基于单片机与AD9851的信号发生器

1、第30卷第8期2011年8月实验室研究与探索RESEARCH AND EXPLORATION IN LABORATORYVol30No8Aug2011基于单片机与AD9851的信号发生器陈小桥1,黄恩民1,张雪滨1,吴晓潭1,葛文丽2(1武汉大学电子信息学院,湖北武汉430079;2河南省濮阳供电公司,河南濮阳457000摘要:基于直接数字频率合成(DDS 原理,以单片机AT89S52为控制核心,结合现场可编程门阵列(FPGA ,利用DDS 集成芯片AD9851实现了在1Hz 20MHz 的正弦信号发生器。AD9851输出的信号通过滤波、自动增益控制、功率放大后,在输出为50负载的条件下,输出

2、电压峰峰值可达10V 。此外,本系统还附有输出AM 、FM 、ASK 、PSK 、FSK 等多种调制信号的功能。信号信噪比高,驱动能力强;系统复杂度低,易于在实验室中自制使用。关键词:正弦信号;AD9851;直接数字频率合成;数字调制中图分类号:TN 01文献标志码:A 文章编号:10067167(201108009805Siginal Generator Based on MCU and AD9851CHEN Xiao-qiao 1,HUANG En-min 1,ZHANG Xue-bin 1,WU Xiao-tan 1,GE Wen-li 2(1Electronic and Informa

3、tion School ,Wuhan University ,Wuhan 430079,China ;2Power Company of Puyang ,Puyang ,457000,China Abstract :This system is based on the theory of direct digital synthesis (DDS ,adopting the high performance chip of AD9851that uses advanced DDS technology to generate perfect sine signals with the fre

4、quency range from 1Hz to 20MHzThe system takes a single chip (AT89S52as the control core ,and combines the field programmable gate array (FPGA The sine wave generated by AD9851takes through the AGC and PGA to achieve the steady output and the programming control of the treads of the amplitude modula

5、tion (AM signalThe voltage in peak-peak of the output can reach 10V with 50load ,having the function of AM singal outputFM singal outputphase-shift-keying singal output ,frequency swepting singal outputWith a high SNR and driving ability ,the system can be easily realized and used in laboratoryKey w

6、ords :sinewave ;AD9851;direct digital synthesis (DDS ;digital modulation收稿日期:20110308作者简介:陈小桥(1960男,湖北武汉人,硕士,高级工程师,研究方向为电子电工技术。TelE-mail :cxqwhueducn 0引言信号发生器又称信号源或振荡器,在电路实验、设备检测、工业应用中具有广泛用途。通信、广播、电视系统中,都需要射频载波,把音频、视频信号或脉冲信号发射出去,因而需要高频振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内,如高频感应加热、熔炼、超声诊断、核磁共振成像等,都需要功率或大

7、或小、频率或高或低的振荡器。正弦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。本文设计的低频正弦信号发生器(1Hz 20MHz ,频率稳定度高,信号幅值稳定,驱动负载能力强,可以输出调幅信号、调频信号、二进制移相键控(2PSK 信号、二进制移频键控(2FSK 信号和二进制振幅键控(2ASK 信号,具有优良的特性、低廉的成本。1系统设计11直接数字频率合成基本原理DDS 工作原理如图1所示,用满足Nyquist 准则1的一定频率对正弦信号进行采样,控制采样周期t 之间的相位增量,每次累加到相位寄存器中,用得到的相位值来寻址ROM 查找表,实现相码和幅码的转换,得到输出波

8、形的幅度值,经过D /A 转换为模拟信号,就得到了输出频率信号=/t 。第8期陈小桥,等:基于单片机与AD9851的信号发生器图1DDS原理设参考频率源频率为f clk,采用计数容量为2N的相位累加器(N为相位累加器的位数,频率控制字为M,则DDS系统输出信号的频率和频率分辨率分别为:f out =fclk2NM,f=fclk2N此方案产生的噪声有2种,量化噪声和非理想滤波器带来的噪声2。幅度和相位量化噪声,简称量化噪声。在一定的电路中,它们是固定不变的。对于合成的正弦波来说,幅度和相位的量化值都是相应的幅度和相位的近似值,存在量化误差。现以幅度为例分析其量化噪声的由来及误差,因存储器大小的限

9、制,对幅度值做了近似,被略去的部分就会产生背景噪声。另一种是数模转换器产生的阶梯波中的杂散频率通过非理想低通而带来的噪声。这类噪声将随着频率的增高而加大。2种噪声均为频率较高的成分,表现在频谱上和信号相距较远,可以用滤波器滤除。12调幅信号的理论分析幅度调制(AM就是使载波信号的幅度随调制信号的变化而变化的一种调制方式3。设载波信号为v c (t=Ucmcosct(1调制信号为v (t=Umcost(2则调幅信号为v oA (t=(Umo+kUmcostcosct=Umo(1+mcostcosct(3式中,ma =kaUm/Um0(4是调幅信号的幅度系数,简称调幅度,或调制深度。Um0(1+m

