正弦波调制信号发生器设计.doc

正弦波调制信号发生器设计毕业论文目 录第一章 绪 论11.1 背景和意义11.2 国内外的研究状况11.2.1 波形发生器的发展现状11.2.2 国内外波形发生器产品比较31.2.3 本课题在国内外的研究现状41.3 设计任务和内容4第二章 系统总体设计52.1正弦波发生器概述52.1.1 正弦波发生器的分类和功能52.1.2 低频信号发生器52.1.3 高频信号发生器52.1.4 标准信号发生器62.1.5 微波信号发生器62.1.6 扫频和程控信号发生器62.1.7 频率合成式信号发生器62.2 直接数字频率合成器72.2.1 DDS的基本结构72.2.2 DDS的基本原理82.2.3 DDS的性能特点92.2.4 DDS的应用102.2.5 DDS芯片的简单介绍112.2.6 DDS主要芯片122.3 正弦波调制信号发生器的总体设计13第三章 正弦波调制信号发生器的硬件设计143.1 主控制器143.2 正弦信号发生器183.3 AM/FM调制模块213.4 基带序列产生模块253.5 ASK、PSK信号产生模块253.6 滤波电路设计263.7 放大电路设计26第四章 系统软件设计及仿真结果分析274.1.1 软件整体流程图274.1.2 AM信号的流程图284.1.3 FM信号的流程图284.1.3 ASK/PSK信号的流程图294.2 仿真及结果分析294.2.1 正弦波信号294.2.2 AM信号304.2.3 FM信号314.2.4 ASK/PSK信号31结 论33参考文献34附 录35附件一：程序35附件二：外文文章43附件三：外文翻译56谢 辞69天津工业大学本科毕业论文 第一章 绪论第一章 绪 论1.1 背景和意义正弦波信号发生器是信号发生器的一种。信号发生器根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器四大类。正弦波信号发生器是使用最广泛的信号发生器，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。作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。随着电子信息技术的发展，对其性能的要求也越来越高。如要求频率稳定性高，转换速度快，具有调幅、调频、调相等功能，另外还经常需要两路正弦信号不仅具有相同的频率，同时要有确定的相位差。在此背景下，本课题提出了一种基于直接数字频率合成器（DDS）的信号发生器的设计。DDS是一项关键的数字化技术，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。传统的频率合成器由于采用倍频、分频、混频和滤波环节，使频率合成器结构复杂、体积庞大、频谱纯度低。本课题采用直接数字式频率合成器与单片机相结合，设计出一种基于DDS 的正弦波调制信号发生器。1.2 国内外的研究状况1.2.1 波形发生器的发展现状波形发生器，作为实验用的一种信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成。信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555 振荡电路发生正弦波的电路便是可取的路径之一。不用依靠单片机。但是这种电路存在波形质量差、控制难、可调范围小、电路复杂和体积大等缺点。在科学研究和生产实践中，如工业过程控制、生物医学、地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大，大电阻、大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证，体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换，和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在70年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器，A/D/和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形.这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。 90 年代末，出现几种真正高性能，高价格的函数发生器，但是HP公司推出了型号为 HP770S 的信号模拟装置系统，它由 HP8770A 任意波形数字化和 HP1776A 波形发生软件组成。HP8770A 实际上也只能产生8种波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。而近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：1. 