正弦信號發(fā)生器設(shè)計方案

1 引言
??? 為了精確地輸出正弦波、調(diào)幅波、調(diào)頻波、PSK及ASK等信號，并依據(jù)直接數(shù)字頻率合成(Direct Digital FrequencySvnthesizer，簡稱DDFS)技術(shù)及各種調(diào)制信號相關(guān)原理，設(shè)計了一種采用新型DDS器件產(chǎn)生正弦波信號和各種調(diào)制信號的設(shè)計方法。采用該方法設(shè)計的正弦信號發(fā)生器已廣泛用于工程領(lǐng)域，且具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，界面友好等特點。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
??? 圖1給出系統(tǒng)總體設(shè)計方框圖，它由單片機、現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)及其外圍的模擬部分組成。在FPGA的內(nèi)部數(shù)字部分中，利用FPGA內(nèi)部的總線控制模塊實現(xiàn)與鍵盤掃描、液晶控制等人機交互模塊的通信，并在單片機與系統(tǒng)工作總控制模塊之間的交互通信中起橋梁作用。系統(tǒng)工作總控制可統(tǒng)一控制各個時序模塊；各時序模塊用于完成相應(yīng)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(diào)制信號；再利用調(diào)幅電路，使FPGA內(nèi)部DDS模塊產(chǎn)生的信號與AD9851輸出的載波信號變?yōu)檎{(diào)幅信號，同時在基帶碼控制下通過PSK/ASK調(diào)制電路得到PsK和ASK信號。最后，各路信號選擇通道后，經(jīng)功率放大電路驅(qū)動50Ω負(fù)載。

3 理論分析與計算
3．1 調(diào)幅信號
??? 調(diào)幅信號表達式為：

???
式中：ω0t，ωt分別為調(diào)制信號和載波信號的角頻率；MA為調(diào)制度。
??? 令V(O)=Vocos(ω0t)，V(ω)=MAcos(ωt)，則V(t)=V(O)+V(O)V(ω)。故調(diào)幅信號可通過乘法器和加法器得到；通過改變調(diào)制信號V(ω)的幅值改變MA，V(ω)的范圍為0．1～l V，MA對應(yīng)為10％~100％。
3．2 調(diào)頻信號
??? 采用DDS調(diào)頻法產(chǎn)生調(diào)頻信號，具體實現(xiàn)方法：通過相位累加器和波形存儲器在FPGA內(nèi)部構(gòu)成一個DDS模塊，用于產(chǎn)生1 kHz的調(diào)制信號。其中，波形存儲器的數(shù)據(jù)即為調(diào)制信號的幅度值。將這些表示幅度值的數(shù)據(jù)直接與中心頻率對應(yīng)的控制字相加，即可得到調(diào)頻信號的瞬時頻率控制字，再按調(diào)制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(yīng)的調(diào)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(fù)用器實現(xiàn)。當(dāng)控制信號為1時，選擇載波信號輸出；當(dāng)控制信號為0時，不選擇載波信號輸出；當(dāng)控制信號由速率為10 Kb／s的數(shù)字脈沖序列給出時，可以產(chǎn)生ASK信號。PSK信號是移相鍵控信號，這里只產(chǎn)生二相移相鍵控，即BPSK信號。它的實現(xiàn)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(shù)為l的反相放大電路實現(xiàn)。

4 主要功能電路設(shè)計
??? 圖2給出調(diào)幅電路。它采用ADI公司的乘法器AD835實現(xiàn)。該器件內(nèi)部自帶加法器，可直接構(gòu)成調(diào)幅電路。圖3給出PSK／ASK電路。它主要由多路復(fù)用器和移相器構(gòu)成。其中，移相器采用Maxim公司的高速運算放大器MAX477所構(gòu)成的反相放大電路實現(xiàn)，多路復(fù)用器采用ADI公司的AD7502。當(dāng)兩條通道選擇控制線A1AO為ll時，輸出原信號；當(dāng)A1A0為00時，輸出原信號的反相信號；當(dāng)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(yīng)輸出PSK和ASK信號。

??? FPGA內(nèi)部DDS調(diào)頻電路由分頻器、累加器、ROM和AD985l時序控制電路構(gòu)成。分頻器用于得到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(fā)送頻偏控制字；AD985l時序控制電路根據(jù)中心頻率并結(jié)合頻偏控制字向AD985l器件發(fā)送頻率控制字，以實現(xiàn)DDS調(diào)頻。

??? 功率放大電路由ADI公司的高速運算放大器AD811和T1公司的緩沖器BUF634構(gòu)成，如圖4所示。AD8ll采用同相放大器接法，將輸入信號放大到電壓峰峰值為6 V；后級緩沖電路用于提供足夠的輸出電流，使負(fù)載的輸出電壓峰值穩(wěn)定在6 V。由于AD81l的輸出電流較大，所以在AD811與緩沖器之間串接了一只l kΩ的電阻用于限流。電路調(diào)試時發(fā)現(xiàn)．輸出高頻信號有衰減。經(jīng)過分析獲知，主要原因在于后級緩沖器有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(yīng)。于是在AD811輸出與BUF634輸入之間接入了?一只330nF的補償電容，補償后的電路高頻響應(yīng)效果良好。

5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
??? 該系統(tǒng)軟件采用結(jié)構(gòu)化和層次化的設(shè)計方法。前者指相應(yīng)的基本功能模塊利用底層處理子程序所處理的數(shù)據(jù)，向上層全功能模塊提供處理后的數(shù)據(jù)；后者指利用前者的接口完成該模塊功能。最后由主程序調(diào)用全功能模塊構(gòu)建系統(tǒng)。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(diào)幅波、調(diào)頻波、鍵控波4種輸出模式和1個復(fù)位模式。在不同的模式下分別執(zhí)行相應(yīng)的子程序，最后分別向FPGA寫入相應(yīng)的控制字。

6 測試數(shù)據(jù)
??? 該系統(tǒng)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；示波器用于測試正弦波、調(diào)幅波、調(diào)頻波、PSK以及ASK等信號波形。這里選取1 kHz，lO kHz，100 kHz，l MHz和10 MHz這5個頻率點對正弦信號發(fā)生器進行測試，將實際頻率與預(yù)置頻率相比較，得到各頻率點的相對誤差均小于0．05‰。其中100 kHz和10 MHz處的相對誤差小于0．02‰；5個頻率點所對應(yīng)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(jié)語
??? 該系統(tǒng)較好地完成了預(yù)期的各項功能和指標(biāo)。正弦波的輸出頻率范圍為l kHz～10 MHz，在其內(nèi)頻率穩(wěn)定度為10～4；調(diào)頻波的輸出頻率范圍為100 kHz～10 MHz，在其內(nèi)最大頻偏可分為5 kHz／10 kHz二級程控調(diào)節(jié)；調(diào)幅波的輸出頻率范圍為l~10 MHz，在其內(nèi)調(diào)制度可在10％~100％之間程控調(diào)節(jié)，且步進為10％；ASK及PSK信號則通過移相電路和多路復(fù)用器的結(jié)合，在FPGA給出的基帶序列信號控制下產(chǎn)生。