874381039正弦信号发生器

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1、 目录1. A组题1.22. A组题2.173. A组题3.324. A组题4. 41 5. A组题5.86 正弦信号发生器1摘要这个正弦信号发生器利用最新的频率合成技术，实现了1KHz30MHz的正弦波输出，频率步进可达到1Hz，可输出调制度可调的AM信号，5KHz、10KHz最大频偏的FM信号，100KHz固定频率载波、码速10kbps的PSK，ASK信号。采用了超宽带、超低噪声的高速运放，提高了输出电压的幅度。整个系统以ADuC841为控制中心，有很高的精确度和稳定度。双CPU结构，大大增强了信息的处理能力；行列式键盘输入，大屏幕LCD输出，操作简便，人机界面友好。AbstractThi

2、s sine wave generator, based on the DDS new technique, can generate a sine wave with a frequency ranging from 1KHz to 30MHz，which has a frequency step of 1Hz！ The system can also output an AM signal with an adjustable modulation index, an FM signal with a frequency deviation of 5kHz or 10kHz, contro

3、lled by the keyboard input. Meanwhile it has a function of outputting PSK or ASK signals, with a code rate of 10kps and 100KHz carrier. Applying the low noise, high speed ,wide pass band Op Amp, increases the output voltage amplitude. The whole system has an ADuC841 as its controller center, which p

4、rovides a high precision and stabilization. Two CPUs enhance the ability of processing. Matrix keyboard and large screen LCD display provide a friendly interface, which makes the operating more easy.一、方案设计与论证1.1 方案比较本题目的要求是设计一个正弦信号发生器，并且能够输出模拟幅度调制(AM)信号，模拟频率调制(FM)信号，二进制PSK、ASK信号。综合各方面考虑，可以把这个系统分为几个子

5、模块：信号源部分、控制处理部分、AM，FM，PSK，ASK信号的产生部分，输入输出用户接口和末级放大部分。本系统采用模块化制作，对各模块分析如下：(1) 信号源部分信号源是这个系统的核心，它的成功与否，将直接影响到整个系统的性能。方案一：利用RC、LC网络产生振荡信号利用成熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的参数，来改变正弦振荡的频率。这种电路的特点是频率稳定性较好，并且很容易起振，电路简单。但是如果要实现题目中要求的1KHz至10MHz那么宽的频率范围，很难做到，或者实现起来系统体积太大，功耗很高，容易产生杂波，不易精确调节振荡频率。因此该方案在设计之中不予考虑。方案

6、二：利用压控振荡器VCO产生振荡信号压控振荡器(又称为VCO或V/F转换电路)产生的波形的振荡频率与它的控制电压成正比，因此，调节可变电阻或可变电容可以调节波形发生电路的振荡频率。利用集成运放可以构成具有一定精度、线性较好的压控振荡器。并且，可以用数字电位器实现对电压的程控。但是，开环VCO的频率稳定度和频率精度较低，题目中的频率范围对于压控振荡器来说太宽，很难实现，加之压控振荡器产生的信号频率稳定度也达不到题目的设计要求。方案三：利用锁相环进(PLL)行间接频率合成这个方案是在方案二的基础上，用锁相环将VCO输出的频率锁定在所需的频率上。PLL使输出频率的稳定度和精度,接近参考振荡源(通常用

7、晶振)，如图1 所示。如果只用一个锁相环，频率肯定覆盖不了1KHz-10MHz的变化范围。因此可以考虑用多个PLL进行分段锁定。缺点是硬件复杂，增加了调试难度。因此也不采用这种方案。压控振荡器VCO图1 锁相环框图低通滤波器LPF鉴 相PD参考振荡器f0方案四：直接数字合成法(DDS)DDS或DDFS 是 Direct Digital Frequency Synthesis 的简称，通常将此视为第三代频率合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理,从”相位”的概念出发进行频率合成。这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位，还可以用DDS方法产生任意波形(AWG)。利用专用

8、的DDS芯片产生的信号频率准确，频率分辨率高，易于控制。而且，电路相对简单易行。 综上所述，我们采用了最后一种方案作为信号源。(2) 控制部分方案一：采取FPGA或者CPLD控制近年来，可编程器件发展很快，在很多方面都得到了广泛的应用。采用大规模的可编程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案，它具有体积小、改动灵活的特点。用它们作为系统的“神经中枢”，可以采用VHDL或者Verilog语言来描述。但是一般来说，复杂可编程逻辑器件CPLD(Complex Programmable Logic Device)集成的门数目不会很多。现场可编程门阵列FPGA(Field Programmable

