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摘要：以混合信號(hào)單片機(jī) C8051F020及 DDS芯片 AD9834為核心，采用直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)完成多功能高頻正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。該正弦信號(hào)發(fā)生器可輸出可調(diào)頻穩(wěn)定正弦信號(hào)，頻率最高可達(dá) 15MHz，頻率步進(jìn)為 100Hz、1KHz、10KHz三級(jí)步進(jìn)，在 50歐姆電阻負(fù)載情況下輸出電壓峰峰值在 2.54V至 10.40V之間；同時(shí)可以產(chǎn)生模擬調(diào)幅（ AM）信號(hào)、模擬調(diào)頻（FM）信號(hào)、二進(jìn)制ASK、PSK、FSK信號(hào)。其中：AM信號(hào)的調(diào)制度可以 10%步進(jìn)調(diào)節(jié)，F(xiàn)M信號(hào)最大頻偏可以在 5 KHz/10KHz之間選擇。 1 引言 正弦信號(hào)應(yīng)用極為廣泛，通常作為標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，用于電子學(xué)性能實(shí)驗(yàn)及參數(shù)測(cè)量，故要求正弦波信號(hào)發(fā)生器輸出波形具有較高的精度、穩(wěn)定度及低失真度。產(chǎn)生正弦信號(hào)的方法很多，可以采用函數(shù)發(fā)生器 MAX038或 ICL8038集成芯片外接分立元件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)外接電容或電阻來(lái)設(shè)置輸出信號(hào)頻率。但輸出信號(hào)受外部分立器件參數(shù)影響很大，且輸出信號(hào)頻率不能太高，同時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)。另外，采用 FPGA+D/A可實(shí)現(xiàn)正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)調(diào)節(jié)，但當(dāng)輸出高頻信號(hào)時(shí)，需要高速D/A來(lái)配合工作。 本文采用直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)，采用專用集成芯片 AD9834作為正弦波產(chǎn)生模塊，由 C8051F020作為控制器來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：輸出信號(hào)頻率在 1 KHz 至15 MHz，且無(wú)明顯失真，輸出信號(hào)頻率實(shí)現(xiàn) 100Hz、1KHz、10KHz三級(jí)步進(jìn)調(diào)節(jié)；在 50歐姆電阻負(fù)載情況下，輸出電壓峰峰值在 2.35V至 10.45V之間；同時(shí)可實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)幅信號(hào)（AM）、模擬調(diào)頻信號(hào)（ FM）、二進(jìn)制幅移鍵控信號(hào)（ ASK）、二進(jìn)制頻移鍵控信號(hào)（ FSK）及二進(jìn)制相移鍵控信號(hào)（PSK）的輸出； AM信號(hào)的調(diào)制度以 10%步進(jìn)調(diào)節(jié)； FM信號(hào)最大頻偏為 5KHz/10KHz可選。 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體框圖如圖 1所示。系統(tǒng)選取集成混合信號(hào) C8051F020單片機(jī)作為主控制器，通過(guò)鍵盤與顯示控制芯片 7279來(lái)接收功能選擇、參數(shù)設(shè)置等信息，并將輸出信號(hào)頻率等信息實(shí)時(shí)送往數(shù)碼管顯示。同時(shí)，控制器將讀取的按鍵信息轉(zhuǎn)換成控制命令通過(guò)串行接口送給 AD9834，由 AD9834產(chǎn)生正弦信號(hào)、 ASK、PSK、FSK及 FM信號(hào)。而 AM信號(hào)的產(chǎn)生則由輸出的正弦信號(hào)與 1KHz的帶偏置正弦信號(hào)相乘來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)調(diào)節(jié)直流分量來(lái)調(diào)節(jié) AM信號(hào)調(diào)制度。 2.1 正弦信號(hào)發(fā)生模塊 直接數(shù)字合成（DDS）技術(shù)具有輸出信號(hào)精度高、變頻速度快、輸出信號(hào)連續(xù)、控制方便及性價(jià)比高等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而適用于高頻、高精度正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)。本系統(tǒng)選取AD9834，其工作原理示意圖如圖 2所示。它由頻率字寄存器、相位字寄存器、相位累加器、加法器、正弦 ROM表及DAC組成。在控制時(shí)鐘信號(hào)作用下，累加器將與輸出信號(hào)頻率對(duì)應(yīng)的頻率字進(jìn)行累加，然后與相位字相加以形成最終相位信息。正弦 ROM表則將相位信息轉(zhuǎn)化為幅值信息，然后由 DAC生成正弦信號(hào) 。 輸出信號(hào)頻率精度主要由基準(zhǔn)頻率精度決定。為增大 AD9834輸出信號(hào)幅值，采用高頻運(yùn)放 AD811進(jìn)行信號(hào)放大。但考慮到輸出信號(hào)幅值隨頻率增大而減小的不足，系統(tǒng)采用數(shù)控電位計(jì) X9C102來(lái)實(shí)現(xiàn)可變?cè)鲆娣糯�，即依�?jù)輸出信號(hào)頻率的不同來(lái)改變數(shù)控電位計(jì)的值，以改變?cè)鲆鎇8]�？