10、acost是vo(t的振幅,它反映调制信号的变化,称为调制信号的包络。调幅信号的最大振幅Ummax为U m0(1+m a,最小振幅U mmin为U m0(1m a,于是调制深度定义为ma =UmmaxUmminUmmax+Ummin100%(5从式中可以看出,实际控制调幅度m a时,保持载波信号幅度不变,控制调制信号的幅度,就可以实现m在1% 100%调节。13调频信号的理论分析频率调制(FM就是使载波信号的频率按调制信号规律变化的一种调制方式3。载波信号和调制信号的假设同AM,则调频信号的表达式为v0F(t=Ucmcoswct+kfU(t+=Ucmcoswct+Mfsint+(6式中:0为起

11、始相角;M f为调频指数,Mf=kfUm=w in=f mFw in为最大频偏,其值与调制信号振幅Um成正比,w m=2f m=k f Um。因此,在DDS控制程序中改变频率控制字,使其按调制信号规律变化,则能输出调频波。14ASK、PSK、FSK的理论分析ASK为幅移键控,FSK为频移键控,PSK为相移键控,BPSK为二相相移键控,假设数字信号为下式所示的随机脉冲序列m(t=a k g(tkT s(7式中,a k为随机变量,在二进制调制中,代表1和0的2种状态。已知载波信号vc(t=Ucmsinct。BPSK是指1状态时载波相移为零(sinc t,0状态时载波相移为180即sin(c t的一

12、种键控方式3。由于sin(ct=sinct,因而,在任意码元波形的一般情况下,二相键控信号可以表示为vo(t=Ucmk a k g(tkT ssinc t(8利用受矩形脉冲控制的开关电路对2个不同相位的载波频率源进行选通。进行BPSK调制时,当信源S(t为1时,开关电路接通0的载波,当信源S(t为0时,开关接通180的载波,从而实现BPSK信号。ASK的实现原理与BPSK类似,也是通过信源S(t控制开关电路的通断。不同的是,当信源S(t为1时,开关电路接通载波,载波信号通过开关电路输出,当信源S(t为0时,开关电路断开,无载波信号输出。FSK则是当信源S(t为1时,开关电路接通一路载波,当信源

13、S(t为0时,开关电路接通另一频率的载波。15系统方案设计系统的总体框图如图2所示。其中AD9851和自制DDS分别产生高频和低频正弦信号,经低通滤波、AGC和功率放大后得到1Hz 20MHz正弦信号;自制DDS信号源作为调制信号、AD9851输出作为载波信号控制模拟乘法器,实现了幅度调制;单片机控制载波信号的频率控制字,自制DDS控制频偏,两者同时控制AD9851的频率控制字,实现了频率调制;将时钟99实验室研究与探索第30 卷图2系统框图进行分频后,经并串转换后用100kHz的固定频率载波进行二进制键控,实现了ASK、PSK、FSK4。在此基础上,系统还作了以下扩展:增加DAC使AM信号的

14、调幅系数可调,FM信号的载波、调制信号频率及最大频偏可调,ASK、PSK和FSK信号的载波频率可调。2硬件电路设计硬件电路主要由3部分组成,AD9851的外围电路、自动增益控制电路、低通滤波器以及功率放大电路。外围电路与AD9851配合形成频率合适的信号,信号经过自动增益控制将幅值调整到合适的范围,进入滤波器除去噪声杂波提高信噪比,最后进入功率放大电路。21信号合成电路AD9851的可编程功能主要是通过对内部的5个输入数据寄存器写入40bit的控制字来实现的。控制字的写入有并行和串行2种方式,并行方式是通过数据总线D0 D7来完成的,而串行方式是把D7上的数据按位串行移入到输入寄存器。2种方式

15、都是通过W-CLK引脚接入的控制字写时钟来触发写入的。当控制字写完后,在FQ-UD信号的上升沿的作用下,控制字被写入频率相位数据寄存器,更新DDS的输出频率和相位5-6。AD9851的电路见图3 。图3AD9851电路由于DDS输出正弦信号具有阶梯状锯齿,因此在后级加上了7阶椭圆低通滤波器7,用来滤除基频外的杂波分量,抑制谐波。22自动增益控制为保证AD9851输出的信号带内平坦,则需要增加1级AGC电路8。AGC电路的其特点为:当输入信号较强时,自动将增益降低;当信号较弱时,又使其增益自动增高,从而保证输出信号幅值的相对稳定。我们用模拟器件公司的AD603作为自动增益控制的核心芯片(见图4。