9、Gate Array) 是新一代的可编程器件，但是需要外部的配置芯片，否则断电后，保存在RAM中的程序会丢失。这个方案特别适用于大型、高速、复杂系统的控制，但是本系统中，考虑到成本和制作难易程度，没有采用这个方案。方案二：采取MCS51单片机作为控制中心MCS51系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。可以用汇编或者C语言进行开发。并且这种单片机的接口电路丰富。缺点是运行速度不够快，12个时钟周期一条指令，如果用12MHz的晶振，执行一条指令最快也要1us。因此不适合高速的控制。方案三：采取ADuC841芯片作为主控ADuC841是美国模拟器件公司(ADI)生产的内嵌

10、MCU的高性能、多通道12位数据采集系统芯片，它具有体积小、功耗低等诸多特点。它具有与8051兼容的内核，12个中断源、2个优先级、双数据指针、扩展的11位堆栈指针。每条指令一个时钟周期，最大的工作时钟为25MHz（5V时）及16MHz（3V时）。用该芯片来控制DDS，可以完美地实现系统的指标性能要求。 同时考虑到，输入输出的接口需要较多的I/O口，而且这部分对单片机的速度要求不高，所以在此系统中，采取了双CPU结构，即利用ADuC841作为主控，用AT89S52作为输入输出的控制，两个CPU通过串口进行通信。(3) AM、FM、PSK、ASK信号产生部分a. 调幅(AM)信号的产生调幅的方法

11、有很多，使用的场合不同，产生调幅信号的方法也有很大的不同。实现调幅的方法大致分为低电平调幅和高电平调幅。其中低电平调幅又有平方律调幅，斩波调幅，而高电平调幅又分集电极(阳极)调幅和基极(控制栅极)调幅。平方律调幅是载波和调制信号通过非线性器件之后，产生丰富的频率分量，其中含有所需的调幅波边频，这些信号通过一个带通滤波器之后，把不需要的频率分量滤掉得到调幅波。斩波调幅就是将调制信号经过一个受载波控制的开关电路，再通过中心频率为载波频率的带通滤波器，得到调幅波。这种电路原理简单，但实现起来有一的难度，因为对器件的要求很高，易引入干扰。调试困难。用模拟乘法器实现调幅也是常用的方法。集成模拟乘法器构成

12、的调制器线性失真小，包络波形好，比用分立元件所构成的调制器稳定，而且实现起来也很方便，很容易控制，并且很稳定。所以本系统采用这种方法。b. 调频(FM)信号的产生产生调频信号的也有方法很多，归纳起来主要有两类：一是用调制信号直接控制载波的瞬时频率直接调频；二是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波，即由调相变调频间接调频。常用的调频方法是变容二极管调频，实现起来也不困难，但是要进一步提高灵敏度和精度，减少失真，实现数控，也不易于做到。因为系统的正弦波发生器是基于DDS芯片的，所以可以充分利用硬件资源，根据调制信号和载波信号，用程序控制DDS芯片直接输出调频信号，这样做的好处是电路

13、简单，频偏的改变只需要改变置入的频偏参数即可。经过我们在实验中的测试，发现这种方法的效果良好。c. 二进制PSK、ASK信号的产生在幅度键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的。ASK(幅度键控)信号的产生，可以把二进制序列看作一个开关信号的序列，用这个开关信号对载波进行调制，就得到了ASK信号。二进制相移键控(PSK)中，载波的相位随信号1或0而改变，通常用相位0和180来分别表示1或0。 相移键控信号的产生和ASK类似，可以由两个初相位不同的ASK信号相加得到。在这个设计中，因为所采用的DDS芯片自带了FSK、PSK、ASK的功能，所以只需要写程序控制DDS芯片，即可得到所需要的信号。从而节

14、省了硬件开销，实现起来更加容易，效果也好。(4)末级放大电路部分系统的输出要求在频率范围内50负载电阻上正弦信号输出电压的峰峰值为6V，因此一定要在末级加上放大电路。方案一：用晶体管组成放大电路用分立的晶体管元件构成的放大电路，优点是灵敏度高、能承受的较大的功率、动态范围广等，它们的通频带也较宽。但是，分立元件组成的电路调试起来很困难，特别是在高频段，而且容易引入噪声和失真。方案二：用运算放大器构成放大电路一个较好的解决方案是利用集成的运算放大器，但是一般的运放的频带都满足不了本系统1KHz10MHz这么宽的范围。因此一定要采用低噪声，宽频带的高速运放。AD8099和AD8039具有高达1GH