过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点，直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f (t)形式的波形方程的数学表达式产生。 从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic，Visual C等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。2. 与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI 模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发 VXI 模块的周期长，而且需要专门的VXI 机箱的配套使用，使得波形发生器VXI 模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI 模块远远不如台式仪器更为方便。 3. 随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。1.2.2 国内外波形发生器产品比较早在1978年，由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5 MHz，可以形成256点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、 医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。表1-1给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。表1-1 一些波形发生器的性能指标公司TektronixTektronix横河电机Wavetek型号AG320AWG710AG5100295最高采用频率16MS/s4GMS/s1GMS/s50GMS/s通道数2224垂直分辨率12bit8bit8bit12bit存储容量64k8M8M64k输出电压10V2.5V2V15V1.2.3 本课题在国内外的研究现状二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz 的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，Agilent的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品 N6030A 能够产生高达500MHz 的频率，采样的频率可达1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快。对目前而言，国外(美)研究和使用的信号发生器大多要求频率在10-6 Hz-50MHz，产生正弦、三角、锯齿、方波、调幅、直流等波形，而国内则对频率在510-3 Hz-40MHz，能产生正弦、三角等基本波形已经调幅、调频、TTL 等的信号发生器需求大。1.3 设计任务和内容本论文以凌阳SPACE061A和AD9850为核心器件，按照从上到下的方法，设计出正弦波调制信号发生器，首先设计总体结构，然后再逐层深入，直至进行每一个模块的设计。主要由主控制器模块、正弦信号发生模块、AM调幅电路模块、FM调频电路模块、放大模块和人机界面模块构成。本论文共分四章：第一章主要介绍了正弦波调制信号发生器的背景和课题研究意义，以及对波形信号发生器的发展状况进行了分析，并提出了设计任务和内容。第二章主要对正弦波信号发生器和DDS作了详细介绍，并基于此提出了整体设计方案。第三章主要介绍了正弦波调制信号发生器的的硬件设计。第四章主要介绍了正弦波调制信号发生器的系统软件设计和仿真结果分析。70天津工业大学本科毕业论文第一章 天津工业大学本科毕业论文第二章第二章 系统总体设计2.1正弦波发生器概述正弦波发生器是一种能产生正弦波信号的装置。常用于科研、生产、维修和实验中。例如在教学实验中，常使用函数发生器的输出波形作为标准输入信号，接至放大器的输入端，配合测试仪器，例如用示波器定性观察放大器的输出端，判断放大器是否工作正常，否则，通过调整放大器的电路参数，使之工作在放大状态；然后，通过测试仪器（例如用晶体管毫伏表对输出端进行定量测试），从而获得该放大器的性能指标。2.1.1 正弦波发生器的分类和功能正弦信号发生器：正弦信号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。按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。2.1.2 低频信号发生器 包括音频（20020000赫）和视频（1赫10兆赫）范围的正弦波发生器。主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。2.1.3 高频信号发生器 频率为100千赫30兆赫的高频、30300兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。