电子设计大赛A题正弦信号发生器Word下载.docx

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摘要

这个正弦信号发生器利用最新的频率合成技术，实现了1KHz~30MHz的正弦波输出，频率步进可达到1Hz，可输出调制度可调的AM信号，5KHz、10KHz最大频偏的FM信号，100KHz固定频率载波、码速10kbps的PSK，ASK信号。

采用了超宽带、超低噪声的高速运放，提高了输出电压的幅度。

整个系统以ADuC841为控制中心，有很高的精确度和稳定度。

双CPU结构，大大增强了信息的处理能力；

行列式键盘输入，大屏幕LCD输出，操作简便，人机界面友好。

Abstract

Thissinewavegenerator,basedontheDDSnewtechnique,cangenerateasinewavewithafrequencyrangingfrom1KHzto30MHz，whichhasafrequencystepof1Hz！

ThesystemcanalsooutputanAMsignalwithanadjustablemodulationindex,anFMsignalwithafrequencydeviationof5kHzor10kHz,controlledbythekeyboardinput.MeanwhileithasafunctionofoutputtingPSKorASKsignals,withacoderateof10kpsand100KHzcarrier.Applyingthelownoise,highspeed,widepassbandOpAmp,increasestheoutputvoltageamplitude.ThewholesystemhasanADuC841asitscontrollercenter,whichprovidesahighprecisionandstabilization.TwoCPUsenhancetheabilityofprocessing.MatrixkeyboardandlargescreenLCDdisplayprovideafriendlyinterface,whichmakestheoperatingmoreeasy.

一、方案设计与论证

1.1方案比较

本题目的要求是设计一个正弦信号发生器，并且能够输出模拟幅度调制（AM）信号，模拟频率调制（FM）信号，二进制PSK、ASK信号。

综合各方面考虑，可以把这个系统分为几个子模块：

信号源部分、控制处理部分、AM，FM，PSK，ASK信号的产生部分，输入输出用户接口和末级放大部分。

本系统采用模块化制作，对各模块分析如下：

（1）信号源部分

信号源是这个系统的核心，它的成功与否，将直接影响到整个系统的性能。

方案一：

利用RC、LC网络产生振荡信号

利用成熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的参数，来改变正弦振荡的频率。

这种电路的特点是频率稳定性较好，并且很容易起振，电路简单。

但是如果要实现题目中要求的1KHz至10MHz那么宽的频率范围，很难做到，或者实现起来系统体积太大，功耗很高，容易产生杂波，不易精确调节振荡频率。

因此该方案在设计之中不予考虑。

方案二：

利用压控振荡器VCO产生振荡信号

压控振荡器（又称为VCO或V/F转换电路）产生的波形的振荡频率与它的控制电压成正比，因此，调节可变电阻或可变电容可以调节波形发生电路的振荡频率。

利用集成运放可以构成具有一定精度、线性较好的压控振荡器。

并且，可以用数字电位器实现对电压的程控。

但是，开环VCO的频率稳定度和频率精度较低，题目中的频率范围对于压控振荡器来说太宽，很难实现，加之压控振荡器产生的信号频率稳定度也达不到题目的设计要求。

方案三：

利用锁相环进（PLL）行间接频率合成

这个方案是在方案二的基础上，用锁相环将VCO输出的频率锁定在所需的频率上。

PLL使输出频率的稳定度和精度,接近参考振荡源（通常用晶振），如图1所示。

如果只用一个锁相环，频率肯定覆盖不了1KHz-10MHz的变化范围。

因此可以考虑用多个PLL进行分段锁定。

缺点是硬件复杂，增加了调试难度。

因此也不采用这种方案。

方案四：

直接数字合成法（DDS）

DDS或DDFS是DirectDigitalFrequencySynthesis的简称，通常将此视为第三代频率合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理,从”相位”的概念出发进行频率合成。

这种方法不仅可以产生不同频率的正弦波,而且可以控制波形的初始相位，还可以用DDS方法产生任意波形（AWG）。

利用专用的DDS芯片产生的信号频率准确，频率分辨率高，易于控制。

而且，电路相对简单易行。

综上所述，我们采用了最后一种方案作为信号源。

（2）控制部分

采取FPGA或者CPLD控制

近年来，可编程器件发展很快，在很多方面都得到了广泛的应用。

采用大规模的可编程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案，它具有体积小、改动灵活的特点。

用它们作为系统的“神经中枢”，可以采用VHDL或者Verilog语言来描述。

但是一般来说，复杂可编程逻辑器件CPLD（ComplexProgrammableLogicDevice）集成的门数目不会很多。

现场可编程门阵列FPGA（FieldProgrammableGateArray）是新一代的可编程器件，但是需要外部的配置芯片，否则断电后，保存在RAM中的程序会丢失。