15、z的频带，用来作末级放大，则可达到题目提出的高指标。(5) 输入输出用户接口可以使用8255、8155扩展I/O口，或者使用键盘数码管接口专用芯片，这种方案成本较高。因为AT89S52“物美价廉”，功能强大，所以在这个设计中，利用它作用输入输出设备的接口控制，采用了44行列式键盘，大屏幕LCD显示器。其中，LCD显示器和LED数码管相比，有其无法比拟的优点。LED数码管无论采用静态或者动态的方式扫描，都要占用很多的CPU硬件和软件资源。LCD自带有锁存功能，只有当要改变显示内容的时候才需要占用软件资源，“空闲”时处于锁存状态，可以和CPU断开了联系。1.2 总体方案框图图2 系统框图键盘MCU

16、 I显示EEPROMMCU IIDDS放大调幅振荡源负载真有效值检波LPF整个系统的框图如图2所示，其中左边虚线方框内所示的输入输出部分以MCUI(AT89S52单片机)为中心，右边虚线方框内所示为信号发生部分，以MCUII(ADuC841)和DDS芯片(AD9958)为中心。二、原理分析和说明(1)正弦波的产生1DDS的原理图3DDS的基本结构框图如图3所示，DDS的工作过程为: 1) 将存于数表中的数字波形,经数模转换器D/A,形成模拟量波形.2) 两种方法可以改变输出信号的频率: a、改变查表寻址的时钟CLOCK的频率, 可以改变输出波形的频率. b、改变寻址的步长来改变输出信号的频率.

17、DDS即采用此法。步长即为对数字波形查表的相位增量，由累加器对相位增量进行累加，累加器的值作为查表地址。3) D/A输出的阶梯形波形，经低通(带通)滤波，成为质量符合需要的模拟波形图4 正弦输出的DDS原理图正弦输出的DDS原理图如图4所示。设相位累加器的位宽为2N, sin表的大小为2p,累加器的高P位用于寻址sin表，时钟Clock的频率为fc, 若累加器按步进为1地累加直至溢出一遍的频率为若以M点为步长,产生的信号频率为M称为频率控制字。DDS系统的核心是相位累加器，它由一个加法器和一个位相位寄存器组成，每来一个时钟，相位寄存器以步长增加，相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦

18、查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中 0360o 范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度的数字量信号，驱动DAC，输出模拟量。相位寄存器每经过2N/M 个 fc 时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，整个DDS系统输出一个正弦波。输出正弦波周期为频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为： 其中N是相位累加器的字长。频率控制字与输出信号频率成正比。通常用频率增量来表示频率合成器的分辨率，DDS的最小分辨率为与PLL不同，DDS的输出频率可以瞬时地改变,即可以实现跳频，这是DDS的一个突出优点，用于扫

19、频测量和数字通讯中，十分方便。2AD9958的简介这个系统的核心：信号波形产生部分，采用了专用DDS芯片AD9958。AD9958是美国AD公司新推出的一款多通道DDS器件。它是2路带10位DAC的500MSPS DDS，取样频率500MSPS，在各路中能单独控制频率/相位/幅度，能匹配频率/相位/幅度的变化，通路-通路之间有极好绝缘(大于72dB)。具有线性频率/相位/幅度扫描功能，多达16级频率/相位/幅度调制，单独可编程DAC满刻度电流。有两个集成的10位DAC，32位频率调整分辨率，14位相位失调分辨率，10位输出幅度可缩放的分辨率，有增强数据吞吐量的串行I/O口(SPI)，软件/硬件

20、控制降功耗，双电源工作(1.8V DDS核，3.3V串行I/O)，内置了多种器件的同步，56引脚LFCSP封装,跳频本地振荡器。系统要求产生1KHz到10MHz的频率范围，频率步进为100Hz，可知，用该芯片可以很好地实现。AD9958是具有32位的相位累加器，本系统所用的外部振荡源是22.1184M的晶振。振荡源信号经过420倍频(可程序控制)后，作为系统时钟。所以，输出信号频率的计算公式为： 从上式可以看出，频率步进最小可以达到这个设计中用5倍频，算得是题目所要求的步进量的3883倍!如果已知输出频率，可以由下式算得控制字：3信号质量1) 频率稳定度，等同于其时鈡信号的稳定度。时钟信号由晶