主要用途是测量各种接收机的技术指标。输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。2.1.4 标准信号发生器其输出信号电平能准确读数，所加的调幅度或频偏也能用电表读出。此外，仪器还有防止信号泄漏的良好屏蔽。2.1.5 微波信号发生器 从分米波直到毫米波波段的信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。2.1.6 扫频和程控信号发生器 扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。 2.1.7 频率合成式信号发生器 这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨力。频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达1000兆赫左右。用得较多的间接式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频和混频），使之产生并输出各种所需频率的信号。这种合成器的最高频率可达26.5吉赫。高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能（调幅、调频和调相），加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。2.2 直接数字频率合成器2.2.1 DDS的基本结构DDS包括数字器件与模拟器件两部分，主要由频率控制字、相位累加器、正弦查询表、数/模转换器和低通滤波器组成，其基本框图如图2-1所示。 图2-1 DDS组成框图其中参考时钟为高稳定度的晶体振荡器，其输出用于同步DDS各组成部分的工作。DDS系统的核心是相位累加器，它由N位加法器与N位相位寄存器构成，类似于一个简单的计算器。每来一个时间脉冲，相位寄存器的输出就增加一个步长的相位增量值，加法器将频率控制数据与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加结果送至累加寄存器的数据输入端。相位累加器进入线性相位累加，累加至满量程时产生一次计数溢出，这个溢出频率即为DDS的输出频率。正弦查询表是一个可编程只读存储器(PROM)，存储的是以相位为地址的一个周期正弦信号的采样编码值，包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应于正弦波中0360范围的一个相位点。将相位寄存器的输出与相位控制字相加，得到的数据作为一个地址对正弦查询表进行寻址，查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，驱动DAC，输出模拟信号。低通滤波器平滑并滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。2.2.2 DDS的基本原理 以产生正弦信号的DDS技术来阐述DDS的基本原理。一个正弦信号可以由振幅、频率及初始相位惟一确定。正弦信号S(t)的表达式为： （2-1）在用数字合成方式合成一个正弦信号时，只要产生相应的振幅A、频率f及初始相位0即可，实际应用中与初始相位0无关，振幅更是容易控制。为更好地分析起见，这里设振幅A为1、初始相位0为0。则正弦信号S(t)可表示为： （2-2） 令，则，那么只要确定了就确定了。由的表达式，可知不同频率在相同时间T内的相位增量是不同的，且它们是一一对应的关系。因此推导出下面公式： (2-3)这一公式放映出在相位-时间平面构造中对应于时间间隔T的均匀相位增量时等效为在幅度-时间平面内合成频率的正弦波，这正是DDS技术的基本理论。 对于计数容量为2N相位累加器和具有M个相位取样点的正弦波波形存储器，若频率控制字为K，输出信号频率为，参考时钟频率为，则DDS系统输出信号的频率为： 输出信号频率的频率分辨率为 （2-4）由奈奎斯特采样定理可知，DDS输出的最大频率为 （2-5）频率控制字可由以上公式推出： （2-6）通常，相位累加器位数较大，例如N=32或48，故用DDS技术能得到较高的频率分辨率。 2.2.3 DDS的性能特点 DDS完全不同于传统的频率合成方式，它是一种全数字结构形式。它的特点主要有以下几点： 1 DDS可以产生极高的频率 DDS工作在300MHz的时钟下，根据采样定理，DDS的最高输出频率应小于采样时钟频率的1/2，在实际应用中，考虑到低通滤波器的非线性影响，因此，一般能达到的40，频率很高，完全能满足设计要求中的高频率要求。 2 DDS具有极高的频率分辨率 DDS最主要的特点之一，就是它可以实现极高的频率分辨率。由公式 (2-7)可推导出DDS的分辨率决定于相位累加器的字长和参考时钟频率，只要相位累加器的字长M足够长，DDS的分辨率可以达到足够高。例如：时钟频率为100MHz、相位累加器字长为32比特时，最小频率分辨率为：108/232=0.02328 Hz当时钟频率为100MHz、相位累加器字长为48比特时，最小频率分辨率为：108/248=0.0000003553Hz ，这样的频率分辨率是传统的频率合成方法绝不可能达到的，完全能满足设计要求中高精度的分辨率。 