音频、视频信号或脉冲信号发射出去,因而需要高频振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内,如高频感应加热、熔炼、超声诊断、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。正弦信号发生器主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。本文设计的低频正弦信号发生器(1Hz～20MHz),频率稳定度高,信号幅值稳定,驱动负载能力强,可以输出调幅信号、调频信号、二进制移相键控(2PSK)信号、二进制移频键控(2FSK)信号和二进制振幅键控(2ASK)信号,具有优良的特性、低廉的成本。1系统设计1.1dds系统噪声的特性DDS工作原理如图1所示,用满足Nyquist准则的一定频率对正弦信号进行采样,控制采样周期Δt之间的相位增量Δφ,每次累加到相位寄存器中,用得到的相位值来寻址ROM查找表,实现相码和幅码的转换,得到输出波形的幅度值,经过D/A转换为模拟信号,就得到了输出频率信号ω=Δφ/Δt。设参考频率源频率为fclk,采用计数容量为2N的相位累加器(N为相位累加器的位数),频率控制字为M,则DDS系统输出信号的频率和频率分辨率分别为:fout=fclk2Ν×Μ‚Δf=fclk2Νfout=fclk2N×M‚Δf=fclk2N此方案产生的噪声有2种,量化噪声和非理想滤波器带来的噪声。幅度和相位量化噪声,简称量化噪声。在一定的电路中,它们是固定不变的。对于合成的正弦波来说,幅度和相位的量化值都是相应的幅度和相位的近似值,存在量化误差。现以幅度为例分析其量化噪声的由来及误差,因存储器大小的限制,对幅度值做了近似,被略去的部分就会产生背景噪声。另一种是数模转换器产生的阶梯波中的杂散频率通过非理想低通而带来的噪声。这类噪声将随着频率的增高而加大。2种噪声均为频率较高的成分,表现在频谱上和信号相距较远,可以用滤波器滤除。1.2调幅1+macost幅度调制(AM)就是使载波信号的幅度随调制信号的变化而变化的一种调制方式。设载波信号为vc(t)=Ucmcosωct(1)vc(t)=Ucmcosωct(1)调制信号为vΩ(t)=UΩmcosΩt(2)vΩ(t)=UΩmcosΩt(2)则调幅信号为式中,ma=kaUΩm/Um0(4)ma=kaUΩm/Um0(4)是调幅信号的幅度系数,简称调幅度,或调制深度。Um0(1+macosΩt)是vo(t)的振幅,它反映调制信号的变化,称为调制信号的包络。调幅信号的最大振幅Ummax为Um0(1+ma),最小振幅Ummin为Um0(1-ma),于是调制深度定义为ma=Ummax-UmminUmmax+Ummin×100%(5)从式中可以看出,实际控制调幅度ma时,保持载波信号幅度不变,控制调制信号的幅度,就可以实现mα在1%～100%调节。1.3同am中的数字调调信号频率调制(FM)就是使载波信号的频率按调制信号规律变化的一种调制方式。载波信号和调制信号的假设同AM,则调频信号的表达式为式中:φ0为起始相角;Mf为调频指数,Μf=kfUΩmΩ=ΔwinΩ=ΔfmFΔwin为最大频偏,其值与调制信号振幅UΩm成正比,Δwm=2πΔfm=kfUΩm。因此,在DDS控制程序中改变频率控制字,使其按调制信号规律变化,则能输出调频波。1.4ask实现原理ASK为幅移键控,FSK为频移键控,PSK为相移键控,BPSK为二相相移键控,假设数字信号为下式所示的随机脉冲序列m(t)=∑akg(t-kΤs)(7)式中,ak为随机变量,在二进制调制中,代表1和0的2种状态。已知载波信号vc(t)=Ucmsinωct。BPSK是指1状态时载波相移为零(sinωct),0状态时载波相移为180°即sin(ωct-π)的一种键控方式。由于sin(ωct-π)=-sinωct,因而,在任意码元波形的一般情况下,二相键控信号可以表示为vo(t)=Ucm∑kakg(t-kΤs)sinωct(8)利用受矩形脉冲控制的开关电路对2个不同相位的载波频率源进行选通。进行BPSK调制时,当信源S(t)为1时,开关电路接通0°的载波,当信源S(t)为0时,开关接通180°的载波,从而实现BPSK信号。ASK的实现原理与BPSK类似,也是通过信源S(t)控制开关电路的通断。不同的是,当信源S(t)为1时,开关电路接通载波,载波信号通过开关电路输出,当信源S(t)为0时,开关电路断开,无载波信号输出。FSK则是当信源S(t)为1时,开关电路接通一路载波,当信源S(t)为0时,开关电路接通另一频率的载波。1.5信号控制模块的实现系统的总体框图如图2所示。其中AD9851和自制DDS分别产生高频和低频正弦信号,经低通滤波、AGC和功率放大后得到1Hz～20MHz正弦信号;自制DDS信号源作为调制信号、AD9851输出作为载波信号控制模拟乘法器,实现了幅度调制;单片机控制载波信号的频率控制字,自制DDS控制频偏,两者同时控制AD9851的频率控制字,实现了频率调制;将时钟进行分频后,经并串转换后用100kHz的固定频率载波进行二进制键控,实现了ASK、PSK、FSK。在此基础上,系统还作了以下扩展:增加DAC使AM信号的调幅系数可调,FM信号的载波、调制信号频率及最大频偏可调,ASK、PSK和FSK信号的载波频率可调。