21、振产生，它的频稳度优于10-6。2) 频率的值的精度，决定于DDS的相位分辨率。即由DDS的相位累加器的字宽和ROM函数表决定。本题要求频率按100Hz步进，但实际上可以达到小于1Hz的步进。所以说DDS可达到很高的频率分辨率。3) 失真与杂波：可用输出频率的正弦波能量与其他各种频率成分的比值来描述。失真与杂波的成分可分为以下几个部分：a. 采样信号的镜像频率分量。DDS信号是由正弦波的离散采样值的数字量经D/A转换为阶梯形的模拟波形的。所以存在着以采样频率为折叠频率的一系列镜像频率分量。b. D/A的字宽决定了它的分辨率，它所决定的杂散噪声分量，满量程时，对信号的信噪比影响可表示为 S/D+

22、N =6.02B+1.76 dB其中B为D/A的字宽，所用的DDS有10位的D/A，信噪比可达到60dB以上。 c. 相位累加器截断造成的杂波。这是由正弦波的ROM表样点数有限而造成的。通过提高时钟频率或采用插值的方法增加每个周期中的点数（过采样），可以减少这些杂波分量。d. D/A转换器的各种非线性误差形成的杂散频率分量，其中包括谐波频率分量，它们在N频率处。这些杂波分量的幅度较小。e. 其他杂散分量，包括时钟泄漏，时钟相位噪声的影响等。 D/A后面的低通滤波器可以滤去镜像频率分量和谐波分量，可以滤去带外的高频杂散分量，但是，无法滤去落在低通带内的杂散分量。(2)AM信号的产生图5 模拟乘法

23、器MC1496的内部电路图MC1496的内部电路如图5所示，它由差分放大器(T1T4)和差动放大器T5，T6组成 ，T7，T8，T9构成差动放大器T5、T6的恒流源。工作时输入信号V1加至双差分放大器的输入端8,10脚，另一输入信号V2加至差动放大器的输入端1、4脚。差动放大器的两个发射极分别引出两个接引线端2,3，用以接入适当的反馈电阻，使V2的输入幅度的线性动态范围满足一定的要求，它还决定乘法器的增益。当V1，V2足够小时，输出电压，令并调节电位器，合1、4端的直流电位相等时，则即模拟乘法器的输出为抑制载波的调幅波。当调节1,4端的电位器，使1、4端含有直流电压VD时，则即模拟乘法器的输出

24、为普通调幅波。由上式可得其中，即为调制度。这是调幅信号的一般表达式可见，当VD一定时，调制度ma和V2m成正比关系，通过调节调制信号的幅度就可以线性地改变调制度。题目中要求在1MHz10MHz范围内产生调制度ma可在10%100%之间可以程控调节的AM波。因此，只需在实验中把调制度为10%，20%，30%，40%.100%时调制信号的幅度值保存起来，就可以根据需要输出步进量为10%的AM波了。同时，可以扩展为调制度任意调节。(3)FM信号的产生在调频或调相中，载波的瞬时频率或瞬时相位受调制信号的控制，作周期性的变化，这变化的大小与调制信号的强度成线性关系，变化的周期由调制信号的频率所决定。但已

25、调波的振幅则保持不变，不受调制信号的影响。它的原理示意图如图6所示。调频信号的一般表达式为：式中V是FM波的振幅，(t) 是FM信号的瞬时相位；且图6 调频原理示意图其中c为FM波的中心角频率，即载波频率，Kf 为FM波的调频灵敏度，是调制信号。频偏就是调频波频率摆动的幅度，一般说的是最大频偏。下面以最大频偏为10KHz，正弦调制信号为1KHz为例说明用DDS产生调频信号的方法。因为调制信号频率为1KHz，即它的周期为1ms，所以输出的调频信号频率以1ms为周期变化；最大频偏为10KHz，所以输出信号的频率最大为fc+10KHz (fc为载波频率)，最小为fc-10KHz。建立一个正弦函数表(

26、以时间为横轴取100个点)，得到下表点值序号k012345Y=sin(2*pi*k/100)00.0627910.1253330.1873810.248690.309017delta f=100*Y0627.90521253.3321873.8132486.8993090.17控制字的变化值024385.4248674.672771.6896581.57120010.3点值序号k949596979899Y=sin(2*pi*k/100)-0.36812-0.30902-0.24869-0.18738-0.12533-0.06279delta f=100*Y-3681.25-3090.17-24