3 DDS具有极短的频率转换时间 DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，频率转换时间主要由LPF附加的时延来决定。如，转换时间即为100 ns，若时钟频率升高，转换时间将缩短，但不可能少于数字门电路的延迟时间。目前，DDS的调谐时间一般在ns量级，比使用其它的频率合成方式都要短几个数量级。 4输出频率的相对带宽很宽 当频率控制字K=0时，输出频率=0Hz，即DDS的输出下限频率为0。根据奈奎斯特定理，理论上DDS输出的上限频率为，fc是参考时钟频率，即采样频率。但由于外接低通滤波器的非理想性，实际工程中，DDS的输出频率的上限一般为： （2-8） 完全能满足设计中带宽要求。 5DDS具有相位连续性变化 DDS工作时，改变频率控制字K，就可以改变它的输出频率，但从其工作原理来看，改变K的实质是改变了信号的相位增长速率，而输出信号的相位是连续的。 6易于集成，易于调整DDS中几乎所有的部件都属于数字信号处理器件，除DAC和滤波器外，无需任何调整，从而降低了成本，简化了生产设备。 2.2.4 DDS的应用 DDS问世之初，构成DDS元器件的速度的限制和数字化引起的噪声，这两个主要缺点阻碍了DDS的发展与实际应用。近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，其已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。 1实时模拟仿真的高精密信号 在DDS的波形存储器中存入正弦波形及方波、三角波、锯齿波等大量非正弦波形数据，然后通过手控或用计算机编程对这些数据进行控制，就可以任意改变输出信号的波形。利用DDS具有的快速频率转换、连续相位变换、精确的细调步进的特点，将其与简单电路相结合就构成精确模拟仿真各种信号的最佳方式和手段。这是其它频率合成方法不能与之相比的。例如它可以模拟各种各样的神经脉冲之类的波形，重现由数字存储示波器（DSO）捕获的波形。 2实现各种复杂方式的信号调制 DDS也是一种理想的调制器，因为合成信号的三个参量：频率、相位和幅度均可由数字信号精确控制，因此DDS可以通过预置相位累加器的初始值来精确地控制合成信号的相位，从而达到调制的目的。 现代通信技术中调制方式越来越多，BPSK、QPSK、MSK都需要对载波进行精确的相位控制。而DDS的合成信号的相位精度由相位累加器的位数决定。一个32位的相位累加器可产生43亿个离散的相位电平，而相位精度可控制在810-3度的范围内，因此，在转换频率时，只要通过预置相位累加器的初始值，即可精确地控制合成信号的相位，很容易实现各种数字调制方式。 3实现频率精调，作为理想的频率源 DDS能有效地实现频率精调，它可以在许多锁相环（PLL）设计中代替多重环路。在一个PLL中保持适当的分频比关系，可以将DDS的高频率分辨率及快速转换时间特性与锁相环路的输出频率高、寄生噪声和杂波低的特点有机地结合起来，从而实现更为理想的DDSPLL混合式频率合成技术。4输出波形的灵活性 只要在DDS内部加上相应控制如调频控制FM、调相控制PM和调幅控制AM，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、ASK和MSK等信号。另外，只要在DDS的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当DDS的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。5其他优点由于DDS中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 2.2.5 Error! Reference source not found.DDS芯片的简单介绍一块DDS芯片中主要包括频率控制寄存器、高速相位累加器和正弦计算器三个部分（如Q2220）。频率控制寄存器可以串行或并行的方式装载并寄存用户输入的频率控制码；而相位累加器根据频率控制码在每个时钟周期内进行相位累加，得到一个相位值；正弦计算器则对该相位值计算数字化正弦波幅度（芯片一般通过查表得到）。DDS芯片输出的一般是数字化的正弦波，因此还需经过高速D/A转换器和低通滤波器才能得到一个可用的模拟频率信号。另外，有些DDS芯片还具有调幅、调频和调相等调制功能及片内D/A变换器（如AD7008）。图2-1 AD7008内部结构图2.2.6 DDS主要芯片表 4-1 AD公司的常用DDS芯片选用列表2.3 正弦波调制信号发生器的总体设计根据题目要求，本系统主要由主控制器模块、正弦信号发生模块、AM调幅电路模块、FM调频电路模块、放大模块、和人机界面模块构成。如图2-2 所示。