1、正弦信号发生器正弦信号发生器（华中科技大学 曹震 陈国英 孟芳宇） 文章来源：凌阳科技教育推广中心 作者：华中科技大学2005年电子大赛一等奖 发布时间：2006-4-24 10:46:18 本系统基于直接数字频率合成技术；以凌阳SPCE061A单片机为控制核心；采用宽带运放AD811和AGC技术使得50负载上峰值达到6V1V；由模拟乘法器AD835产生调幅信号；由数控电位器程控调制度；通过单片机改变频率字实现调频信号，最大频偏可控；通过模拟开关产生ASK、PSK信号。系统的频率范围在100Hz12MHz,稳定度优于10-5，最小步进为10Hz。一、方案论证根据题目要求和本系统的设计思想，系统
2、主要包括图1.1所示的模块。图1.1 系统模块框图1、 单片机选型方案一：采用现在比较通用的51系列单片机。51系列单片机的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，但此系列单片机是8位机，处理速度不是很快，资源不够充足，而且其最小系统的外围电路都要自己设计和制作，使用起来不是很方便，故不采用。方案二：选用凌阳公司的SPCE061A单片机。SPCE061A单片机是16位的处理器，主频可以达到49MHz，速度很快，再加上其方便的ADC接口，非常适合对高频信号进行数字调频，如果对音频信号进行A/D采样，经过数字调频并发射，完全可以达到调频广播的效果。结合题目的要求及SPCE061A
3、单片机的特点，本系统选用凌阳公司的此款单片机。2、 频率合成模块方案一：锁相环频率合成。如图1.2，锁相环主要由压控LC振荡器，环路滤波器，鉴相器，可编程分频器，晶振构成。且频率稳定度与晶振的稳定度相同，达10-5，集成度高，稳定性好；但是锁相环锁定频率较慢，且有稳态相位误差，故不采用。图1.2 锁相环的基本原理方案二: 直接数字频率合成。直接数字频率合成DDFS（Direct Digital Frequency Synthesizer）基于Nyquist定理，将模拟信号采集，量化后存入存储器中，通过寻址查表输出波形数据，再经D/A转换，滤波，恢复原波形。DDFS 中大部分部件都属于数字电路，
4、集成度高、体积小、功耗低、可靠性、性价比高，易调试，输出线性调频信号相位连续，频率分辨率高，转换速度快，价格低。其频率稳定度和可靠性优于其它方案，故采用该方案。3、 峰值检测模块方案一：使用AD8310测峰-峰值。AD8310可以测量输入信号的正有效值，从而得到峰-峰值。AD8310为440MHz的高速对数放大器，频带很宽；输出是信号有效值的对数，虽然可测量的范围很宽，但信号的幅度变化较小时，其输出几乎不变，不利于后面的自动增益控制。故不采用。方案二：二极管包络测峰法。利用二级管波形幅度检测的方法，得到信号的正峰值。此法检测的信号范围较小，但精度较高，对后面使用自动增益控制来稳定幅度有重大意义
5、。因此采用此方案。利用检波二极管1N60对输入信号检测，得到与信号峰值成比例关系的直流信号，再经运放调整比例系数以便于单片机采样。电路如图1.3： 图1.3正峰值幅度检测4、 自动增益控制模块方案一：DAC控制增益。如图1.4，输入信号放大后作为基准电压送给DAC的Vref脚，相当于一个程控衰减器。再接一级放大，这两级放大可实现要求的放大倍数。输出接到有效值检测电路上，反馈给单片机。单片机根据反馈调节衰减器，实现AGC。还可通过输入模块预置增益值，控制DAC的输出，实现程控增益。但增益动态范围有限，故不采用。图1.4 增益控制部分方案一示意图方案二：电压控制增益。如图1.5，信号经缓冲器后进入
6、可编程增益放大器PGA -AD603，放大后进入有效值测量部分，得出的有效值采样后送入单片机，再由DAC输出给AD603控制放大倍数，实现自动增益控制。同时可通过输入模块设置增益值，控制DAC的输出，实现程控增益放大。图1.5 增益控制部分方案二示意图 5、 显示模块方案一：采用8位LED配以MAX7219显示。控制简单，调试方便, 且串行显示占用I/O口少；但只能显示ASCII码，故不采用。方案二：采用点阵型（128 64）液晶SVM12864（LCD）。虽然占用I/O口多，控制复杂，但功能强大，可以显示汉字及简单图形，可设计出清晰的菜单，提供全面的信息，功耗低，界面友好，控制灵活，使系统智