勺�?cè)鲆?a href="http://m.qingdxww.cn/keyword/放大器" target="_blank" class="relatedlink">放大器原理示意圖如圖 3所示。 圖中：R1為數(shù)控電位計(jì) X9C102的等效電阻值。 2.2 PSK、FSK、ASK信號(hào)的產(chǎn)生 AD9834有兩個(gè)相位字寄存器 PHASE0、PHASE1，可通過(guò)片外引腳 PSELECT或片內(nèi)控制寄存器相關(guān)位來(lái)選擇 PHASE0或 PHASE1中的值作為輸出信號(hào)的初始相位字。據(jù)此，向 PHASE0和 PHASE1分別寫入 0和 π所對(duì)應(yīng)的數(shù)值（ 000H和 800H），由控制器 C8051F020產(chǎn)生 10kbps的二進(jìn)制基帶序列接到端口 PSELECT上，輸出端便可得到二進(jìn)制 PSK信號(hào)。 同樣，AD9834有兩個(gè)頻率字寄存器 FREQ0、FREQ1，可通過(guò)片外引腳 FSELECT或片內(nèi)控制寄存器相關(guān)位來(lái)選擇 FREQ0、FREQ1中的值作為輸出信號(hào)的頻率字。向 FREQ0和 FREQ1分別寫入兩不同頻率所對(duì)應(yīng)的數(shù)值，并由控制器 C8051F020產(chǎn)生 10kbps的二進(jìn)制基帶序列接到端口 FSELECT上，輸出端便可得到二進(jìn)制 FSK信號(hào)。 而 ASK信號(hào)的生成方法與 FSK的生成方法類似，唯一不同的是：須將一個(gè)頻率字寄存器中寫入 0Hz所對(duì)應(yīng)的數(shù)值。 2.3 模擬調(diào)頻（ FM）信號(hào)、模擬調(diào)幅（ AM）信號(hào)的產(chǎn)生 本模塊用一個(gè)按鍵實(shí)現(xiàn)最大偏頻為 5KHz/10KHz二級(jí)程控的選擇。用 8038產(chǎn)生一個(gè)頻率為 1kHz、峰峰值為 2V的正弦波作為調(diào)制信號(hào)，依據(jù)按鍵信息判斷是 5K偏頻還是 10K偏頻，然后單片機(jī) F020的 A/D采集調(diào)制信號(hào)，利用公式 2把頻率轉(zhuǎn)換成數(shù)字量寫入 AD9834的頻率字寄存器中，從而實(shí)現(xiàn)模擬調(diào)頻。 將 8038產(chǎn)生的頻率為 1kHz的正弦信號(hào)作為調(diào)制信號(hào)，而控制器 C8051F020的 D/A模塊產(chǎn)生直流信號(hào)，兩信號(hào)通過(guò)加法電路形成有偏置的正弦調(diào)制信號(hào)。此信號(hào)與 AD9834產(chǎn)生的正弦信號(hào)（載波）經(jīng)乘法器 AD534產(chǎn)生模擬調(diào)幅波。通過(guò)調(diào)節(jié)直流信號(hào)大小可以改變模擬調(diào)幅信號(hào)的調(diào)制度。 2.4 按鍵與顯示模塊 該模塊選用鍵盤顯示管理芯片 7279來(lái)實(shí)現(xiàn)。7279可以自動(dòng)掃描按鍵陣列，并將按鍵信息存儲(chǔ)�？刂破骺梢酝ㄟ^(guò)串行接口讀取按鍵信息，并可將要顯示的信息送入 7279，由 7279自動(dòng)完成數(shù)碼管的掃描顯示。這種設(shè)計(jì)既簡(jiǎn)化硬件連接，又便于軟件處理。 2.5 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的總體思想是：控制器讀取鍵盤信息，如果是功能鍵按下，則根據(jù)功能選擇執(zhí)行相應(yīng)的功能程序段；如果是調(diào)節(jié)鍵按下，則暫停信號(hào)輸出，直至參數(shù)設(shè)置完畢后，再根據(jù)功能選擇項(xiàng)輸出相應(yīng)信號(hào)。 3 測(cè)試結(jié)果對(duì)本系統(tǒng)最終結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，結(jié)果如表 1所示： 4 結(jié)論 本文采用高性能混合信號(hào) C8051F020單片機(jī)和 DDS芯片 AD9834實(shí)現(xiàn)高頻正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)，克服了傳統(tǒng)方法中輸出信號(hào)受外界元件參數(shù)影響的缺點(diǎn)，同時(shí) AD9834內(nèi)部集成有高速 A/D，可直接輸出正弦信號(hào)，避免外接 A/D，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性；基于 AD9834頻率字及相位字可選的特點(diǎn)，外接部分電路即可產(chǎn)生 AM、FM、ASK、 PSK、FSK等調(diào)制信號(hào)；AD9834輸出正弦信號(hào)精度高、穩(wěn)定性好、輸出信號(hào)連續(xù)、控制方便。將基于上述優(yōu)點(diǎn)的信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用于工程實(shí)踐中，可以提高系統(tǒng)性價(jià)比，創(chuàng)造良好的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，基于 DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器將獲得廣泛的應(yīng)用。 本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：利用乘法器將帶偏置的正弦調(diào)制信號(hào)與載波信號(hào)相乘以產(chǎn)生 AM信號(hào)，通過(guò)調(diào)節(jié)直流分量的大小以調(diào)節(jié) AM信號(hào)調(diào)制度；通過(guò) A/D采集調(diào)制信號(hào)，依據(jù)調(diào)制信號(hào)幅值信息來(lái)改變輸出信號(hào)頻率，從而實(shí)現(xiàn) FM信號(hào)的產(chǎn)生。 |