输出FMSPCE061A单片机倒向器乘法器AD98504051（1）输出正弦波显示键盘放大器输出AMASK/PSK4051（2）10kbps1 KHz调制信号 图2-2 系统模块框图 系统工作时，单片机按照用户要求输出不同的命令控制字，控制AD9850 产生不同的正弦波（1KHz10MHz），经放大后输出正弦波。AD9850产生的载波信号和经单片机控制的4051(1)选通的1 KHz的调制信号加载到乘法器，从而输出输出AM信号。FM信号由单片机实现。AD9850产生的正弦波引出两路，一路直接输入4051(2)，另一路经倒向器输出4051(2)，根据由单片机控制的10kbps的码元选通4051(2)不同的通道输出ASK信号和PSK信号。天津工业大学本科毕业论文第三章 第三章 正弦波调制信号发生器的硬件设计本设计以凌阳SPACE061A和AD9850为核心器件，按照从上到下的方法，设计出正弦波调制信号发生器，首先设计总体结构，然后再逐层深入，直至进行每一个模块的设计。主要由主控制器模块、正弦信号发生模块、AM调幅电路模块、FM调频电路模块、输出放大模块和人机界面模块构成。3.1 主控制器采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器。SPCE061A 是继nSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种经济的选择。 1 性能： u 16位nSP微处理器； u 工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5V u CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ； u 内置2K字SRAM； u 内置32K FLASH； u 可编程音频处理； u 晶体振荡器; u 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A3.6V； u 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； u 2个10位DAC(数-模转换)输出通道； u 32位通用可编程输入/输出端口； u 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； u 具备触键唤醒的功能； u 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； u 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； u 32768Hz实时时钟； u 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； u 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能； u 具备串行设备接口； u 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； u 内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口； u 具有保密能力； u 具有WatchDog功能。 2结构概览 图3-1 SPCE061A的结构图 3.芯片的引脚说明 SPCE061A有PLCC84和QFP80两种封装。封装形式为PLCC84的共有84个引脚，其中包括空脚15个，其余管脚功能说明如表3-1所示。QFP80封装的在引脚方面只是比PLCC84封装的少了4个空脚。需要更加详细的资料可以查看SPCE061A的data sheet。 图3-2 SPCE061A LQFP80封装引脚排列图 表3-1 SPCE061A管脚描述管脚名称 管脚编号 类型 描述 IOA15:8 4639 输入输出 IOA15:8：双向IO端口 IOA7:0 3427 输入输出 IOA7:0：通过编程，可设置成唤醒管脚 IOA6:0：与ADC Line_In输入共用 IOB15:11 IOB10 IOB9 IOB8 IOB7 IOB6 IOB5 IOB4 IOB3 IOB2 IOB1 IOB0 5054 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 输入输出 IOB15:11 ：双向IO端口。IOB100除用作普通的IO端口，还可作为： IOB10：通用异步串行数据发送管脚Tx IOB9：TimerB脉宽调制输出管脚BPWMO IOB8：TimerA脉宽调制输出管脚APWMO IOB7：通用异步串行数据接收管脚Rx IOB6：双向IO端口 IOB5：外部中断源EXT2的反馈管脚 IOB4：外部中断源EXT1的反馈管脚 IOB3：外部中断源EXT2 IOB2：外部中断源EXT1 IOB1：串行接口的数据传送管脚 IOB0：串行接口的时钟信号 DAC1 12 输出 DAC1数据输出管脚 DAC2 13 输出DAC2数据输出管脚X32I 2 输入 32768Hz晶振输入管脚 X32O 1 输出 32768Hz晶振输出管脚 VCOIN 70 输入 PLL的RC滤波器连接管脚 AGC 