一種新型的正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：為精確地輸出正弦波、調(diào)幅波、調(diào)頻波、PSK、ASK等信號(hào)及保證信號(hào)的高可靠性，設(shè)計(jì)出一種新型的正弦信號(hào)發(fā)生器。該正弦信號(hào)發(fā)生器以可編程邏輯器件CPLD和單片機(jī)AT89S52為基礎(chǔ)，采用數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率合成功能，結(jié)合高速D/A器件AD9713使得輸出頻率維持在1 k~10 MHz范圍內(nèi)，步進(jìn)為100 Hz，且通過(guò)對(duì)CPLD采用相應(yīng)的數(shù)字控制算法實(shí)現(xiàn)調(diào)頻FM，調(diào)幅AM和鍵控PSK、ASK數(shù)字調(diào)制功能。測(cè)試結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的正弦信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)穩(wěn)定度優(yōu)于10-4，在頻率范圍內(nèi)50 Ω的負(fù)載上輸出正弦波電壓幅度穩(wěn)定在6±0.6 V，波形無(wú)明顯失真，系統(tǒng)的整體性能良好。

　　0 引言

　　正弦信號(hào)源在實(shí)驗(yàn)室和電子工程設(shè)計(jì)中有著十分重要的作用，而傳統(tǒng)的正弦信號(hào)源根據(jù)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(diào)節(jié)，工程實(shí)用性較差。本文的設(shè)計(jì)以較低的成本制作正弦信號(hào)發(fā)生器，可用作核磁共振中引發(fā)磁場(chǎng)測(cè)量?jī)x的激勵(lì)一般的正弦信號(hào)，也可作為調(diào)制用的教學(xué)演示信號(hào)源。

　　正弦信號(hào)發(fā)生器主要由兩部分組成：正弦波信號(hào)發(fā)生器和產(chǎn)生調(diào)幅、調(diào)頻、鍵控信號(hào)。正弦波信號(hào)發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)，在CPLD上實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)查找表和地址掃描，經(jīng)D／A輸出可得到正弦信號(hào)。具有頻率穩(wěn)定度高，頻率范圍寬，容易實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)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(shí)現(xiàn)程控。

　　調(diào)幅、調(diào)頻、鍵控信號(hào)的產(chǎn)生可采用調(diào)頻、調(diào)幅專用芯片能分剮實(shí)現(xiàn)，但是該方法實(shí)現(xiàn)的調(diào)頻調(diào)幅功能，對(duì)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(shí)現(xiàn)。本文利用CPLD和單片機(jī)AT89S52不僅可以實(shí)現(xiàn)頻率范圍可調(diào)的正弦波信號(hào)，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(shí)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(hào)產(chǎn)生部分可在一片CPLD(EP1K30)中實(shí)現(xiàn)，大大地簡(jiǎn)化了硬件電路，便于功能擴(kuò)展，并為進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成創(chuàng)造了條件。

　　1 理論分析與計(jì)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(chǔ)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(shí)鐘頻率，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長(zhǎng)，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(jí)聯(lián)組成。在時(shí)鐘頻率fc的控制下，對(duì)輸入頻率控制字K進(jìn)行累加，累加滿量時(shí)就產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對(duì)應(yīng)于該時(shí)刻合成周期信號(hào)的相位，并且這個(gè)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(duì)應(yīng)于2π的相位，累加1次就輸出1個(gè)相應(yīng)的相位碼，地址以查表方式，得到對(duì)應(yīng)相位的信號(hào)幅度值，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換，就可以得到一定頻率的信號(hào)輸出波形，低通濾波器對(duì)輸出的信號(hào)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，相位累加器滿量溢出，完成1個(gè)周期運(yùn)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(dá)fc／2N。理論上通過(guò)設(shè)定DDS相位累加器的位數(shù)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(jù)頻率步進(jìn)100Hz的要求，選取累加器的位數(shù)為19位，計(jì)算出時(shí)鐘頻率fc應(yīng)為52．4288 MHz。步進(jìn)的累計(jì)誤差通過(guò)軟件補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行修正，利用現(xiàn)有的52．416 0 MHz晶振完全精確地實(shí)現(xiàn)步進(jìn)100 Hz的要求。

圖1 基于DDS的正弦信號(hào)發(fā)生器的原理圖

　　1．2 產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制信號(hào)

　　用調(diào)制信號(hào)去控制高頻振蕩的幅度，使其幅度的變化量隨調(diào)制信號(hào)成正比地變化，這一過(guò)程稱為幅度調(diào)制。若載波為uc=Uc cosωct，調(diào)制信號(hào)為f(t)=cosΩt，則調(diào)幅波為

　　普通調(diào)幅波利用模擬相乘器實(shí)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(shí)現(xiàn)起來(lái)繁瑣?？梢圆捎肅PLD芯片結(jié)合DDS技術(shù)靈活的實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)幅，原理如圖2所示。

圖2 幅度調(diào)制原理圖

　　由DDS產(chǎn)生的波形信號(hào)作為載波，在單片機(jī)內(nèi)部作調(diào)制信號(hào)為1 kHz的正弦波形存儲(chǔ)表，根據(jù)鍵盤所設(shè)定的調(diào)制度ma(10％～100％)與存儲(chǔ)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(hào)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(hào)。