27、86.9-1873.81-1253.33-627.906控制字的变化值-142965-120010-96581.6-72771.7-48674.6-24385.5每隔1ms/100=10us，单片机从上表中读取一个控制字的变化值加上到当前的中心频率控制字，即可输出符合要求的调频信号。(4)PSK、ASK信号的产生 ASK幅度键控，即传“1”信号时，发送载波，传“0”信号时，送0电平，所以也称这种调制为通（on）、断(off)键控，即OOK。其实现模型和调制波形分别如图7和图8所示。 图7 ASK信号实现模型图8 ASK信号波形图ASK信号的时间表示式为： s(t)为随机的单极性矩形脉冲序列。绝

28、对相移键控(PSK)，即传“1”信号时，发起始相位为的载波，传“0”信号时，发起始相位为0的载波，或者取其相反的形式。2PSK的实现方式和调制波形如图9和图10所示。图9 PSK信号实现模型图10 PSK信号波形图可见，2PSK信号的时间表达式为AD9958芯片自带有ASK，PSK调制功能，通过设置相应的寄存器就可以输出所需的调制信号，十分方便，用软件就可以实现，不用增加硬件资源。要产生二进制PSK、ASK信号，在100KHz(fc)固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10kps(Rs)，可得，码元周期：T=1/10K=0.1ms。利用单片机内部的定时器定时0.1ms，同时根

29、据二进制序列，决定输出波形的幅度，相位，频率，即可完成调制。三、系统方案设计1硬件设计(1)电源电路本系统的直流稳压电源采用通常的全波整流、大电容滤波、三端固定输出的电路。输入市电220V/50Hz，经过变压器后，降压为交流电，全波整流后加到各三端稳压器的滤波电容上。因为本系统采用高速度低电压的器件，各芯片所需的电压值不同，所以要用几种不同的三端稳压器。末级放大器需，AD9958需+3.3V和+1.8V， ADuC841需+3.3V，AT89S52需+5V，对应的三端稳压器为：7806，7906，117-3.3，117可调，7805。所有的集成稳压器根据功耗均安装有充分裕量的散热片。图11是电

30、源的部分电路图。值得一提的是，为了提高系统的可靠程度，减少电源偶然波动对电路的影响，在设计的过程中，在每个芯片的电源和地引脚的附近都加了0.1uF的滤波电容，在电源网络中还加了47uH的电感作为高频扼流圈，进一步提高了电源的稳定。图11 电源部分电路图(2)单片机系统及DDS电路本系统采用双CPU结构，ADuC841负责控制DDS芯片，AT89S52负责输入输出部分的控制及输入内容的处理，它们之间通过串口进行通信。为了保证通信正确，采用了累加和校验。为了使得下次开机时，输出信号为用户预设值，需加一个EEPROM。设计中用24C256，它是一款串行的、I2C协议通信的32KByte的EEPROM

31、。 (3)末级放大电路 鉴于DDS输出的是电流值，我们采用了电阻取样，把电流信号转为电压信号(约500mA)。 为了增加电路的驱动能力，满足题目所要求的幅度输出，加了末级放大电路。实际上是利用AD8039，AD8099组成两级放大电路，分别放大3倍和5倍，再加一级跟随器作为缓冲。运放用双6V供电，题目中要求6Vpp，因此一定可以达到指标。(4)真有效值检波电路为了同时显示的预设和实际的信号电压值，必须对输出的信号进行检测，设计中运用了真有效值芯片AD8361，测得的电压有效值反馈到ADuC841单片机，经过处理后，再通过串口发送到AT89S52单片机，送到LCD显示出来。2软件设计本系统软件主

32、程序采用结构化程序设计方法，功能模块各自独立。接口部分单片机软件流程图如下：信号控制部分软件流程图如下：四、系统测试与数据分析1 测试方法(1) 输出正弦波的幅度，频率，失真度测量。从键盘设置频率和电压幅度值后，用毫伏表测量输出信号的幅度，用频率计测量频率，用失真仪测量信号的失真度。同时，利用示波器监视信号波形。因为本系统的频率步进要求为100Hz，但是频率范围很宽：1KHz10MHz，所以不可能每一次步进都作测量。实际测量中，采用了最常用的1-2-5法测量。(2) 幅度调制(AM)信号的调制度测量。根据AM调制度的定义，从图12可知，用示波器观察AM波，通过读取上面的刻度，便可以测得调制度。

33、(3)PSK，ASK信号的测量。图12 调幅波调制度的测量利用示波器即可以观察到系统产生的二进制PSK、ASK信号是否由已知的二进制基带序列信号调制而来。2测试仪器V252型模拟示波器 TDS 2002数字示波器EM2171毫伏表 DF4120A失真仪5315A型频率计3测试数据及其分析(1)正弦波测得的数据如下表所示设置的频率100Hz200Hz500Hz1KHz2KHz5KHz实际输出频率100.000Hz200.000Hz500.022Hz1.00005KHz2.0009KHz5.000KHz示波器显示电压(V)5.845.85.905.895.845.86系统显示电压(V)5.865.

