正弦信號發(fā)生器正弦信號發(fā)生器 摘要 摘要 本系統(tǒng)以 MSP430 和 DDS 為控制核心 由正弦信號發(fā)生模塊 功率放 大模塊 頻率調(diào)制 FM 幅度調(diào)制 AM 模塊 數(shù)字鍵控 ASK PSK 模塊以 及測試信號發(fā)生模塊組成 采用數(shù)控的方法控制 DDS 芯片 AD9851 產(chǎn)生 1kHz 10MHz 正弦信號 經(jīng)濾波 放大和功放模塊達(dá)到正弦信號輸出電壓幅度 6V 1V 并具有一定的驅(qū)動能力的功能 產(chǎn)生載波信號可設(shè)定的 AM FM 信號 二進(jìn)制基帶序列碼由 CPLD 產(chǎn)生 在 100KHz 固定載波頻率下進(jìn)行數(shù)字鍵控 產(chǎn) 生 ASK PSK 信號且二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為 10kbps 二進(jìn)制基帶序列信 號可自行產(chǎn)生 關(guān)鍵詞 關(guān)鍵詞 DDS 寬頻放大 模擬調(diào)頻 模擬調(diào)幅 一 方案比較與論證一 方案比較與論證 1 方案論證與選擇 1 正弦信號產(chǎn)生部分 方案一 使用集成函數(shù)發(fā)生器芯片 ICL8038 ICL8038 能輸出方波 三角波 正弦波和鋸齒波四種不同的波形 將他作為正 弦信號發(fā)生器 它是電壓控制頻率的集成芯片 失真度很低 可輸入不同的外 部電壓來實(shí)現(xiàn)不同的頻率輸出 為了達(dá)到數(shù)控的目的 可用高精度 DAC 來輸出 電壓以控制正弦波的頻率 方案二 鎖相環(huán)頻率合成器 PLL 鎖相環(huán)頻率合成器 PLL 是常用的頻率合成方法 鎖相環(huán)由參考信號源 鑒相 器 低通濾波器 壓控振蕩器幾個(gè)部分組成 通過鑒相器獲得輸出的信號 FO 與 輸入信號 Fi 的相位差 經(jīng)低通濾波器轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的控制電壓 控制 VCO 輸出的 信號頻率 只有當(dāng)輸出信號與輸入信號的頻率于相位完全相等時(shí) 鎖相環(huán)才達(dá) 到穩(wěn)定 如果在環(huán)路中加上分頻系數(shù)可程控的分頻器 即可獲得頻率程控的信 號 由于輸出信號的頻率穩(wěn)定度取決于參考振蕩器信號 fi 參考信號 fi 由晶振分頻得到 晶振的穩(wěn)定度相當(dāng)高 因而該方案能獲得頻率穩(wěn)定的信號 一般來說 PLL 的頻率輸出范圍相當(dāng)大 足以實(shí)現(xiàn) 1kHz 10MHZ 的正弦輸出 如 果 fi 100Hz 只要分頻系數(shù)足夠精細(xì) 能夠以 1 步進(jìn) 頻率 100Hz 步進(jìn)就可以 實(shí)現(xiàn) 方案三 直接數(shù)字頻率合成 DDS DDS 是一種純數(shù)字化方法 它現(xiàn)將所需正弦波一個(gè)周期的離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字 量存入 ROM 中 然后按一定的地址間隔 相位增量 讀出 并經(jīng) DA 轉(zhuǎn)換器形成 模擬正弦信號 再經(jīng)低通濾波器得到質(zhì)量較好的正弦信號 DDS 原理圖如圖 1 所示 N 相位 累加器 正弦查詢 表 ROM D A 轉(zhuǎn)換器 低通濾波 器 LPF S位 系統(tǒng)時(shí)鐘 OUT頻率控制字K M相位 圖 1 DDS 原理圖 方案一不能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定頻率信號的輸出并且難于數(shù)字控制 電容 電阻參數(shù) 隨溫度等其他因素的影響 頻率穩(wěn)定度以及電路的穩(wěn)定度都較低 實(shí)現(xiàn)也較復(fù) 雜 不予采納 PLL 方案和 DDS 方案都能實(shí)現(xiàn) 1kHz 10MHz 的穩(wěn)定的信號輸出 且能達(dá)到 100Hz 頻率步進(jìn) 但是 PLL 的動態(tài)特性卻很差 在頻率改變時(shí) 環(huán)路 從不穩(wěn)定到穩(wěn)定的過程有時(shí)間延遲 相比較而言 DDS 的頻率輸出范圍一般低 于 PLL 且雜散也大于 PLL 方案 但 DDS 信號源具有輸出頻率穩(wěn)定度高 精度 更高 分辨率更高且易于程控等優(yōu)點(diǎn) 