一種新型的正弦信號發(fā)生器的設計與實(shí)現

摘要：為精確地輸出正弦波、調幅波、調頻波、PSK、ASK等信號及保證信號的高可靠性，設計出一種新型的正弦信號發(fā)生器。該正弦信號發(fā)生器以可編程邏輯器件CPLD和單片機AT89S52為基礎，采用數字頻率合成DDS技術(shù)實(shí)現頻率合成功能，結合高速D/A器件AD9713使得輸出頻率維持在1 k~10 MHz范圍內，步進(jìn)為100 Hz，且通過(guò)對CPLD采用相應的數字控制算法實(shí)現調頻FM，調幅AM和鍵控PSK、ASK數字調制功能。測試結果表明，設計的正弦信號發(fā)生器輸出信號穩定度優(yōu)于10-4，在頻率范圍內50 Ω的負載上輸出正弦波電壓幅度穩定在6±0.6 V，波形無(wú)明顯失真，系統的整體性能良好。

　　0 引言

　　正弦信號源在實(shí)驗室和電子工程設計中有著(zhù)十分重要的作用，而傳統的正弦信號源根據實(shí)際需要一般價(jià)格昂貴，低頻輸出時(shí)性能不好且不便于自動(dòng)調節，工程實(shí)用性較差。本文的設計以較低的成本制作正弦信號發(fā)生器，可用作核磁共振中引發(fā)磁場(chǎng)測量?jì)x的激勵一般的正弦信號，也可作為調制用的教學(xué)演示信號源。

　　正弦信號發(fā)生器主要由兩部分組成：正弦波信號發(fā)生器和產(chǎn)生調幅、調頻、鍵控信號。正弦波信號發(fā)生器采用直接數字頻率合成DDS技術(shù)，在CPLD上實(shí)現正弦信號查找表和地址掃描，經(jīng)D／A輸出可得到正弦信號。具有頻率穩定度高，頻率范圍寬，容易實(shí)現頻率步進(jìn)100 Hz。全數字化結構便于集成，輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可實(shí)現程控。

　　調幅、調頻、鍵控信號的產(chǎn)生可采用調頻、調幅專(zhuān)用芯片能分剮實(shí)現，但是該方法實(shí)現的調頻調幅功能，對于某一特定頻率和特定的調制度、頻偏效果較好，在載波頻率可變和調制度、頻偏要求任意設定的情況下難以實(shí)現。本文利用CPLD和單片機AT89S52不僅可以實(shí)現頻率范圍可調的正弦波信號，而且在CPLD內部加上相應的數字控制算法就能方便地實(shí)現調頻FM，調幅AM和鍵控PSK、ASK數字調制功能有利于提高系統的整體性能和工作可靠性。正弦信號產(chǎn)生部分可在一片CPLD(EP1K30)中實(shí)現，大大地簡(jiǎn)化了硬件電路，便于功能擴展，并為進(jìn)一步實(shí)現系統集成創(chuàng )造了條件。

　　1 理論分析與計算

　　1．1 正弦波形的產(chǎn)生

　　單向DDS由Nbit相位累加器和ROM只讀存儲器(正弦查找表)構成的數控振蕩源(NCO)，數模轉換器(DAC)、低通平滑濾波器(LPF)構成，圖1所示為DDS的基本結構。

　　圖1中fc為時(shí)鐘頻率，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長(cháng)，M為ROM地址線(xiàn)位數，L為ROM數據線(xiàn)寬度，fo為輸出頻率。相位累加器由全加器和累加寄存器級聯(lián)組成。在時(shí)鐘頻率fc的控制下，對輸入頻率控制字K進(jìn)行累加，累加滿(mǎn)量時(shí)就產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對應于該時(shí)刻合成周期信號的相位，并且這個(gè)相位是周期性的，在0～2π范圍內變化。相位累加器位數為N，最大輸出為2N-1，對應于2π的相位，累加1次就輸出1個(gè)相應的相位碼，地址以查表方式，得到對應相位的信號幅度值，經(jīng)過(guò)數模轉換，就可以得到一定頻率的信號輸出波形，低通濾波器對輸出的信號波形進(jìn)行平滑處理，濾除雜波和諧波。由于控制字K經(jīng)過(guò)2N／K次累加，相位累加器滿(mǎn)量溢出，完成1個(gè)周期運算，所以輸出頻率fo由fc和K共同決定，即fo=fcK／2N且K2N-1，得到DDS的最小分辨率可達fc／2N。理論上通過(guò)設定DDS相位累加器的位數N、頻率控制字K和時(shí)鐘頻率fc的值，就可以產(chǎn)生任一頻率的輸出。根據頻率步進(jìn)100Hz的要求，選取累加器的位數為19位，計算出時(shí)鐘頻率fc應為52．4288 MHz。步進(jìn)的累計誤差通過(guò)軟件補償的方法進(jìn)行修正，利用現有的52．416 0 MHz晶振完全精確地實(shí)現步進(jìn)100 Hz的要求。

圖1 基于DDS的正弦信號發(fā)生器的原理圖

　　1．2 產(chǎn)生模擬幅度調制信號

　　用調制信號去控制高頻振蕩的幅度，使其幅度的變化量隨調制信號成正比地變化，這一過(guò)程稱(chēng)為幅度調制。若載波為uc=Uc cosωct，調制信號為f(t)=cosΩt，則調幅波為

　　普通調幅波利用模擬相乘器實(shí)現，但是外圍電路復雜，改變調制度需改變電路元件的參數，實(shí)現起來(lái)繁瑣?？梢圆捎肅PLD芯片結合DDS技術(shù)靈活的實(shí)現數字調幅，原理如圖2所示。

圖2 幅度調制原理圖

　　由DDS產(chǎn)生的波形信號作為載波，在單片機內部作調制信號為1 kHz的正弦波形存儲表，根據鍵盤(pán)所設定的調制度ma(10％～100％)與存儲表中的數據相乘的結果送CPLD與DDS得到的波形相乘，再與DDS信號相加就產(chǎn)生相應的數字調幅波編碼，經(jīng)D／A轉換得到模擬調幅信號。