一種新型的正弦信號發(fā)生器的設計與實現

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技術實現頻率合成功能，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，步進為100 Hz，且通過對CPLD采用相應的數字控制算法實現調頻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(wěn)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(wěn)定在6±0.6 V，波形無明顯失真，系統(tǒng)的整體性能良好。

　　0 引言

　　正弦信號源在實驗室和電子工程設計中有著十分重要的作用，而傳統(tǒng)的正弦信號源根據實際需要一般價格昂貴，低頻輸出時性能不好且不便于自動調節(jié)，工程實用性較差。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)磁場測量儀的激勵一般的正弦信號，也可作為調制用的教學演示信號源。

　　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，在CPLD上實現正弦信號查找表和地址掃描，經D／A輸出可得到正弦信號。具有頻率穩(wěn)定度高，頻率范圍寬，容易實現頻率步進100 Hz。全數字化結構便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現程控。

　　調幅、調頻、鍵控信號的產生可采用調頻、調幅專用芯片能分剮實現，但是該方法實現的調頻調幅功能，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現。本文利用CPLD和單片機AT89S52不僅可以實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(tǒng)的整體性能和工作可靠性。正弦信號產生部分可在一片CPLD(EP1K30)中實現，大大地簡化了硬件電路，便于功能擴展，并為進一步實現系統(tǒng)集成創(chuàng)造了條件。

　　1 理論分析與計算

　　1．1 正弦波形的產生

　　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為時鐘頻率，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長，M為ROM地址線位數，L為ROM數據線寬度，fo為輸出頻率。相位累加器由全加器和累加寄存器級聯組成。在時鐘頻率fc的控制下，對輸入頻率控制字K進行累加，累加滿量時就產生溢出。相位累加器的輸出對應于該時刻合成周期信號的相位，并且這個相位是周期性的，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，經過數模轉換，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行平滑處理，濾除雜波和諧波。由于控制字K經過2N／K次累加，相位累加器滿量溢出，完成1個周期運算，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。理論上通過設定DDS相位累加器的位數N、頻率控制字K和時鐘頻率fc的值，就可以產生任一頻率的輸出。根據頻率步進100Hz的要求，選取累加器的位數為19位，計算出時鐘頻率fc應為52．4288 MHz。步進的累計誤差通過軟件補償的方法進行修正，利用現有的52．416 0 MHz晶振完全精確地實現步進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，這一過程稱為幅度調制。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，實現起來繁瑣。可以采用CPLD芯片結合DDS技術靈活的實現數字調幅，原理如圖2所示。

圖2 幅度調制原理圖

　　由DDS產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信號相加就產生相應的數字調幅波編碼，經D／A轉換得到模擬調幅信號。