34、865.925.915.905.91失真度0.14000%0.13000%0.11000%0.08200%0.07200%0.06000%设置的频率10KHz20KHz50KHz100KHz200KHz500KHz实际输出频率10.000KHz20.001KHz50.0025KHx100.005KHz200.01KHz500.025KHz示波器显示电压(V)5.845.885.875.845.855.88系统显示电压(V)5.915.935.935.955.955.95失真度0.05600%0.05400%0.05400%0.05600%设置的频率1MHz2MHz5MHz10MHz15MHz2

35、0MHz实际输出频率1.0005MHz2.001MHz5.00025MHz10.0005MHz15.0007MHz20.001MHz示波器显示电压(V)5.895.926.166.406.485.44系统显示电压(V)5.965.986.046.025.695.77失真度设置的频率25MHz实际输出频率25.0012MHz示波器显示电压(V)4.04系统显示电压(V)4.38失真度实验室所用的失真仪量程只有100KHz，所以在高频段测不到失真度，但是用示波器观察时无明显失真。真有效值测出的电压幅度和示波器测出的有差别，原因主要是示波器的探头有一定的衰减，而且，在测量中，用不同的示波器，显示的幅

36、度也不同。从上表中可以看出，正弦波的频率范围，频率步进，频稳度，幅度，失真度都优于要求。(2)AM波测试数据如下表所示输入调制度10%20%30%40%50%实际调制度10.10%20.02%29.95%40.00%50.01%输入调制度60%70%80%90%100%实际调制度60.02%69.99%80.00%89.99%100%从上表可以看出，调制的效果很好地满足了指标要求。(3)FM波因为FM信号的频率的瞬时频率是不断地变化的，所以用示波器来观察其波形时，得不到稳定的输出。在本测量中，利用了数字示波器自带的FFT测试仪，来观察FM信号的频谱分布，从而测出它的实际频偏频。通过测量可知，实

37、际频偏可以达到10KHz和5KHz的最大频偏。(4)ASK、PSK信号ASK信号很容易通过示波器来验证，观察PSK信号时，要将示波器的“position”拉出，然后“寻找”相位突变点，也可以用数字示波器的“run/stop”键来捕捉相位突变点。通过测试发现，每个码元含有10个载波周期，因此符合100KHz载波，10kbps码速的要求。4调试结论这个系统不仅实现了题目要求的全部基本要求，而且出色地完成了发挥部分，每项指标都达到甚至优于题目的指标要求。五、总结本系统以高性能DDS芯片AD9958为核心，利用ADuC841和AT89S52单片机为控制中枢，加上MC1496,AD8039,AD8099

38、相配合，硬件与软件相结合，完美地实现了题目提出的指标。在系统设计过程中，力求硬件电路简单，充分发挥软件编程灵活的特点，来满足系统的设计要求。当然，因时间和水平有限，系统还有很多值得改进的地方。例如采用更加高精度的元器件，软件算法可以进一步完善等等。在设计过程中，遇到了一些困难和突发事件，通过仔细分析和自我调整，不断地对电路进行调试，最后解决了问题。在这个过程中我们学到了共同协作，体会到了团队精神的重要性，提高了解决问题的能力。六、附件（电路总图）正弦信号发生器2 华南理工大学电子与信息学院一， 任务设计制作一个正弦波信号发生器二， 要求1， 基本要求（1） 正弦波输出频率范围：1KHz10MH

39、z（2） 旧有频率设置功能，频率步进：100Hz（3） 输出信号频率稳定度：优于（4） 输出电压幅度：在50欧姆负载电阻上的电压峰峰值（5） 失真度：用示波器观察时无明显失真2， 发挥部分再完成基本要求任务的基础上，增加以下功能（1） 增加输出电压的幅度：在频率范围50欧姆负载电阻上正弦信号输出电压的峰峰值（2） 产生模拟幅度调制（AM）信号，在1MHz10MHz范围内调制度可在10%100%之间程控调节，步进10%，正弦调信号频率为1KMz，调制信号自行产生。（3） 产生模拟频率调制（FM）信号：在100KMz10MHz频率范围内产生10KHz最大频偏，且频偏可分为5KHz/10KHz二级程