7、能化、人性化，因此采用该方案。二、详细软硬件设计1、硬件设计SPCE061A单片机从键盘获得输入信息，控制DDFS芯片AD9851 ,产生预置频率和相位的正弦信号；经低通滤波器滤除谐波分量及杂散信号后得到较纯的正弦波,自动增益控制模块及功率放大模块使输出信号峰-峰值稳定在6V1V范围内。PSK、ASK用简单的模拟电路搭建。以上系统的基本结构，配以44键盘，12864LCD构成人机界面。系统框图如图2.1所示，硬件连接图如图2.2：图2.1 系统结构框图图2.2 系统硬件连接图直接数字频率合成模块AD9851是ADI公司采用先进的DDS技术推出的高集成度DDS频率合成器,它内部包括可编程DDS系
8、统、高性能DAC及高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生。接上精密时钟源,AD9851可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出。AD9851接口功能控制简单,可以用8位并行口或串行口直接输入频率、相位等控制数据。32位频率控制字,在180MHz时钟下,输出频率分辨率达0.0372Hz。先进的CMOS工艺使AD9851不仅性能指标一流,而且功耗低,在3.3V供电时,功耗仅为155mW。本系统通过单片机控制AD9851频率控制字实现频率合成，经低通滤波器滤除噪声和杂散信号就可得到比较纯正的正弦信号。同时，调制正弦波信号通过单片机A/D采样后，并行输入改变DDS芯片频
9、率控制字，就可实现调频，基本不需要外围电路，且最大频偏可由软件任意改变。电路连接图见图2.3，此时输出正弦波幅值较低，约为几百毫伏，且低频和高频时幅值有较大差异，若直接输入后面的功率放大电路，则可能因为放大倍数较高而无法满足50负载上峰峰值Vopp=6V1V，故我们在功率放大前面接一级自动增益控制电路（AGC），使低频和高频信号均能放大到基本相同的幅值，再输入功放部分。图2.3 AD9851及滤波器电路自动增益控制模块由ADS7841(ADC)将检测峰-峰值得到的直流电平转换为数字信号输入单片机， TLV5816（DAC）将单片机输出的数字信号转换为直流电平，自动控制AD603的增益。ADS7
10、841与AD603 电路如图2.4和图2.5：图2.4 ADS7841 电路图2.5 可控增益放大器AD603电路振幅调制模块振幅调制部分主要采用模拟乘法器集成芯片AD835 ，AD835是ADI公司推出的宽带、高速、电压输出四象限模拟乘法器，最高工作频率250MHz, 线形性好，调幅对称性好，且为电压输出，外围电路非常简单，可靠性高，由制作结果可看出其调制特性良好，通过数控电位器程控调节输入到AD835第8脚的调制信号的幅值，即可改变调制度，实现10步进，电路如图2.6所示 ：图2.6 AD835振幅调制电路功率放大模块功率放大部分我们选择集成宽带高性能运放AD811。AD811为电流反馈型
11、宽带运放，其单位增益带宽很宽，15V供电，增益为+10的情况下，-3 dB带宽达100MHz,非常适合本系统的宽带放大要求，且输出电流可达100mA，完全可满足题目峰峰值要求，外围电路也很简单，避免了采用三极管放大电路容易出现调试困难的情况，可靠性大大提高。电路见图2.7，实际制作中应注意电路中各电阻电容应紧密靠近AD811的相应引脚，去耦电容必不可少，各电阻电容也最好选用贴片封装的，且焊接线应尽可能短，避免分布电容电感而引起高频自激。图2.7 功率放大电路 ASK，PSK信号产生模块由MAX900 将100kHz正弦载波转换为方波后，经74LS90分频，得到单片机发送二进制调制码序列的同步时
12、钟，以减小ASK，PSK的相位噪声。一路载波供模拟开关作ASK信号及同相PSK信号，另一路载波经运放反向后供模拟开关作反相PSK信号。模拟开关控制端接至调制序列输入，即可实现ASK，PSK。2、软件设计SPCE061A主单片机完成对AD9851的控制和人机交互控制。40位数据分五次发送，系统以键盘为控制信息输入，SPCE061A获取键盘信号后，处理区别不同的状态，按照程序流程图，对系统进行控制，以达到题目要求。修改AD9851的频率控制字有并行和串行两种方式，由于系统由软件调频，要求频率变化的控制迅速，故采用并行方式控制AD9851, 提高速度，实现较好的调频效果。其主程序流程图如图2.8。图