16 输入 AGC的控制管脚 MICN 19 输入 麦克风负向输入管脚 MICP 21 输入 麦克风正向输入管脚 V2VREF 14 输出 电压源2.0V产生5mA的驱动电流，可用作外部ADC Line_In通道的最高参考输入电压，不可作为电压源使用 MICOUT 18 输出 麦克风1阶放大器输出管脚，管脚外接电阻决定AGC增益倍数 OPI 17 输入 麦克风2阶放大器输入管脚 VEXTREF 23 输入 ADC Line_In通道的最高参考输入电压管脚 VMIC 25 输出 麦克风电源 VADREF 22 输出 AD参考电压(由内部ADC产生) VDD 5,69 输入 逻辑电源的正向电压 VSS 10,26,71 输入 逻辑电源和IO口的参考地 VDDIO 37,38,56 输入 IO端口的正向电压管脚 VSSIO 35,36,48 输入 IO端口的参考地 AVDD 24 输入 模拟电路（A/D、D/A和2V稳压源）正向电压 AVSS 15 输入 模拟电路（A/D、D/A和2V稳压源）参考地 RESET 68 输入 低电平有效的复位管脚 SLEEP 49 输出 睡眠模式(高电平激活) ICE 7 输入 激活ICE(高电平激活) ICECLK 8 输入 ICE串行接口时钟管脚 ICESDA 9 输入输出 ICE串行接口数据管脚 TEST 3 输入 测试模式时接高电平，正常模式时接地GND或悬浮 ROMT 47 输入 测试闪烁存储器，正常模式时悬浮 N/C 55 输入 正常使用时接地 N/C 4 输入 正常使用时接地 N/C 6 输入 正常使用时接地 PFUSE,PVIN20,11 输入 程序保密设定脚。用户慎重使用。 由于SPCE061A内置有2K字的SRAM和32K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及液晶显示所需数据的存储要求CPU时钟频率高达49.152MHz，能满足速度要求；集成有7通道10位电压模数转换器ADC，可以满足系统采样调制信号的要求；一片凌阳SPCE061A单片机就可以完成整个系统的主要功能，基本不需要扩展其他器件，不仅体积小而且可靠性高。而且凌阳单片机具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，实现整个系统更加简单。3.2 正弦信号发生器采用了直接数字频率合成技术，可采用ADI公司的DDS集成芯片AD9850。 AD9850是AD公司生频率合成器，主要由可编程DDS系统、产的最高时钟为125 MHz、采用先进的CMOS技术的直接高性能模数变换器（DAC）和高速比较器3部分构成，能实现全数字编程控制的频率合成。 图3-3 AD9850的原理框图AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器，可实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器，由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为2432。每来一个外部参考时钟，相位寄存器便以步长M递加。相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息，每一个地址对应正弦波中0360范围的一个相位点。查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号，然后驱动DAC输出模拟量。相位寄存器每过2N/ M 个外部参考时钟后返回到初始状态一次，相应地正弦查询表。 每经过一个循环也回到初始位置，从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波频率为： （3-1）为外部参考时钟频率。 AD9850有40位控制字，32位用于频率控制（低32位），5位用于相位控制，1位用于电源休眠( Powerdown) 控制，2位用于选择工作方式。这40 位控制字可通过并行或串行方式输入到AD9850。在并行装入方式中，通过8 位总线D0-D7将数据输入到寄存器，在W- CLK的上升沿装入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器，在重复5次之后再在FQ-UD上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率/相位数据寄存器(更新DDS 输出频率和相位) ，同时把地址指针复位到第一个输入寄存器。AD9850的复位(RESET) 信号为高电平有效，且脉冲宽度不小于5 个参考时钟周期。AD9850的参考时钟频率一般远高于单片机的时钟频率（本人所用为单片机89C51，使用12M晶振），因此AD9850 的复位(RESET)端可与单片机的复位端直接相连。 图3-4 AD9850引脚图AD9850系统时钟的最高频率可达180MHz。为了提高系统的电磁兼容能力，AD9850内部集成了一个6倍频器，降低了所需外接时钟频率。