基于MCU/FPGA的多功能正弦信號發(fā)生器的設計

在通信、廣播、電視系統中，都需要射頻發(fā)射，即載波，把音頻、視頻信號或脈沖信號運載出去，這就需要能產(chǎn)生高頻信號的振蕩器。正弦波振蕩電路在各個(gè)科學(xué)技術(shù)部門(mén)的應用是十分廣泛的。在工業(yè)、農業(yè)、生物醫學(xué)等領(lǐng)域(如高頻感應加熱、熔煉、淬火，超聲波焊接、超聲診斷、核磁共振成像等)都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。

本系統以直接數字合成(DDS)芯片為信號發(fā)生核心，以單片機為控制和人機界面核心，使用FPGA作為控制核心，組成一個(gè)具有多種信號輸出能力的信號發(fā)生電路?？奢敵鲱l率可調的正弦信號、調頻信號、調幅信號和數字調制輸出信號等，具有廣泛的應用前景[1-2]。

1 系統總體設計方案和工作原理

系統整體框圖如圖1。單片機接收用戶(hù)的模式選擇和參數設置值并經(jīng)過(guò)程序處理后送入FPGA。在FPGA中預先構建了實(shí)現各種功能的功能模塊。DDS控制模塊用于控制DDS芯片AD9851產(chǎn)生相應頻率的無(wú)調制正弦波及調頻正弦波；DAC7611控制模塊用于控制DAC7611數模轉換器并為DAC904數模轉換器提供基準電壓；二進(jìn)制基帶碼控制模塊用于將用戶(hù)輸入的二進(jìn)制基帶碼轉換為串行數據，便于后續處理；數字調制控制模塊用于判斷用戶(hù)選擇的數字調制方式，并結合二進(jìn)制基帶碼模塊輸出的數據，輸出不同的相位值給ROM中的正弦波表，實(shí)現輸出數字調制信號；DAC904用于D/A轉換輸出數字調制信號。

2 FPGA內部控制模塊及其實(shí)現

2.1 DDS控制模塊

AD9851是ADI公司的專(zhuān)用DDS芯片，采用CMOS生產(chǎn)的具有高集成度的直接數字合成器，內置32 bit頻率累加器、10 bit高速DAC、高速比較器和可軟件選通的時(shí)鐘6倍頻電路。外接參考頻率源時(shí)，AD9851可以產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩定度非常高的正弦波。

相位累加器的位數為N，相位控制字的值為FN，頻率控制字的位數為M，頻率控制字的值為FM，Fc為AD9851內部時(shí)鐘頻率。此時(shí)，最終合成信號的頻率和相位可由式(1)和式(2)來(lái)決定：

FPGA中DDS控制模塊的功能主要是對AD9851寫(xiě)控制字，使其輸出正弦、AM、FSK、FM波。功能的切換通過(guò)寫(xiě)入不同的控制字得以實(shí)現，頻率數據由P0、nWR、CS、Addr等微機標準接口寫(xiě)入。對AD9851的操作由FQD、WCK、Dout、RST輸出口與芯片數字接口實(shí)現。實(shí)現FM時(shí)，需要在中心頻率周?chē)a(chǎn)生5 kHz/10 kHz的頻偏，這要求模塊輸出的頻率控制字要隨調制信號幅度變化而變化，在模塊的輸入端給出了當前的頻率控制字增量，模塊讀入這個(gè)增量與中心頻率控制字相加，即可得到當前頻率控制字，也即實(shí)現了FM。

2.2 幅度調制模塊

實(shí)際控制調幅度AM時(shí)，保持載波信號幅度不變，控制調制信號的幅度，就可以實(shí)現AM在10％～100％之間調節。通過(guò)控制DAC7611輸出信號幅度，即控制DAC904的參考電壓，達到控制調制度的效果?？梢酝ㄟ^(guò)一個(gè)模擬乘法器AD835電路實(shí)現調幅信號，且載波信號頻率可以做得很高，也比較容易實(shí)現。