13、2.8 主单片机主程序流程图SPCE061A从单片机主要进行自动增益控制，其主程序流程和中断服务程序流程分别如图2.9和图2.10所示。图2.9 从单片机主程序流程图图2.10 从单片机中断（IRQ3）服务程序流程图三、测试说明1、 调试与测试所用仪器(1) FLUKE 17B Digital Multimeter数字万用表 (2) TDS1002数字示波器 (3) YB1620P函数信号发射器/计数器 2、 测试方法(1) 模块测试 将系统的各模块分开测试，调通后再进行整机调试，提高调试效率。(2) 系统整体测试将硬件模块和相应的软件的进行系统整机测试。依据设计要求，分别对输出波形、输出电压
14、峰峰值、输出频率和功率放大器输出测试。测试输出电压的峰峰值时，对放大电路和AGC电路参数的适当调整，使输出频率在100Hz12MHz之间变化时能够满足Vpp6V1V。3、 测试数据(1) 基本要求测试A 正弦波频率范围测试 接50负载，对输出电压测试，测试数据如表3.1：表3.1 输出电压测试数据 设置频率 (Hz) 实测频率 (Hz) Vpp(V) 100 100.3 6.48 1k 999.98 6.12 10k 100001 6.12 100k 100K 6.2 1M 1.0002M 6.68 10M 10.0003M 5.3 13M 13.0005M 5.2 B 频率稳定度测试 负载为
15、 50 ，采用频率计对输出正弦波进行计数，测试数据如表 3.2 ： 表3.2 输出正弦波测试数据 设置频率 (Hz) 第一次计数数值 第二次计数数值 第三次计数数值 10 10 10.2 10.1 100 100.1 100.1 100.0 1k 1.0001k 999.98 999.98 10k 10.0000k 10.0001k 10.0001k 100k 100 0000k 100.0000k 100.0001k 1M 1.0001M 1.0001M 1.0001M 5M 5.00005M 5.00004M 5.00004M 10M 10.00002M 10.00002M 10.0000
16、1M (2) 发挥部分测试 采用调制度测量仪对输出信号进行调制度测试，测试结果见表 3.3 。 表3.3 调制度测试结果数据 调制信号频率 (Hz) 载波频率 (Hz) 设置调制度 ma(%) 实测调制度 ma (%) 误差 (%) 1K 2M 10 9.7 3 100 98 2 5M 10 9.8 2 100 99 1 10M 10 9.8 2 100 100 0 4、测试结果分析系统测试指标均达到要求，部分指标超过题目要求： 正弦波输出频率： 100Hz 12MHz ； 输出信号频率稳定度：优于 1 0 -4 , 达到 10 -5 ； 自行产生 1kHz 正弦调制信号；产生 AM 信号在
17、1MHz 10MHz 内，调制度 ma 可在 10% 100% 程控，步进量 10% ； 产生 FM 信号在 100kHz 10MHz 内，最大频偏可 5kHz/10kHz/20kHz 程控； 存在误差为人为误差、硬件误差、测量仪器误差、杂散引入误差。减小误差可从改变电路，提高仪器精度，减弱外界干扰和多次测量取平均值等方面改善。 结论 本设计采用 SPCE 061A 单片机作为主控制器，采用 DDFS 方式直接产生宽带线性调频信号、调幅信号、 ASK 、 PSK ，经过测试，该方案在各方面均获得了较高的指标，证实了该方案的可行性和前瞻性，同时也证实了 SPCE 061A 的在控制方面的优越性，和 AD9851 在相位噪声、杂散抑制度、谐波抑制度方面的良好表现。基本完成了题目的基本部分和发挥部分，部分指标甚至超过了设计要求。但是，系统也存在有待改进之处，如通过提高系统中滤波器的阶数来改善输出信号的失真度，及减少干扰信号的引入。
