正弦信号发生器论文

正弦信号发生器正弦信号发生器 摘要 摘要 本系统以 MSP430 和 DDS 为控制核心 由正弦信号发生模块 功率放 大模块 频率调制 FM 幅度调制 AM 模块 数字键控 ASK PSK 模块以 及测试信号发生模块组成 采用数控的方法控制 DDS 芯片 AD9851 产生 1kHz 10MHz 正弦信号 经滤波 放大和功放模块达到正弦信号输出电压幅度 6V 1V 并具有一定的驱动能力的功能 产生载波信号可设定的 AM FM 信号 二进制基带序列码由 CPLD 产生 在 100KHz 固定载波频率下进行数字键控 产 生 ASK PSK 信号且二进制基带序列码速率固定为 10kbps 二进制基带序列信 号可自行产生 关键词 关键词 DDS 宽频放大 模拟调频 模拟调幅 一 方案比较与论证一 方案比较与论证 1 方案论证与选择 1 正弦信号产生部分 方案一 使用集成函数发生器芯片 ICL8038 ICL8038 能输出方波 三角波 正弦波和锯齿波四种不同的波形 将他作为正 弦信号发生器 它是电压控制频率的集成芯片 失真度很低 可输入不同的外 部电压来实现不同的频率输出 为了达到数控的目的 可用高精度 DAC 来输出 电压以控制正弦波的频率 方案二 锁相环频率合成器 PLL 锁相环频率合成器 PLL 是常用的频率合成方法 锁相环由参考信号源 鉴相 器 低通滤波器 压控振荡器几个部分组成 通过鉴相器获得输出的信号 FO 与 输入信号 Fi 的相位差 经低通滤波器转换为相应的控制电压 控制 VCO 输出的 信号频率 只有当输出信号与输入信号的频率于相位完全相等时 锁相环才达 到稳定 如果在环路中加上分频系数可程控的分频器 即可获得频率程控的信 号 由于输出信号的频率稳定度取决于参考振荡器信号 fi 参考信号 fi 由晶振分频得到 晶振的稳定度相当高 因而该方案能获得频率稳定的信号 一般来说 PLL 的频率输出范围相当大 足以实现 1kHz 10MHZ 的正弦输出 如 果 fi 100Hz 只要分频系数足够精细 能够以 1 步进 频率 100Hz 步进就可以 实现 方案三 直接数字频率合成 DDS DDS 是一种纯数字化方法 它现将所需正弦波一个周期的离散样点的幅值数字 量存入 ROM 中 然后按一定的地址间隔 相位增量 读出 并经 DA 转换器形成 模拟正弦信号 再经低通滤波器得到质量较好的正弦信号 DDS 原理图如图 1 所示 N 相位 累加器 正弦查询 表 ROM D A 转换器 低通滤波 器 LPF S位 系统时钟 OUT频率控制字K M相位 图 1 DDS 原理图 方案一不能实现稳定频率信号的输出并且难于数字控制 电容 电阻参数 随温度等其他因素的影响 频率稳定度以及电路的稳定度都较低 实现也较复 杂 不予采纳 PLL 方案和 DDS 方案都能实现 1kHz 10MHz 的稳定的信号输出 且能达到 100Hz 频率步进 但是 PLL 的动态特性却很差 在频率改变时 环路 从不稳定到稳定的过程有时间延迟 相比较而言 DDS 的频率输出范围一般低 于 PLL 且杂散也大于 PLL 方案 但 DDS 信号源具有输出频率稳定度高 精度 更高 分辨率更高且易于程控等优点 且频率改变不存在失调过程 尽管有杂 散干扰 只需在输出级加滤波器仍可以得到质量很好的正弦波形 综上所述 选择方案三 2 放大输出电压 方案一 采用高频三极管做功率放大 选择恰当的电阻和电容来实现符合 题目要求的放大倍数 但是使用三极管放大时 信号放大的稳定性不高 很难 满足题目的要求 故不采用 方案二 采用宽频运算放大器做前级电压放大 AD8011 可以达到 120M 的带 宽 而且频率稳定性好 故本设计中采用了方案二 3 产生二进制信号的 ASK PSK 方案一 ASK 的实现 数字基带序列和载波输入相乘实现 PSK 也可通过此 方法实现 方案二 模拟开关实现 ASK PSK 是数字调制技术 可采用的模拟开关来 实现 将模拟地线和载波分别接到模拟开关的两个输入端 用数字基带序列控 制模拟开关的切换 即可以得到 ASK 信号 同样的道理 将载波及其倒 相信 号分别通入模拟开关的两个输入端 用数字基带序列控制模拟开关的切换 