2.3 頻率調制模塊

在軟件實(shí)現時(shí)，根據調頻信號變化的規律采用數字方式控制DDS正弦波發(fā)生器的頻率控制字，存在一個(gè)單獨的ROM模塊中，直接作用于輸出波形的頻率值，即實(shí)現了對信號源頻率的調制。

由單片機輸入中心頻率和最大頻偏后，啟動(dòng)數字FM，FPGA內部時(shí)鐘單元將產(chǎn)生一個(gè)128 kHz的時(shí)鐘，用于累加8 128 bit正弦波表地址，得出相應正弦幅度量化值。該幅度值一方面作為輸出信號輸出至外部D/A的數據端口，用于恢復正弦信號；另一方面作為頻率控制字的計算依據，根據相應公式計算出頻率控制字。寫(xiě)時(shí)序控制器在時(shí)鐘的作用下將生成的頻率控制字寫(xiě)到DDS芯片AD9851內，從而產(chǎn)生一個(gè)頻率與正弦信號幅度成比例的調頻信號。

2.4 數字調制模塊

在具體的編程實(shí)現過(guò)程中，在FPGA內設置二進(jìn)制基帶碼模塊和數字調制控制模塊。通過(guò)二進(jìn)制基帶碼模塊，將鍵盤(pán)輸入的0、1值轉換為串行數據，便于后續處理。通過(guò)數字調制控制模塊判斷用戶(hù)選擇的方式為ASK、PSK還是FSK，結合二進(jìn)制基帶碼模塊輸出的數據，輸出不同的相位值給ROM中的正弦波表，實(shí)現輸出數字調制信號。

對于A(yíng)SK，將載波信號與二進(jìn)制基帶信號相乘；對于PSK，用二進(jìn)制基帶信號控制載波的相位，當二進(jìn)制基帶信號的上升沿(下降沿)到來(lái)時(shí)，載波反相，其他時(shí)間相位不變，得到的輸出經(jīng)D/A轉換后就是PSK信號，對于FSK，0、1各代表不同的頻率值，二進(jìn)制基帶信號控制頻率控制字。

假設載波固定頻率為100 kHz，基帶序列碼速率為10 kb/s，當實(shí)現2ASK時(shí)，如果基帶序列為1碼，應輸出5個(gè)正弦載波，為0則應輸出零電平?？蓪⒒鶐蛄械乃俾士刂妻D為控制當序列符號為1時(shí)能輸出正弦波的數量，而載波的頻率是通過(guò)向自制DDS信號源寫(xiě)入載波頻率控制字實(shí)現的。因此，當確定載波頻率時(shí)，從單片機輸入一個(gè)數字x表示當序列符號為1時(shí)能輸出正弦波的數量，則可確定基帶序列碼的速率。如圖2所示，數字x通過(guò)din[7..0]輸入并存儲到了模塊內部一個(gè)寄存器中，內部一個(gè)計數器從0開(kāi)始計數，每當計滿(mǎn)x-1，計數器清零，并且使內部一個(gè)標志位flag取反。當flag為1時(shí)，輸出端口adr-out[9..0]輸出一定規律的連續地址查表RAM-1 024 B存儲器(里面存的是正弦波表)，控制輸出正弦載波；當已輸出x個(gè)時(shí)，flag取反為0，則控制輸出一個(gè)固定地址到RAM-1 024 B，這個(gè)固定地址里存為0值，則此時(shí)輸出0電平。循環(huán)下去即可實(shí)現2ASK調制。同理，當選擇輸出2PSK時(shí)，每當flag取反一次則將輸出的正弦載波反相一次，則就實(shí)現了2PSK調制。當選擇輸出2FSK時(shí)，每當flag取反一次，則分別將兩個(gè)頻率控制字送入自制DDS信號源，從而控制輸出了兩個(gè)頻率相互變化的2FSK輸出。