若外部介入的参考频率选用20MHz，则经AD9850内部6倍频后，系统时钟频率相当于120MHz。由频率合成公式可计算出，在此时钟下的输出频率分辨率为： Hz=0.0279 （3-2）最大输出频率为系统时钟频率120MHz，远超出本题100Hz的步进值，1kHz10MHzs的要求。AD9851内部有5个8位输入数据寄存器，其中32位用于装载频率控制字FSW。时序通过对32位控制字的赋值可精确控制最终合成的信号频率fo。FSW与fo之间的转换公式为： （3-3）其中方波信号可由AD9850芯片产生的正弦信号经内部高速比较器便可得到，至于三角波信号可由方波信号经积分器积分后即可得到。图 3-5 AD9850的组成框图本设计中40 位控制字通过串行方式送入AD9850。系统工作时，单片机按照用户要求输出不同的命令控制字，控制AD9850产生不同的正弦波（1KHz-10MHz），经放大后输出正弦波。串行输入时AD9850 40 位控制字的产生方法：每一个CLK 时钟上升沿，由控制字输入口的第8位（25 管脚）移入1 位控制位（低位先移入），40个W-CLK 移位时钟后，FQ-UD 脉冲的上升沿更新输出频率，频率控制字由下式决定 (3-4) 其中fOUT 为AD9850 输出的频率， 为32b 的频率控制字，fCLK 为系统时钟频率。3.3 AM/FM调制模块 调制：用信号m(t)去控制载波s(t)的某一个(或几个)参数，使之按m(t) 的规律而变化调制：用信号m(t)去控制载波s(t)的某一个(或几个)参数，使之按m(t) 的规律而变化。调制的目的是提高频率以便发射、提高系统的性能、有效利用频带。图3-6 调制过程图1. AM调制 定义:用信号m(t)去控制载波s(t)的振幅，使已调波的包络按照m(t)的规律线性变化。 (3-5) 其中A0是载波振幅，是载波角频率，是载波起始相位。AM信号表达式：已调波为 (3-6) 载波 调制信号 已调波图3-7 AM调制过程图 图3-8 AM产生的数学模型2. FM调制用调制信号m(t)去控制载波s(t)的频率， 频率调制就是载波的振幅保持不变，瞬时频率与调制信号呈线性关系 (3-7)式中为未调载波频率；KF为为调频灵敏度。得FM波的时域表示式为 (3-8)若调制信号为单一频率的正弦波，即 (3-9)则FM波的表示式为 (3-10) 本设计中，AM 信号采用模拟调制。将AD9850 产生的载波信号和由文氏电桥产生的1kHz调制信号加到乘法器上。单片机根据外部调制度ma，给出不同的地址值，使4051(1)选通不同的通道，接通不同阻值与R0 构成分压电路，从而改变载波的电压幅值，产生AM 信号。图3-9 调制度ma的实现 调制度ma 参数计算： 若文氏电桥产生的电压幅值为3.5V，AD9850为500mv。则调制度的计算公式如下：ma=（Vs/2）/（V0/2）= Vs / V0=Vs/500 mv （3-11）Vs= ma500 mv=R0/(R0 +R)3.5 V （3-12）其中：Vs 为输入信号幅值，V0 为载波的幅值。1kHz调制信号由文氏电桥产生的，其电路图如图3-10所示。图3-10 1KHz正弦信号发生器电路图 电路中，R1,C1组成电桥的一个臂。R3,D1,D2与W1组成电桥的另外两臂，起稳定作用。适当的调节W1，可以得到波形失真小，且工作稳定的输出波形。R3是为了克服二极管死区而设的。由于振荡器的输出阻抗比较高，直接连在负载上会影响它的正常工作。图中A2作为同相放大器接到振荡器的输出端，振荡信号从A2的输出端引出，输出信号幅度由W2调整。 FM信号由单片机实现。基于FM原理，根据调频信号变化的规律采用数字方式控制DDS正弦波发生器的频率控制字，直接作用于输出波形的频率值，即实现了对载波的频率的调制，该方式下，DDS调制信号输出波形频率与调制信号频率控制字成正比，而载波信号频率控制字又随调制信号成正比例变化。利用单片机内部2kHZ 的时基中断，每两个中断为一个周期（1kHZ），第1个中断输出载频（100kHZ10MHZ），第2个中断促使AD9850 输出载频减去频偏的值，便获得FM信号。其中载波的频率通过键盘进行设置，频率控制字的二进制码事先算好并存储，用来FM信号直接调用。调制信号频率控制字调制信号调制后的频率控制字FM已调DDS载波信号控制字产生器DDS调制信号载波信号频率控制字图3-11 FM调频原理框图3.4 基带序列产生模块由单片机产生的脉冲信号送入74LS165时钟输入端，再由它本身带预置功能的移位寄存器循环移位即可获得10Kbps二进制基带序列信号。3.5 ASK、PSK信号产生模块 ASK、PSK采用数字键控的产生方法，图3-12和图3-13分别是他们实现的原理框图。ASKCOSwtS(t）图3-12 ASK信号调制原理框图COSwtPSK1800移相S(t）图 3-13 PSK信号调制原理框图 ASK/PSK 信号由图3-14所示电路原理图产生。工作时将AD9850 产生的正弦波信号引出两路，一路直接输入4051（2），另一路经倒相器后输入4051(2)，根据10kbps的码元选通4051不同的通道以输出ASK信号。输出ASK信号时一路接收AD9850 产生的正弦波信号，一