正弦信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)

正弦信號源在實驗室和電子工程設(shè)計中有著十分重要的作用，而傳統(tǒng)的正弦信號源根據(jù)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(diào)節(jié)，工程實用性較差。本文的設(shè)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(diào)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(diào)幅、調(diào)頻、鍵控信號。正弦波信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)，在CPLD上實現(xiàn)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(wěn)定度高，頻率范圍寬，容易實現(xiàn)頻率步進100 Hz。全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控。
調(diào)幅、調(diào)頻、鍵控信號的產(chǎn)生可采用調(diào)頻、調(diào)幅專用芯片能分剮實現(xiàn)，但是該方法實現(xiàn)的調(diào)頻調(diào)幅功能，對于某一特定頻率和特定的調(diào)制度、頻偏效果較好，在載波頻率可變和調(diào)制度、頻偏要求任意設(shè)定的情況下難以實現(xiàn)。本文利用CPLD和單片機AT89S52不僅可以實現(xiàn)頻率范圍可調(diào)的正弦波信號，而且在CPLD內(nèi)部加上相應(yīng)的數(shù)字控制算法就能方便地實現(xiàn)調(diào)頻FM，調(diào)幅AM和鍵控PSK、ASK數(shù)字調(diào)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(chǎn)生部分可在一片CPLD(EP1K30)中實現(xiàn)，大大地簡化了硬件電路，便于功能擴展，并為進一步實現(xiàn)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(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(gòu)成的數(shù)控振蕩源(NCO)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、低通平滑濾波器(LPF)構(gòu)成，圖1所示為DDS的基本結(jié)構(gòu)。

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(shù)，L為ROM數(shù)據(jù)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(lián)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(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對應(yīng)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(nèi)變化。相位累加器位數(shù)為N，最大輸出為2N-1，對應(yīng)于2π的相位，累加1次就輸出1個相應(yīng)的相位碼，地址以查表方式，得到對應(yīng)相位的信號幅度值，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)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(jīng)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(shè)定DDS相位累加器的位數(shù)N、頻率控制字K和時鐘頻率fc的值，就可以產(chǎn)生任一頻率的輸出。根據(jù)頻率步進100Hz的要求，選取累加器的位數(shù)為19位，計算出時鐘頻率fc應(yīng)為52．4288 MHz。步進的累計誤差通過軟件補償?shù)姆椒ㄟM行修正，利用現(xiàn)有的52．416 0 MHz晶振完全精確地實現(xiàn)步進100 Hz的要求。
1．2 產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制信號
用調(diào)制信號去控制高頻振蕩的幅度，使其幅度的變化量隨調(diào)制信號成正比地變化，這一過程稱為幅度調(diào)制。若載波為uc=Uc cosωct，調(diào)制信號為f(t)=cosΩt，則調(diào)幅波為

普通調(diào)幅波利用模擬相乘器實現(xiàn)，但是外圍電路復(fù)雜，改變調(diào)制度需改變電路元件的參數(shù)，實現(xiàn)起來繁瑣。可以采用CPLD芯片結(jié)合DDS技術(shù)靈活的實現(xiàn)數(shù)字調(diào)幅，原理如圖2所示。

由DDS產(chǎn)生的波形信號作為載波，在單片機內(nèi)部作調(diào)制信號為1 kHz的正弦波形存儲表，根據(jù)鍵盤所設(shè)定的調(diào)制度ma(10％～100％)與存儲表中的數(shù)據(jù)相乘的結(jié)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(yīng)的數(shù)字調(diào)幅波編碼，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換得到模擬調(diào)幅信號。
1．3 產(chǎn)生模擬頻率調(diào)制信號
在連續(xù)波調(diào)制中，載波可表示為uc=Uc cosωct，調(diào)制信號為UΩ(t)，調(diào)頻波是瞬時頻率的變化量與調(diào)制信號成正比，因此調(diào)頻波的瞬時角頻率除了載波角頻率ωc外，還附加一項和調(diào)制信號成正比的部分，式中kf為比例系數(shù)，是單位調(diào)制信號強度引起的頻率變化?！?omega;f(t)的最大值△ωf稱為最大頻偏，反映在頻率上為f(t)=fc+△fcos(2πft)，調(diào)頻波的表達式：

圖3為CPLD數(shù)字調(diào)頻電路，頻偏為5 K時的控制字是50，將余弦波形與50相乘，并與單片機傳遞的頻率控制字相加，送入DDS模塊經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換就可以輸出調(diào)頻波，其設(shè)計原理圖如圖4所示。