40、控调节，正弦调制信号自行产生。（4） 产生PSK，ASK信号；在100KHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为100kps，二进制基带序列自行产生。（5） 其他。摘要： 本正弦波发生器由以下四部分组成：MCU(Atmel AT89S52), DDS频率合成器(AD9850), 输出缓冲放大器(LMH6624)，人机接口界面（包括4*4矩阵键盘和液晶显示器）。MCU单元负责控制一切外设的运作。DDS（数字频率合成器）实现输出正弦拨。输出缓冲放大器采用高速电流型反馈运算放大器（LMH6624），以增强带负载的驱动能力。用户可通过键盘设定相应的系统参数（频率值），系统将立即将当前

41、频率值反馈到液晶显示器上。关键字：数字频率合成 高宽频放大器 DDSAbstract The sine wave generator mainly consists of four parts: MCU (AT89S52), DDS frequency synthesizer(AD9850), Output buffer amplifier(LMH6624) and Man-Machine-Interface Module(including 4*4 keybroad and LCD). MCU unit is used to control operations of all the per

42、ipherals. The DDS frequency synthesizer is responsible for generating sine-wave signal with the exact frequency specified by user. The Output Opamplifier takes the advantage of high-speed current-feedback Op(LMH6624) and is to enhance the load-driving capability. The Man-Machine-Interface is an way

43、of communication between users and instruments. The user can enter proper parameter to change the output of the system, and the LCD can display the current frequemcy number simultaneously. Keyword: DDS wideband amplifier Digital frequency synthesizer 一， 方案论证与比较1 常见的正弦波制作方法方案一：采用模拟分立元件或者单片压控函数发生器MAX0

44、38，可产生正弦波，方波，三角波，通过调整外部参数可改变输出频率，但采用模拟器件由于元件分散性太大，即使使用单片函数发生器，参数也与外部分布参数相关，频率稳定度差，精度低，抗干扰能力低。方案二：采用锁相式频率合成方案。优点在于频率稳定，频率范围比较大，。但是频率受VCO可变频率范围的影响，高低频率比不可以做的很高。方案三：采用DDS，即使用DDS芯片，这是目前比较常用的方案。3， 方案论证：在频率合成（FS, Frequency Synthesis）领域中，常用的频率合成技术有模拟锁相环、数字锁相环、小数分频锁相环（fractional-N PLL Synthesis）等，直接数字合成(Dir

45、ect Digital SynthesisDDS)是近年来新的FS技术。单片集成的DDS产品是一种可代替锁相环的快速频率合成器件。DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形），这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。如图2所示，通过高速DAC产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相

46、位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率（频率的可控范围达Hz级，相位控制小于0.09）,能够进行快速的信号变换（输出DAC的转换速率300百万次/秒）。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。其实，以前DDS价格昂贵、功耗大（以前的功耗达Watt级）、DAC器件转换速率不高，应用受到限制，因此只用于高端设备和军事上。随着数字技术和半导体工业的发展，DDS芯片能集成包括高速DAC器件在内的部件，其功耗降低到mW级（AD9851在3.3v时功耗为480mW），功能增加了，价格便宜。因此，DDS也获得广泛的应用：现代电子器件、通信技术、医学成像、无线、PCS/PC

47、N系统、雷达、卫星通信。基准时钟相位累加器相位/幅度变换D/A变换低通滤波比较器 M fo图2基本原理及性能特点 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。的结构有很多种，其基本的电路原理可用图3来表示。 相位累加器波形存储器D/A转换器低通滤波器 K fSfo图3相位累加器由位加法器与位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲，加法器将频率控制字与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入端。累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这样，相位累加器在时钟作用下，不断对

48、频率控制字进行线性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一个时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是输出的信号频率。 用相位累加器输出的数据作为波形存储器（）的相位取样地址，这样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到转换器，转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。 在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所

49、能达到的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。（）输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为s（理论值）。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到s。 （）频率转换时间短 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得的频率转换时间极短。事实上，在的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 （）频率分辨率极高若时钟s的频率不变，的频率分辨率就由

50、相位累加器的位数决定。只要增加相位累加器的位数即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数的分辨率在数量级，许多小于甚至更小。 （）相位变化连续 改变输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。 （）输出波形的灵活性只要在内部加上相应控制如调频控制、调相控制和调幅控制，即可以方便灵活地实现调频、调相和调幅功能，产生、和等信号。另外，只要在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。 （）其