16、AD603是单通道宽频带、低噪声、低畸变、高增益精度的VGA芯片,单个AD603的增益:Gain(dB=40UG+10dB(9001第8期陈小桥,等:基于单片机与AD9851的信号发生器图4自动增益控制AGC模块电路增益由1脚和2脚间的电压差U G控制,两者之间的关系为:2脚接固定参考电压,1脚电压由后级峰值检测电路提供。2N3906和几个外围电阻组成1个I Q1=300A左右的恒流源,2N3904作半波检测。流入电容C1和C2的电流I c就是Q1和Q2集电极电流之差。当输出信号幅度较小时,Q2集电极电流I Q2减小,I c=I Q1I Q2增大,反馈电压增大,AD603的1、2脚间电压差增大

17、,电路增益提高。当输出信号幅度增大时,Q2集电极电流I Q2增大,I c=I Q1I Q2减小,反馈电压减小,电路增益也随之降低,如此反复,最终电路将进入到稳定状态,输出信号幅度恒定。23功率放大器因一般信号源输出阻抗为50,因此本系统设计输出阻抗为50。50的负载需要电路有较强的驱动能力,输出电流较大。采用2级放大,由于系统最大输出频率可达20MHz,一般运算放大器的摆率不够9,会引起输出波形的失真,又考虑到输出功率的问题本系统采用2级电流型运算放大器级联。THS3001是高速电流型反馈运放10,单位增益状态下时,带宽为420MHz;摆率为65kV/s,最大输出电流为100mA,可以满足系统

18、设计的要求,放大电路如图5所示 。图5功率放大电路24调幅乘法器电路AM波产生选用4象限乘法器AD835,其3dB输出带宽为250MHz,输出满足W=XY+Z。要实现调制度的改变,只需改变调制信号的幅度即可11。使用TI公司的14位高速DAC芯片DAC904产生幅度可调的调制信号,AD9851产生载波信号,从而实现调幅度的改变。根据式(3,v o(t=U mo(1+mcostcosc t,根据乘法器的输出公式,W=XY+Z,令Y=Z,可以得到W=(X+1Z,令基带信号cost进入X通道,载波信号A c cosc t进入Z通道就可实现调幅。电路图如图6所示 。图6模拟乘法器实现幅度调制3软件设计

19、本系统的控制部分由单片机和现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA组成,单片机负责整体的控制和时序,FPGA主要完成AD9851的自动控制,DAC904时序控制,ASK、PSK、FSK、FM等调制波的产生。31数字调制波的控制数字调制波(FM、FSK,PSK,ASK等由FPGA采用数字方法实现12-14。数字调制省去了很多模拟器件,硬件得到了很大程度的简化,而且效果良好易于控制。通过自制DDS产生1kHz的正弦信号序列,同时,通过单片机控制总线输入FM的中心频率,再将两者处理后所得结果送AD9851的频率控制字,就可以使AD9851产生FM信号。2

20、FSK,2PSK,2ASK的产生完全利用FPGA完成14。该模块实现的功能是将时钟分频得到的二进制基带序列信号转换成以10kb/s 固定速率的基带序列码,即完成并串转换的功能。然后以基带序列码控制3个2路开关的选通脚,就可以产生2FSK,2PSK,2ASK信号。电路输出端使用了1个四路开关选择AM、2FSK、2PSK、2ASK等信号的任一输出。调制结果通过数字示波器观察如图7 10所示。32单片机控制流程单片机的软件设计上,本系统采用了软件工程的设计思想。整个编程过程,结构化与层次化思想贯穿始终。结构化不仅可以提高程序的可读性,也降低了程序的冗余程度;层次化使程序的通用性与适应性进101实验室

21、研究与探索第30卷 一步增强,当外围器件电路改变时,只要改动最底层的独立接口子程序的具体基本功能实现模块,而向上层模块提供的接口不变,为软件的改进和调试提供了极图11软件流程图好的条件。在人机界面上,力求界面的防弹性,做到输入错误的保护15,误操作的复原,操作的提示。这样,使得整个系统的操作变得十分的人性化。如图11所示。4结语系统实现了1Hz 20MHz 正弦波输出。带负载情况下,输出正弦波峰峰值可达10V 。输出信号频率稳定度优于105。系统产生AM 信号调制度,可在10% 100%直接程控调节步进量10%;产生FM 信号最大频偏10kHz ,且最大频偏可分为5kHz /10kHz 二级程控调节。系统还可以产生二进制移相键控(2PSK 信号、二进制移频键控(2FSK 信号和二进制振幅键控(2ASK 信号。该系统设计主要用于测量电路和系统的频