且頻率改變不存在失調(diào)過程 盡管有雜 散干擾 只需在輸出級加濾波器仍可以得到質(zhì)量很好的正弦波形 綜上所述 選擇方案三 2 放大輸出電壓 方案一 采用高頻三極管做功率放大 選擇恰當(dāng)?shù)碾娮韬碗娙輥韺?shí)現(xiàn)符合 題目要求的放大倍數(shù) 但是使用三極管放大時(shí) 信號放大的穩(wěn)定性不高 很難 滿足題目的要求 故不采用 方案二 采用寬頻運(yùn)算放大器做前級電壓放大 AD8011 可以達(dá)到 120M 的帶 寬 而且頻率穩(wěn)定性好 故本設(shè)計(jì)中采用了方案二 3 產(chǎn)生二進(jìn)制信號的 ASK PSK 方案一 ASK 的實(shí)現(xiàn) 數(shù)字基帶序列和載波輸入相乘實(shí)現(xiàn) PSK 也可通過此 方法實(shí)現(xiàn) 方案二 模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn) ASK PSK 是數(shù)字調(diào)制技術(shù) 可采用的模擬開關(guān)來 實(shí)現(xiàn) 將模擬地線和載波分別接到模擬開關(guān)的兩個(gè)輸入端 用數(shù)字基帶序列控 制模擬開關(guān)的切換 即可以得到 ASK 信號 同樣的道理 將載波及其倒 相信 號分別通入模擬開關(guān)的兩個(gè)輸入端 用數(shù)字基帶序列控制模擬開關(guān)的切換 可 以得到 PSK 信號 考慮到載波頻率為 100kHz 需要較高速的模擬開關(guān) 方案三 通過單片機(jī)控制 輸入 DDS 中實(shí)現(xiàn) 該方法沒有外圍設(shè)備 實(shí)現(xiàn) 方式較為穩(wěn)定 綜上所述 選擇方案三 4 FM 調(diào)頻電路 方案一 使用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻 變?nèi)荻O管是根據(jù) PN 結(jié)的結(jié)電容隨反 向電壓改變而變化的原理設(shè)計(jì)的一種二極管 加反向偏壓時(shí) 變?nèi)荻O管呈現(xiàn) 一個(gè)較大的結(jié)電容 變?nèi)荻O管要并接在產(chǎn)生中心頻率振蕩的選頻網(wǎng)絡(luò)的兩端 并加上調(diào)制信號 使中心頻率隨調(diào)制信號的幅值的改變而改變 從而達(dá)到調(diào)頻 作用 但是本方案會使電路產(chǎn)生的頻偏不穩(wěn)定 容易產(chǎn)生中心頻率偏移 方案二 采用鎖相環(huán)進(jìn)行調(diào)制 采用鎖相環(huán)路調(diào)頻 能夠達(dá)到中心頻率高 度穩(wěn)定的調(diào)頻信號 由于鎖相環(huán)能跟蹤并鎖定中心頻率 從而使中心頻率有足 夠高的穩(wěn)定度 而調(diào)制信號就加在 VCO 壓控振蕩器 的輸入端 從而使中心 頻率隨調(diào)制信號的幅值的改變而改變 本方案比較直觀 而且中心頻率和頻偏 都比較準(zhǔn)確 但是電路復(fù)雜 故不采用 方案三 MSP430 單片機(jī)可先將調(diào)制信號離散化 當(dāng)采集完一個(gè)周期 1ms 的數(shù)據(jù)后 計(jì)算出每相鄰兩個(gè)抽樣點(diǎn)的偏移量 這樣就可以根據(jù)偏移量控制改 變 DDS 的輸出頻率 從而達(dá)到調(diào)頻效果 而且硬件設(shè)計(jì)簡單 綜上所述 本設(shè)計(jì)選擇方案三 5 AM 調(diào)幅電路 方案一 采用單二極管開關(guān)狀態(tài)調(diào)幅電路 使二極管近似處于一種理想的開 關(guān)狀態(tài)下 在兩個(gè)不同頻率電壓作用下進(jìn)行頻率交換 方案二 采用二極管平衡調(diào)幅電路 它是利用二極管的開關(guān)狀態(tài)和平衡抵消 的措施 經(jīng)調(diào)幅后通過帶通濾波器就可以得到調(diào)幅信號 前面兩種方案電路實(shí)現(xiàn) 比較復(fù)雜 而且由于采用分立元件 穩(wěn)定性比較差 調(diào)試?yán)щy 方案三 采用模擬乘法器調(diào)幅電路 它是一種完成兩個(gè)模擬信號相乘作用 的電路 起到頻率搬移的作用 若采用專門的模擬乘法器芯片 電路實(shí)現(xiàn)簡單 穩(wěn)定性比較好 功能實(shí)現(xiàn)容易 符合題目要求 基于此 本系統(tǒng)采用方案三 選用集成乘法器 