可 以得到 PSK 信号 考虑到载波频率为 100kHz 需要较高速的模拟开关 方案三 通过单片机控制 输入 DDS 中实现 该方法没有外围设备 实现 方式较为稳定 综上所述 选择方案三 4 FM 调频电路 方案一 使用变容二极管直接调频 变容二极管是根据 PN 结的结电容随反 向电压改变而变化的原理设计的一种二极管 加反向偏压时 变容二极管呈现 一个较大的结电容 变容二极管要并接在产生中心频率振荡的选频网络的两端 并加上调制信号 使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变 从而达到调频 作用 但是本方案会使电路产生的频偏不稳定 容易产生中心频率偏移 方案二 采用锁相环进行调制 采用锁相环路调频 能够达到中心频率高 度稳定的调频信号 由于锁相环能跟踪并锁定中心频率 从而使中心频率有足 够高的稳定度 而调制信号就加在 VCO 压控振荡器 的输入端 从而使中心 频率随调制信号的幅值的改变而改变 本方案比较直观 而且中心频率和频偏 都比较准确 但是电路复杂 故不采用 方案三 MSP430 单片机可先将调制信号离散化 当采集完一个周期 1ms 的数据后 计算出每相邻两个抽样点的偏移量 这样就可以根据偏移量控制改 变 DDS 的输出频率 从而达到调频效果 而且硬件设计简单 综上所述 本设计选择方案三 5 AM 调幅电路 方案一 采用单二极管开关状态调幅电路 使二极管近似处于一种理想的开 关状态下 在两个不同频率电压作用下进行频率交换 方案二 采用二极管平衡调幅电路 它是利用二极管的开关状态和平衡抵消 的措施 经调幅后通过带通滤波器就可以得到调幅信号 前面两种方案电路实现 比较复杂 而且由于采用分立元件 稳定性比较差 调试困难 方案三 采用模拟乘法器调幅电路 它是一种完成两个模拟信号相乘作用 的电路 起到频率搬移的作用 若采用专门的模拟乘法器芯片 电路实现简单 稳定性比较好 功能实现容易 符合题目要求 基于此 本系统采用方案三 选用集成乘法器 AD835 实现 AM 的模拟调幅 2 系统方案描述 本系统以 MSP430 单片机为核心 由 DDS 产生个功能所需的正弦波信号 系 统的总体框图如图 2 所示 4 4矩阵键盘 MCU msp430 DDS AD9850 放大器 AD811 FM波 1KHz 10MHz正弦波 10MHz 减法器 AD811 乘法器 AD835 D A转换器 TLC7528 1KHz AM波 2ASK 2PSK 图 2 系统的总体框图 二 硬件电路设计二 硬件电路设计 1 放大器 经以 AD811 为核心组成的放大器 将 DDS 输出的信号放大 实现了正弦信 号输出电压峰峰值为 6V 左右 其原理图如图 3 所示 AD811 15V 7 4 15V 6 2 3 i u o u 10K 10uF 0 1uF 2K 10uF 0 1uF 图 3 放大器原理图 2 D A 转换器 以 TLC7528 为核心 经 OP37 构成的比较器 再由一级射极跟随器提高带负 载能力 将来自 MSP430 输入的 64 点频率点转换成模拟的 1KHz 正弦波 其原理 图如图 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 图 4 D A 转换器原理图 3 乘法器 本设计采用 AD835 构成 一端输入有 DDS 产生的 1MHz 正弦波 另一端输入 由 D A 转换器产生的 1KHz 正弦调制信号 由 W 端输出 AM 调制信号 其原理图 如图 5 所示 图 5 乘法器原理图 4 减法器 由于 DDS 输出的信号中含有直流分量 造成 AM 调制波只有正半波 故在 DDS 输出加至乘法器之前 先由减法器将直流分量想抵消 达到滤除直流信号 的目的 其原理图如图 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 图 6 减法器原理图 三 软件电路设计三 软件电路设计 系统软件部分主要包括了各种信号的设置和控制 正弦波产生过程为 频 率设置 数据处理 然后控制 DDS 芯片完成各种频率的正弦波产生 调幅波产 