正弦信号发生器(2012)

1、正弦信号发生器摘要：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1kHz10MHz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：DDS；宽频放大；模拟调频；

2、模拟调幅。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

3、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1kHz10MHZ的正弦输出。如果fi100Hz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

4、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：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1kHz10MHz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

5、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

6、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

7、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

8、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.

9、系统方案描述本系统以MSP430单片机为核心，由DDS产生各功能所需的正弦波信号，系统的总体框图如图2所示。图 2 系统的总体框图二、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。图3 放大器原理图2D/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1K

10、Hz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相抵消，达到滤除直流信号的目的。其原理图如图所示。图6 减法器原理图三、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

11、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。图7  程序流程图四、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 20MYB1602P 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

12、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1KHz10MHz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，

13、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10KHz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 10

14、MHz 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 无重影 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1kHz10MHz正弦信号；ASK，PSK信号且二进制基带序列码速率固定为10kbps通过CPLD