AD835 實(shí)現(xiàn) AM 的模擬調(diào)幅 2 系統(tǒng)方案描述 本系統(tǒng)以 MSP430 單片機(jī)為核心 由 DDS 產(chǎn)生個(gè)功能所需的正弦波信號 系 統(tǒng)的總體框圖如圖 2 所示 4 4矩陣鍵盤 MCU msp430 DDS AD9850 放大器 AD811 FM波 1KHz 10MHz正弦波 10MHz 減法器 AD811 乘法器 AD835 D A轉(zhuǎn)換器 TLC7528 1KHz AM波 2ASK 2PSK 圖 2 系統(tǒng)的總體框圖 二 硬件電路設(shè)計(jì)二 硬件電路設(shè)計(jì) 1 放大器 經(jīng)以 AD811 為核心組成的放大器 將 DDS 輸出的信號放大 實(shí)現(xiàn)了正弦信 號輸出電壓峰峰值為 6V 左右 其原理圖如圖 3 所示 AD811 15V 7 4 15V 6 2 3 i u o u 10K 10uF 0 1uF 2K 10uF 0 1uF 圖 3 放大器原理圖 2 D A 轉(zhuǎn)換器 以 TLC7528 為核心 經(jīng) OP37 構(gòu)成的比較器 再由一級射極跟隨器提高帶負(fù) 載能力 將來自 MSP430 輸入的 64 點(diǎn)頻率點(diǎn)轉(zhuǎn)換成模擬的 1KHz 正弦波 其原理 圖如圖 4 所示 OP37 15V 7 4 15V 6 2 3 10uF 0 1uF 10uF 0 1uF OP37 7 4 6 2 3 10K 10K DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 RFBA OUTA RFBB OUTB TLC7528 VCC VREFA VREFB DAC A B CS WR 17 4 18 6 15 16 1 5 14 13 12 11 10 9 8 7 3 2 19 20 5V 10uF 0 1uF D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 o u 圖 4 D A 轉(zhuǎn)換器原理圖 3 乘法器 本設(shè)計(jì)采用 AD835 構(gòu)成 一端輸入有 DDS 產(chǎn)生的 1MHz 正弦波 另一端輸入 由 D A 轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的 1KHz 正弦調(diào)制信號 由 W 端輸出 AM 調(diào)制信號 其原理圖 如圖 5 所示 圖 5 乘法器原理圖 4 減法器 由于 DDS 輸出的信號中含有直流分量 造成 AM 調(diào)制波只有正半波 故在 DDS 輸出加至乘法器之前 先由減法器將直流分量想抵消 達(dá)到濾除直流信號 的目的 其原理圖如圖 所示 AD811 15V 7 4 15V 6 2 3 o u 20K 10uF 0 1uF 10K 10uF 0 1uF 5 1K 10K 10K 2i u VCC 1i u 10K 圖 6 減法器原理圖 三 軟件電路設(shè)計(jì)三 軟件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件部分主要包括了各種信號的設(shè)置和控制 正弦波產(chǎn)生過程為 頻 率設(shè)置 數(shù)據(jù)處理 然后控制 DDS 芯片完成各種頻率的正弦波產(chǎn)生 調(diào)幅波產(chǎn) 生過程為 通過調(diào)制系數(shù)的設(shè)置 控制 D A 轉(zhuǎn)換器輸出 可得到不同幅值的調(diào) 制波 與載波相乘來實(shí)現(xiàn)調(diào)幅波的產(chǎn)生 PSK ASK 產(chǎn)生 通過 MCU 對字節(jié)操作 輸出的控制來完成 PSK ASK 的產(chǎn)生 調(diào)頻信號產(chǎn)生過程 通過 A D 轉(zhuǎn)換器采集 調(diào)制信號 然后根據(jù)調(diào)制信號的幅度計(jì)算出頻偏 把頻偏數(shù)據(jù)下載到 DDS 即可 實(shí)現(xiàn)調(diào)頻信號的產(chǎn)生 如圖 2 17 初始化 是否有鍵按下 開始 頻率設(shè)置 DDS控制 正弦波 輸出 頻率 100Hz 定時(shí)器 初始化 檢測P2 口狀態(tài) 2ASK 定時(shí)器 初始化 檢測P2 口狀態(tài) 2PSK 頻偏 選擇 是否有鍵按下 頻偏 5KHz 頻偏 10KHz 調(diào)制系數(shù) 