这个方案特别适用于大型、高速、复杂系统的控制，但是本系统中，考虑到成本和制作难易程度，没有采用这个方案。

采取MCS51单片机作为控制中心

MCS51系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。

可以用汇编或者C语言进行开发。

并且这种单片机的接口电路丰富。

缺点是运行速度不够快，12个时钟周期一条指令，如果用12MHz的晶振，执行一条指令最快也要1us。

因此不适合高速的控制。

采取ADuC841芯片作为主控

ADuC841是美国模拟器件公司（ADI）生产的内嵌MCU的高性能、多通道12位数据采集系统芯片，它具有体积小、功耗低等诸多特点。

它具有与8051兼容的内核，12个中断源、2个优先级、双数据指针、扩展的11位堆栈指针。

每条指令一个时钟周期，最大的工作时钟为25MHz（5V时）及16MHz（3V时）。

用该芯片来控制DDS，可以完美地实现系统的指标性能要求。

同时考虑到，输入输出的接口需要较多的I/O口，而且这部分对单片机的速度要求不高，所以在此系统中，采取了双CPU结构，即利用ADuC841作为主控，用AT89S52作为输入输出的控制，两个CPU通过串口进行通信。

（3）AM、FM、PSK、ASK信号产生部分

a.调幅（AM）信号的产生

调幅的方法有很多，使用的场合不同，产生调幅信号的方法也有很大的不同。

实现调幅的方法大致分为低电平调幅和高电平调幅。

其中低电平调幅又有平方律调幅，斩波调幅，而高电平调幅又分集电极（阳极）调幅和基极（控制栅极）调幅。

平方律调幅是载波和调制信号通过非线性器件之后，产生丰富的频率分量，其中含有所需的调幅波边频，这些信号通过一个带通滤波器之后，把不需要的频率分量滤掉得到调幅波。

斩波调幅就是将调制信号经过一个受载波控制的开关电路，再通过中心频率为载波频率的带通滤波器，得到调幅波。

这种电路原理简单，但实现起来有一的难度，因为对器件的要求很高，易引入干扰。

调试困难。

用模拟乘法器实现调幅也是常用的方法。

集成模拟乘法器构成的调制器线性失真小，包络波形好，比用分立元件所构成的调制器稳定，而且实现起来也很方便，很容易控制，并且很稳定。

所以本系统采用这种方法。

b.调频（FM）信号的产生

产生调频信号的也有方法很多，归纳起来主要有两类：

一是用调制信号直接控制载波的瞬时频率——直接调频；

二是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波，即由调相变调频——间接调频。

常用的调频方法是变容二极管调频，实现起来也不困难，但是要进一步提高灵敏度和精度，减少失真，实现数控，也不易于做到。

因为系统的正弦波发生器是基于DDS芯片的，所以可以充分利用硬件资源，根据调制信号和载波信号，用程序控制DDS芯片直接输出调频信号，这样做的好处是电路简单，频偏的改变只需要改变置入的频偏参数即可。

经过我们在实验中的测试，发现这种方法的效果良好。

c.二进制PSK、ASK信号的产生

在幅度键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的。

ASK（幅度键控）信号的产生，可以把二进制序列看作一个开关信号的序列，用这个开关信号对载波进行调制，就得到了ASK信号。

二进制相移键控（PSK）中，载波的相位随信号1或0而改变，通常用相位0和180来分别表示1或0。

相移键控信号的产生和ASK类似，可以由两个初相位不同的ASK信号相加得到。

在这个设计中，因为所采用的DDS芯片自带了FSK、PSK、ASK的功能，所以只需要写程序控制DDS芯片，即可得到所需要的信号。

从而节省了硬件开销，实现起来更加容易，效果也好。

（4）末级放大电路部分

系统的输出要求在频率范围内50负载电阻上正弦信号输出电压的峰峰值为6V，因此一定要在末级加上放大电路。

用晶体管组成放大电路

用分立的晶体管元件构成的放大电路，优点是灵敏度高、能承受的较大的功率、动态范围广等，它们的通频带也较宽。

但是，分立元件组成的电路调试起来很困难，特别是在高频段，而且容易引入噪声和失真。

用运算放大器构成放大电路

一个较好的解决方案是利用集成的运算放大器，但是一般的运放的频带都满足不了本系统1KHz~10MHz这么宽的范围。

因此一定要采用低噪声，宽频带的高速运放。

AD8099和AD8039具有高达1GHz的频带，用来作末级放大，则可达到题目提出的高指标。

（5）输入输出用户接口

可以使用8255、8155扩展I/O口，或者使用键盘数码管接口专用芯片，这种方案成本较高。

因为AT89S52“物美价廉”，功能强大，所以在这个设计中，利用它作用输入输出设备的接口控制，采用了4×

4行列式键盘，大屏幕LCD显示器。

其中，LCD显示器和LED数码管相比，有其无法比拟的优点。

LED数码管无论采用静态或者动态的方式扫描，都要占用很多的CPU硬件和软件资源。

LCD自带有锁存功能，只有当要改变显示内容的时候才需要占用软件资源，“空闲”时处于锁存状态，可以和CPU断开了联系。

1.2总体方案框图

整个系统的框图如图2所示，其中左边虚线方框内所示的输入输出部分以MCUI（AT89S52单片机）为中心，右边虚线方框内所示为信号发生部分，以MCUII（ADuC841）和DDS芯片（AD9958）为中心。

二、原理分析和说明

（1）正弦波的产生

1．DDS的原理

图3

DDS的基本结构框图如图3所示，DDS的工作过程为:

1）将存于数表中的数字波形,经数模转换器D/A,形成模拟量波形.

2）两种方法可以改变输出信号的频率:

a、改变查表寻址的时钟CLOCK的频率,可以改变输出波形的频率.