正弦信号发生器设计方案

正弦信号发生器设计方案

1 引言
    为了精确地输出正弦波、调幅波、调频波、PSK及ASK等信号，并依据直接数字频率合成(Direct Digital FrequencySvnthesizer，简称DDFS)技术及各种调制信号相关原理，设计了一种采用新型DDS器件产生正弦波信号和各种调制信号的设计方法。采用该方法设计的正弦信号发生器已广泛用于工程领域，且具有系统结构简单，界面友好等特点。

2 系统总体设计方案
    图1给出系统总体设计方框图，它由单片机、现场可编程门阵列(FPGA)及其外围的模拟部分组成。在FPGA的内部数字部分中，利用FPGA内部的总线控制模块实现与键盘扫描、液晶控制等人机交互模块的通信，并在单片机与系统工作总控制模块之间的交互通信中起桥梁作用。系统工作总控制可统一控制各个时序模块；各时序模块用于完成相应的控制功能。在模拟部分中，利用无源低通滤波器及放大电路，使AD9851型DDS模块的输出信号成为正弦波和FM调制信号；再利用调幅电路，使FPGA内部DDS模块产生的信号与AD9851输出的载波信号变为调幅信号，同时在基带码控制下通过PSK/ASK调制电路得到PsK和ASK信号。最后，各路信号选择通道后，经功率放大电路驱动50Ω负载。

3 理论分析与计算
3．1 调幅信号
    调幅信号表达式为：

   
式中：ω0t，ωt分别为调制信号和载波信号的角频率；MA为调制度。
    令V(O)=Vocos(ω0t)，V(ω)=MAcos(ωt)，则V(t)=V(O)+V(O)V(ω)。故调幅信号可通过乘法器和加法器得到；通过改变调制信号V(ω)的幅值改变MA，V(ω)的范围为0．1～l V，MA对应为10％~100％。
3．2 调频信号
    采用DDS调频法产生调频信号，具体实现方法：通过相位累加器和波形存储器在FPGA内部构成一个DDS模块，用于产生1 kHz的调制信号。其中，波形存储器的数据即为调制信号的幅度值。将这些表示幅度值的数据直接与中心频率对应的控制字相加，即可得到调频信号的瞬时频率控制字，再按调制信号的频率切换这些频率控制字，即可得到与DDS模块输出相对应的调频信号。
3．3 PSK和ASK信号
    ASK信号是振幅键控信号，可用一个多路复用器实现。当控制信号为1时，选择载波信号输出；当控制信号为0时，不选择载波信号输出；当控制信号由速率为10 Kb／s的数字脉冲序列给出时，可以产生ASK信号。PSK信号是移相键控信号，这里只产生二相移相键控，即BPSK信号。它的实现方法与ASK基本相同，只是在控制信号为0时，选择与原载波信号倒相的输出信号，该倒相信号可由增益倍数为l的反相放大电路实现。

4 主要功能电路设计
    图2给出调幅电路。它采用ADI公司的乘法器AD835实现。该器件内部自带加法器，可直接构成调幅电路。图3给出PSK／ASK电路。它主要由多路复用器和移相器构成。其中，移相器采用Maxim公司的高速运算放大器MAX477所构成的反相放大电路实现，多路复用器采用ADI公司的AD7502。当两条通道选择控制线A1AO为ll时，输出原信号；当A1A0为00时，输出原信号的反相信号；当A1A0为01时，无信号输出。这样只要FPGA按固定速率通过Al和AO两条控制线给出基带序列信号，就能相应输出PSK和ASK信号。

    FPGA内部DDS调频电路由分频器、累加器、ROM和AD985l时序控制电路构成。分频器用于得到20 kHz的信号，作为AD985l控制字的切换频率；ROM中存储了1 kHz的正弦波表，接收累加器给出的控制字切换信号，同时向AD985l时序控制模块发送频偏控制字；AD985l时序控制电路根据中心频率并结合频偏控制字向AD985l器件发送频率控制字，以实现DDS调频。

    功率放大电路由ADI公司的高速运算放大器AD811和T1公司的缓冲器BUF634构成，如图4所示。AD8ll采用同相放大器接法，将输入信号放大到电压峰峰值为6 V；后级缓冲电路用于提供足够的输出电流，使负载的输出电压峰值稳定在6 V。由于AD81l的输出电流较大，所以在AD811与缓冲器之间串接了一只l kΩ的电阻用于限流。电路调试时发现．输出高频信号有衰减。经过分析获知，主要原因在于后级缓冲器有8 pF的等效输入电容(见图4中虚线)，该电容影响电路的高频响应。于是在AD811输出与BUF634输入之间接入了 一只330nF的补偿电容，补偿后的电路高频响应效果良好。

5 系统软件设计
    该系统软件采用结构化和层次化的设计方法。前者指相应的基本功能模块利用底层处理子程序所处理的数据，向上层全功能模块提供处理后的数据；后者指利用前者的接口完成该模块功能。最后由主程序调用全功能模块构建系统。图5给出程序流程图。

    整个程序以按键中断为主线，分为正弦波、调幅波、调频波、键控波4种输出模式和1个复位模式。在不同的模式下分别执行相应的子程序，最后分别向FPGA写入相应的控制字。

6 测试数据
    该系统测试主要由高频毫伏表、频率计、示波器完成。其中，高频毫伏表测试输出信号峰值；频率计测试输出信号的频率；示波器用于测试正弦波、调幅波、调频波、PSK以及ASK等信号波形。这里选取1 kHz，lO kHz，100 kHz，l MHz和10 MHz这5个频率点对正弦信号发生器进行测试，将实际频率与预置频率相比较，得到各频率点的相对误差均小于0．05‰。其中100 kHz和10 MHz处的相对误差小于0．02‰；5个频率点所对应正弦信号的电压峰值分别为6．28 V，6．25 V，6．10 V，5．90 V，5．60 V。

7 结语
    该系统较好地完成了预期的各项功能和指标。正弦波的输出频率范围为l kHz～10 MHz，在其内频率稳定度为10～4；调频波的输出频率范围为100 kHz～10 MHz，在其内最大频偏可分为5 kHz／10 kHz二级程控调节；调幅波的输出频率范围为l~10 MHz，在其内调制度可在10％~100％之间程控调节，且步进为10％；ASK及PSK信号则通过移相电路和多路复用器的结合，在FPGA给出的基带序列信号控制下产生。