設(shè)置 D A轉(zhuǎn)換 設(shè)置 是否有鍵按下 調(diào)制系數(shù) 10 FM波 AM波 復(fù)位 Y N 1234 5 6 Y Y N N 圖 7 程序流程圖 四 數(shù)據(jù)測試與分析四 數(shù)據(jù)測試與分析 1 測試儀器 Tektionix TDS1001 雙通道數(shù)字示波器 40M YB4328 模擬示波器 20M YB1602P 功率函數(shù)信號發(fā)生器 2MHz 自制電源 產(chǎn)生 15V 12V 5V 直流電壓 四位半數(shù)字萬用表 2 指標(biāo)測試 1 正弦波指標(biāo)測試 把正弦波輸出端接入數(shù)字頻率計(jì) 以 1K 10K 100K 1M 5M 10M 作為測 試點(diǎn) 得到如表 1 數(shù)據(jù) 表 1 正弦波指標(biāo)測試數(shù)據(jù) 頻率 輸出電壓 失真度 目測 穩(wěn)定性 最大頻率偏移 1KHz 7 0V 無 0 03Hz 10KHz 6 2V 無 0 5Hz 100KHz 5 6V 無 4Hz 1MHz 5 2V 無 23Hz 5MHz 5 0V 少許尖頂 43Hz 10MHz 4 2V 少許尖頂 70Hz 由上表可見 正弦波輸出頻率在 1KHz 10MHz 帶寬內(nèi)輸出電壓能保持在 4V 7V 之間 頻率穩(wěn)定性也能在 10 4 之下 頻率最小步進(jìn)可達(dá)到 1Hz 但輸出 頻率高于 5MHz 時(shí)就會出現(xiàn)少許失真 原因可能是電路設(shè)計(jì)不足 跳線太多 造 成高頻干擾 2 2ASK 和 2PSK 指標(biāo)測試 將 DDS 輸出端接到數(shù)字示波器 按下 2 號按鍵從示波器可以清晰看見二進(jìn) 制 ASK 波形 其波形圖如圖 8 所示 按下 3 號按鍵從示波器可以清晰看見二進(jìn) 制 PSK 波形 其波形圖如圖 9 所示 由圖可知 實(shí)現(xiàn)了 2ASK 和 2PSK 信號的產(chǎn) 生 圖 8 2ASK 波形圖 圖 9 2PSK 波形圖 3 FM 調(diào)制波指標(biāo)測試 利用模擬示波器測試 FM 性能 測試結(jié)果如表 2 其頻偏為 5KHz 的波形圖 如 圖 10 所示 頻偏為 10KHzd 的波形圖如圖 11 所示 圖 10 頻偏為 5KHz 的波形圖 圖 11 頻偏為 5KHz 的波形圖 表 2 FM 調(diào)制波指標(biāo)測試數(shù)據(jù) 頻率 最大頻偏 失真度 穩(wěn)定性 100KHz 5 10KHz 小 左右晃動 1MHz 5 10KHz 小 好 10MHz 5 10KHz 小 好 實(shí)現(xiàn)了 5 10KHz 調(diào)頻信號的發(fā)生 4 AM 調(diào)制波指標(biāo)測試 把 AM 輸出信號接入示波器 目測其調(diào)制系數(shù) 測試數(shù)據(jù)如表 3 且其調(diào)制 系數(shù)為 100 的幅度調(diào)制波形圖如圖 12 所示 其調(diào)制系數(shù)為 50 的波形圖如圖 13 所示 表 3 AM 調(diào)制波指標(biāo)測試數(shù)據(jù) 頻率 步進(jìn) 失真度 穩(wěn)定性 1MHz 10 100 小 好 3MHz 10 100 小 較好 10MHz 10 100 有失真 有重影 圖 12 調(diào)制系數(shù)為 100 的 AM 波 圖 13 調(diào)制系數(shù)為 50 的 AM 波 AM 調(diào)制系數(shù)實(shí)現(xiàn)了 10 的步進(jìn) 1MHz 正弦波作載波時(shí) 輸出調(diào)幅波很穩(wěn) 定且清晰 但隨載波頻率的增加就會出現(xiàn)重影現(xiàn)象 五 結(jié)論五 結(jié)論 本設(shè)計(jì)通過以 MSP430 和 DDS 為控制核心 由正弦信號發(fā)生模塊 功率放大 模塊 頻率調(diào)制 FM 幅度調(diào)制 AM 模塊 數(shù)字鍵控 ASK PSK 模塊以及 測試信號發(fā)生模塊實(shí)現(xiàn)了題目中要求的相關(guān)事宜 經(jīng)濾波 放大和功放模塊達(dá) 到了正弦信號輸出電壓幅度 6V 1V 并具有一定的驅(qū)動能力的效果 并且產(chǎn)生 了載波信號可設(shè)定的 AM FM 信號 采用數(shù)控的方法控制 DDS 芯片 AD9851 產(chǎn)生 了 1kHz 10MHz 正弦信號