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1 引言 電路系統設計、測試需要多種信號源，信號源是電路實驗的基本組成模塊。當前電路設計、測試中使用的信號發生器通常由硬件電路模塊組成。這類信號發生器不僅成本高。硬件規模大、功能擴展困難，不能滿足系統設計、測試和復雜實驗需求。為此需要設計硬件規模小、擴展功能豐富、適用性強的信號發生器。AD9857可工作于正交調制、單音、內插DAC等3種模式，集成有DDS、DAC等功能，可實現信號發生的基本硬件功能。因而靈活運用AD9857的3種工作模式，利用其集成的硬件功能，采用較少硬件就可產生多種信號。基于AD9857的信號發生器符合系統硬件規模小、擴展功能豐富、適用性強的要求，滿足系統設計和測試階段信號源多樣的要求，并滿足多種不同層次電路實驗對信號源的需求。這里以AD9857為核心，設計一種基于計算機和基本硬件電路的信號發生器。 2 信號發生器的系統構成 計算機設置信號發生器的工作模式，并根據系統設計需求，利用軟件編程設置產生信號的調制樣式和參數，通過軟件運算生成產生信號的數據，并通過端口將這些數據傳遞給信號發生器的硬件電路，從而產生具體的信號波形。當需要生成新的信號時，調用計算機內的信號數據庫或改變信號發生器的工作模式，利用通用的外部硬件電路完成信號變換。當信號數據庫中不包含所需要生成的信號時，則通過軟件運算產生所需數據，實現發生信號的擴展。信號發生器的構成原理框圖如圖1所示。 語音、圖像、傳真、數據等基帶信號在計算機中經軟件編程，生成相對一致的數據格式，并存儲在計算機，從而構成生成信號的數據庫。當選定生成的信號后，數據在控制信號作用下向計算機端口發送并由外部硬件電路生成模擬信號。該設計的核心是外部硬件電路生成模擬信號模塊部分。 3 AD9857結構與功能描述 AD9857是美國模擬器件公司生產的一款14 bit高性能的數字上變頻器，其內部時鐘速率達200 MHz，具有優異的動態特性，可實現4倍到20倍可編程的參考時鐘倍頻;內部集成一個32 bit正交DDS，實現8 bit的輸出幅度控制;AD9857由3.3 V單電源供電，具有簡單的控制接口，其功能框圖如圖2所示。 圖2中，AD9857由I、Q數據分離、級聯積分梳狀CIC(cascaded integrator comb)濾波、可編程內插、正交調制器、DDS核、輸出濾波、DAC模塊、時鐘控制模塊、定時和控制等部分構成。該器件可工作于正交調制、單音及內插 DAC 3種工作模式，選擇不同的丁作模式其內部相應部分電路發生作用。當AD9857 工作于正交調制模式時，并行數據端口輸入的I、Q數據在其分離模塊中分離為I、Q兩路數據。這兩路數據經反CIC、4倍內插、可編程CIC后，與DDS核送來的正弦、余弦信號正交調制，并由 DAC模塊輸出;當AD9857 工作于單音模式下，DDS核由軟件設定控制字后產生相應頻率的采樣值，并經DAC模塊輸出所需模擬信號。當AD9857 工作于內插DAC模式時，僅有I通道工作。這時，來自并口的14bit數據經濾波和內插處理后，由DAC模塊輸出模擬信號。在設計信號發生器時，可根據所需產生的信號，通過軟件選擇相應的工作模式。 4 利用AD9857設計信號發生器翻 根據圖1信號發生器的原理框圖可知，其外部硬件電路生成模擬信號，這樣，信號發生器是由AD9857與相關的外圍電路共同實現中頻信號，其核心電路如圖3所示。 圖3中，利用CON_DATA端口輸入的數據定義AD9857串口編程控制寄存器組中地址為01H寄存器的狀態，由此決定信號發生器的工作模式。當01H 寄存器設置為00H時，信號發生器工作于正交調制模式;設置為01H時，工作于單音模式;設置為02H時，工作于內插DAC模式。信號發生器工作在正交調制模式，來自DATA_INPUT端口的14 bit并行數據在PDCLK時鐘的同步下，首先在AD9857內進行I、Q通道的數據分離，并經反CIC和內插處理后與DDS核送來的相差為90°的兩路載頻信號正交相乘并相加，所形成的數據經DAC模塊則生成需要的信號。在該工作模式下，由DA-TA INPUT端輸入的數據應事先設置為I、Q數據交替的形式，通常情況下可由計算機預先生成，并存儲在生成信號的數據庫中。 當信號發生器工作在單音模式下，AD9857內部I和Q兩通道不能由并口獲取數據，AD9857的輸出由DDS的余弦部分決定，DDS的輸出頻率則由異步串口設置AD9857的頻率轉換字來設定。 當信號發生器工作在內插DAC模式下，DDS不工作，僅AD9857的I通道工作。這時，經DATA_INPUT端口輸入的數據串中僅I組數據作用，經AD9857的內捅處理后由DAC模塊轉換為模擬輸出信號。 AD9857工作在不同工作模式下，所涉及的控制寄存器組是由CON_DATA端口輸入的數據連接到PS0、PS1兩個引腳共同決定。 5 討論 本設計方法根據所生成信號的要求，由計算機通過CON_DATA端口的控制位設定AD9857串口控制字，靈活選擇相應的工作模式，從而產生所需的單音信號、常用窄帶通信信號，較為復雜和無規律的信號，因而具有較大靈活性。通常情況下，為減少功耗， AD9857工作時應盡可能選擇較低的內部時鐘頻率。在DDS的典型應用時，系統時鐘頻率應是最高輸出頻率的2.5倍。由于AD9857是模擬和數字混合電路器件，因此電路布局應注意模擬電路地線和數字電路地線的設置與連接。一般情況下，模擬電路地線和數字電路地線應盡可能短并設置為一點，這樣可避免引入不必要的噪聲而影響模擬電路部分的工作，降低系統性能。 6 結論 利用基本的硬件設計和軟件編程相結合實現信號發生器設計。該設計充分應用AD9857的功能特點，在軟件編程控制下，硬件電路可產生不同信號。與單片機控制的信號發生器設計相比，該設計主控模塊由計算機構成，界面更友好，具有更大的靈活性和軟件擴展空間，特別是當在網絡環境下進行電路實驗時，可用一臺計算機作為主控機設置、控制多個信號發生器，從而構成一個局部的電磁環境空間，拓展信號發生器的應用范圍。 |