51、他优点 由于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。 二， 系统设计：1， 总体设计（1） 系统框图 数据存储器MCU键盘输 入LCD显示模块波形产生DDS芯片超高频率放大电路 （2） 模块说明a） 波形发生电路由DDS芯片提供，单片机负责控制频率的调节和状态的改变。b） 键盘电路采用4*4键盘输入，单片机采用扫描方式。c） LCD显示电路：采用12864。d） 数据存储器用于保护断点和特殊频率点。e） 超高频率放大电路：采用LMH6624 作为放大电路，用于输出的放大和提高带负载能力。2， 各个模块设计以及参数计算（

52、1）频率发生：采用DDS芯片及用单片机直接控制，频率稳定，控制性能良好。频率范围比较宽。 由芯片的DATASHEET可以得到频率的换算公式N：单片机写入DDS芯片的数据大小CLKIN：DDS芯片的晶振提供频率数值单片机的工作速度快，DDS采用累加技术，使的输出频率不受单片机影响，从而频率可以上的很高。电路的布线有所讲究，电源的隔离都要考虑到。否则在高频率范围无法正常工作。所以在电路板的走线上我们着重考虑。（3） 键盘输入和LCD显示模块：键盘采用4*4键盘，采用这样的键盘扩展性好，对用户来说操作性好。单片机采用主动查询方式。LCD显示采用12864，该显示LCD为点阵性显示，内容丰富，显示效果

53、好，可视性好。（4） 控制模块：系统采用单片机89S52，该MCU为常用的控制器，功能完善，价格便宜，稳定性好模块为系统核心模块。（5） 高频放大电路：由于本电路产生的波形频率比较高，一般的放大器频率宽度不够，我们采用了高宽频率放大器，LMH6624，BW=300MHz，采用两级放大，一共放大8倍，符合本系统的要求。（6） 数据存储模块：在设计中采用了24C02做为数据存储器，该存储器为总线做为传输数据总线。具有2K的数据存储量，可以将使用者的关键波形点数值存入，以方便其查找和调用。3， 软件设计部分源程序：void main(void)/主函数Freq freq;unsigned char

54、key_num,step,output6=0,0,1,0,0,0;/*变量初始化freq.f=357913;/初始频率step=0;/选择步进(默认为100Hz)/setup_flag=0;/表示还没进入设置状态/*AD9850_RESET=1;menu();change(output);AD9850_RESET=0;/*ad9850(0x09,freq);/公式：*4/2（32）步进100：35791k：35791 10k：357913 /100k：3579139 1M：35791394 10M：357913941while(1)/主循环key_num=scan_key();if(key_n

55、um=INCREASE)/增量调节freq.f=add(step,freq,output);else if(key_num=DECREASE)/减量调节freq.f=reduce(step,freq,output);else if(key_num=STEP)/调节补进大小step=change_step(step);else if(key_num=INPUT)/直接输入频率input(key_num,output,freq);else if(key_num=SHOW)/进入其他功能设置show(output,freq);menu();change(output);freq.f=output0*

56、3579+output1*35791+output2*357913+output3*3579139+output4*35791394+output5*357913941;ad9850(0x09,freq);step=change_step(step-1);void show(unsigned char output,Freq freq)/设置功能函数/Freq freq;unsigned char i,control,choose,exit,address;unsigned char psk6=101010;unsigned char ask7=000111;unsigned char f_p

57、sk05=0x01,0x00,0x35,0x26,0x00;unsigned char f_psk15=0x81,0x00,0x35,0x26,0x00;unsigned char f_ask05=0x01,0x00,0x00,0x00,0x00;unsigned char f_ask15=0x01,0x00,0x35,0x26,0x00;dis_onelist(0,0,选择进入演示: );dis_onelist(0,1,1.演示PSK。 );dis_onelist(0,2,2.演示ASK. );dis_onelist(0,3, );write_data(0x1F);dis_onelist(5

58、,3, );exit=0;control=1;while(control)choose=scan_key();if(choose=1)/演示PSKdis_onelist(0,0,基带序列: );dis_onelist(5,0,psk);dis_onelist(0,1,载波频率:100KHz.);dis_onelist(0,2,基带码速:10kbps.);dis_onelist(0,3,退出:SHOW );i=0;while(scan_key()!=SHOW)if(pski=0)ad9850_psk(f_psk0);delay(5);else ad9850_psk(f_psk1);delay(5);i=(i+1)%6;exit=1;else if(choose=2)/演示ASK