生过程为 通过调制系数的设置 控制 D A 转换器输出 可得到不同幅值的调 制波 与载波相乘来实现调幅波的产生 PSK ASK 产生 通过 MCU 对字节操作 输出的控制来完成 PSK ASK 的产生 调频信号产生过程 通过 A D 转换器采集 调制信号 然后根据调制信号的幅度计算出频偏 把频偏数据下载到 DDS 即可 实现调频信号的产生 如图 2 17 初始化 是否有键按下 开始 频率设置 DDS控制 正弦波 输出 频率 100Hz 定时器 初始化 检测P2 口状态 2ASK 定时器 初始化 检测P2 口状态 2PSK 频偏 选择 是否有键按下 频偏 5KHz 频偏 10KHz 调制系数 设置 D A转换 设置 是否有键按下 调制系数 10 FM波 AM波 复位 Y N 1234 5 6 Y Y N N 图 7 程序流程图 四 数据测试与分析四 数据测试与分析 1 测试仪器 Tektionix TDS1001 双通道数字示波器 40M YB4328 模拟示波器 20M YB1602P 功率函数信号发生器 2MHz 自制电源 产生 15V 12V 5V 直流电压 四位半数字万用表 2 指标测试 1 正弦波指标测试 把正弦波输出端接入数字频率计 以 1K 10K 100K 1M 5M 10M 作为测 试点 得到如表 1 数据 表 1 正弦波指标测试数据 频率 输出电压 失真度 目测 稳定性 最大频率偏移 1KHz 7 0V 无 0 03Hz 10KHz 6 2V 无 0 5Hz 100KHz 5 6V 无 4Hz 1MHz 5 2V 无 23Hz 5MHz 5 0V 少许尖顶 43Hz 10MHz 4 2V 少许尖顶 70Hz 由上表可见 正弦波输出频率在 1KHz 10MHz 带宽内输出电压能保持在 4V 7V 之间 频率稳定性也能在 10 4 之下 频率最小步进可达到 1Hz 但输出 频率高于 5MHz 时就会出现少许失真 原因可能是电路设计不足 跳线太多 造 成高频干扰 2 2ASK 和 2PSK 指标测试 将 DDS 输出端接到数字示波器 按下 2 号按键从示波器可以清晰看见二进 制 ASK 波形 其波形图如图 8 所示 按下 3 号按键从示波器可以清晰看见二进 制 PSK 波形 其波形图如图 9 所示 由图可知 实现了 2ASK 和 2PSK 信号的产 生 图 8 2ASK 波形图 图 9 2PSK 波形图 3 FM 调制波指标测试 利用模拟示波器测试 FM 性能 测试结果如表 2 其频偏为 5KHz 的波形图 如 图 10 所示 频偏为 10KHzd 的波形图如图 11 所示 图 10 频偏为 5KHz 的波形图 图 11 频偏为 5KHz 的波形图 表 2 FM 调制波指标测试数据 频率 最大频偏 失真度 稳定性 100KHz 5 10KHz 小 左右晃动 1MHz 5 10KHz 小 好 10MHz 5 10KHz 小 好 实现了 5 10KHz 调频信号的发生 4 AM 调制波指标测试 把 AM 输出信号接入示波器 目测其调制系数 测试数据如表 3 且其调制 系数为 100 的幅度调制波形图如图 12 所示 其调制系数为 50 的波形图如图 13 所示 表 3 AM 调制波指标测试数据 频率 步进 失真度 稳定性 1MHz 10 100 小 好 3MHz 10 100 小 较好 10MHz 10 100 有失真 有重影 图 12 调制系数为 100 的 AM 波 图 13 调制系数为 50 的 AM 波 AM 调制系数实现了 10 的步进 1MHz 正弦波作载波时 输出调幅波很稳 定且清晰 但随载波频率的增加就会出现重影现象 五 结论五 结论 本设计通过以 MSP430 和 DDS 为控制核心 由正弦信号发生模块 功率放大 模块 频率调制 FM 幅度调制 AM 模块 数字键控 ASK PSK 模块以及 测试信号发生模块实现了题目中要求的相关事宜 经滤波 放大和功放模块达 到了正弦信号输出电压幅度 6V 1V 并具有一定的驱动能力的效果 并且产生 了载波信号可设定的 AM FM 信号 采用数控的方法控制 DDS 芯片 AD9851 产生 了 1kHz 10MHz 正弦信号