2滤波器及电路分析硬件电路主要由3部分组成,AD9851的外围电路、自动增益控制电路、低通滤波器以及功率放大电路。外围电路与AD9851配合形成频率合适的信号,信号经过自动增益控制将幅值调整到合适的范围,进入滤波器除去噪声杂波提高信噪比,最后进入功率放大电路。2.1ad9851的电路AD9851的可编程功能主要是通过对内部的5个输入数据寄存器写入40bit的控制字来实现的。控制字的写入有并行和串行2种方式,并行方式是通过数据总线D0～D7来完成的,而串行方式是把D7上的数据按位串行移入到输入寄存器。2种方式都是通过W-CLK引脚接入的控制字写时钟来触发写入的。当控制字写完后,在FQ-UD信号的上升沿的作用下,控制字被写入频率相位数据寄存器,更新DDS的输出频率和相位。AD9851的电路见图3。由于DDS输出正弦信号具有阶梯状锯齿,因此在后级加上了7阶椭圆低通滤波器,用来滤除基频外的杂波分量,抑制谐波。2.2核心芯片ad603为保证AD9851输出的信号带内平坦,则需要增加1级AGC电路。AGC电路的其特点为:当输入信号较强时,自动将增益降低;当信号较弱时,又使其增益自动增高,从而保证输出信号幅值的相对稳定。我们用模拟器件公司的AD603作为自动增益控制的核心芯片(见图4)。AD603是单通道宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的VGA芯片,单个AD603的增益:Gain(dB)=40UG+10dB(9)电路增益由1脚和2脚间的电压差UG控制,两者之间的关系为:2脚接固定参考电压,1脚电压由后级峰值检测电路提供。2N3906和几个外围电阻组成1个IQ1=300μA左右的恒流源,2N3904作半波检测。流入电容C1和C2的电流Ic就是Q1和Q2集电极电流之差。当输出信号幅度较小时,Q2集电极电流IQ2减小,Ic=IQ1-IQ2增大,反馈电压增大,AD603的1、2脚间电压差增大,电路增益提高。当输出信号幅度增大时,Q2集电极电流IQ2增大,Ic=IQ1-IQ2减小,反馈电压减小,电路增益也随之降低,如此反复,最终电路将进入到稳定状态,输出信号幅度恒定。2.3ths2001运算放大器级联因一般信号源输出阻抗为50Ω,因此本系统设计输出阻抗为50Ω。50Ω的负载需要电路有较强的驱动能力,输出电流较大。采用2级放大,由于系统最大输出频率可达20MHz,一般运算放大器的摆率不够,会引起输出波形的失真,又考虑到输出功率的问题本系统采用2级电流型运算放大器级联。THS3001是高速电流型反馈运放,单位增益状态下时,带宽为420MHz;摆率为6.5kV/μs,最大输出电流为100mA,可以满足系统设计的要求,放大电路如图5所示。2.4高速dc芯片中接收点幅度调制信号的实现AM波产生选用4象限乘法器AD835,其3dB输出带宽为250MHz,输出满足W=XY+Z。要实现调制度的改变,只需改变调制信号的幅度即可。使用TI公司的14位高速DAC芯片DAC904产生幅度可调的调制信号,AD9851产生载波信号,从而实现调幅度的改变。根据式(3),vo(t)=Umo(1+mαcosΩt)cosωct,根据乘法器的输出公式,W=XY+Z,令Y=Z,可以得到W=(X+1)Z,令基带信号cosΩt进入X通道,载波信号Accosωct进入Z通道就可实现调幅。电路图如图6所示。3rammabsgf本系统的控制部分由单片机和现场可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)组成,单片机负责整体的控制和时序,FPGA主要完成AD9851的自动控制,DAC904时序控制,ASK、PSK、FSK、FM等调制波的产生。3.1信号产生模块ad9851数字调制波(FM、FSK,PSK,ASK等)由FPGA采用数字方法实现。数字调制省去了很多模拟器件,硬件得到了很大程度的简化,而且效果良好易于控制。通过自制DDS产生1kHz的正弦信号序列,同时,通过单片机控制总线输入FM的中心频率,再将两者处理后所得结果送AD9851的频率控制字,就可以使AD9851产生FM信号。2FSK,2PSK,2ASK的产生完全利用FPGA完成。该模块实现的功能是将时钟分频得到的二进制基带序列信号转换成以10kb/s固定速率的基带序列码,即完成并串转换的功能。然后以基带序列码控制3个2路开关的选通脚,就可以产生2FSK,2PSK,2ASK信号。电路输出端使用了1个四路开关选择AM、2FSK、2PSK、2ASK等信号的任一输出。调制结果通过数字示波器观察如图7～10所示。3.2实现了程序的内部接口单片机的软件设计上,本系统采用了软件工程的设计思想。整个编程过程,结构化与层次化思想贯穿始终。结构化不仅可以提高程序的可读性,也降低了程序的冗余程度;层次化使程序的通用性与适应性进一步增强,当外围器件电路改变时,只要改动最底层的独立接口子程序的具体基本功能实现模块,而向上层模块提供的接口不变,为软件的改进和调试提供了极好的条件。在人机界面上,力求界面的防弹性,做到输入错误的保护,误操作的复原,操作的提示。这样,使得整个系统的操作变得十分的人性化。如图11所示。4系统信号调制度系统实现了1Hz～20