正弦信號發(fā)生器設(shè)計與總結(jié)報告

1、正弦信號發(fā)生器設(shè)計與總結(jié)報告摘 要本系統(tǒng)以DDS集成芯片為核心，利用單片機(jī)控制DDS集成芯片，輔以必要的模擬電路，構(gòu)成了一個基于DDFS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器。其主要模塊有DDS集成芯片模塊、外圍輔助電路模塊和電源模塊。其中，單片機(jī)用來改變DDFS系統(tǒng)的工作方式控制字和頻率控制字，來實現(xiàn)工作方式控制和頻率控制；外圍輔助電路模塊采用七階橢圓濾波器和兩級AD811對波形進(jìn)行濾波和放大，并且利用MC1496實現(xiàn)模擬AM調(diào)制，實現(xiàn)了產(chǎn)生從1MHz10MHz范圍內(nèi)調(diào)制度ma可調(diào)的AM信號。電源模塊采用三路獨(dú)立可調(diào)穩(wěn)壓電路 為各模塊的芯片提供穩(wěn)定純凈的電壓。關(guān)鍵詞：DDS，單片機(jī)，MC1496，AD603，

2、AD811ABSTRACTThe system is designed to construct an sine wave generator based on DDFS, with a SCM as the key, complimented by necessary analog circuit. Its main modules are responsible for the DDS CMOS chip control, the control of frequency, the control of work mode, and back-stage treatment. The SC

3、M is used for changing the work mode and frequency of the DDFS system. the work mode control and frequency control of the DDFS system are realized by SCM .back-stage treatment are used to increase the quality of the output wave form and its loading capacity, so that the required ability output wave

4、form is obtained.Key Words: DDS，C51，MC1496，AD603，AD811目 錄摘 要1ABSTRACT1目 錄21設(shè)計任務(wù)與要求31.1 設(shè)計任務(wù)31.2 技術(shù)指標(biāo)31.3 題目評析32方案比較與論證42.1 各種方案比較與選擇42.2 方案證論證63系統(tǒng)硬件設(shè)計103.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計103.2 單元電路的設(shè)計104系統(tǒng)軟件設(shè)計194.1 程序總體流程圖194.2 各個功能模塊流程圖204.3 程序清單255系統(tǒng)調(diào)試265.1單元電路的測試方案265.2 系統(tǒng)的測試方案265.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的問題與解決方法275.4 測試儀器275.5測試結(jié)果與分析286

5、系統(tǒng)性能總結(jié)及特點(diǎn)326.1 基本功能完成情況326.2發(fā)揮部分完成情況326.3改進(jìn)及創(chuàng)新的元素33參考文獻(xiàn)33致 謝34附 錄35附錄1 總電原理圖35附錄2 印制電路板圖36附錄3 程序清單38附錄4 元器件清單581設(shè)計任務(wù)與要求1.1 設(shè)計任務(wù)設(shè)計制作一個正弦信號發(fā)生器。1.2 技術(shù)指標(biāo)1、基本要求（1）正弦波輸出頻率范圍：1kHz10MHz；（2）具有頻率設(shè)置功能，頻率步進(jìn)：100Hz；（3）輸出信號頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4；（4）輸出電壓幅度：在負(fù)載電阻上的電壓峰-峰值Vopp1V；（5）失真度：用示波器觀察時無明顯失真。 2、發(fā)揮部分在完成基本要求任務(wù)的基礎(chǔ)上，增加如下功能：（

6、1）增加輸出電壓幅度：在頻率范圍內(nèi)負(fù)載電阻上正弦信號輸出電壓的峰-峰值Vopp=6V1V；（2）產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制(AM)信號：在1MHz10MHz范圍內(nèi)調(diào)制度ma可在10%100%之間程控調(diào)節(jié)，步進(jìn)量10%，正弦調(diào)制信號頻率為1kHz，調(diào)制信號自行產(chǎn)生；（3）產(chǎn)生模擬頻率調(diào)制(FM)信號：在100kHz10MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生10kHz最大頻偏，且最大頻偏可分為5kHz/10kHz二級程控調(diào)節(jié)，正弦調(diào)制信號頻率為1kHz，調(diào)制信號自行產(chǎn)生；（4）產(chǎn)生二進(jìn)制PSK、ASK信號：在100kHz固定頻率載波進(jìn)行二進(jìn)制鍵控，二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為10kbps，二進(jìn)制基帶序列信號自行產(chǎn)生；（5）其他

7、。1.3 題目評析重點(diǎn)在于產(chǎn)生1kHz10MHz頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4的正弦波，難點(diǎn)在于實現(xiàn)ma程控調(diào)節(jié)的AM，最大頻偏可程控調(diào)節(jié)的FM,以及在頻帶內(nèi)負(fù)載電阻上正弦信號輸出電壓的峰-峰值Vopp=6V1V。為達(dá)到指標(biāo)，該系統(tǒng)必須用到DDFS技術(shù)，高頻濾波，AGC（自動增益控制）技術(shù)，功率放大等。2方案比較與論證 2.1 各種方案比較與選擇方案一：采用鎖相式頻率合成技術(shù)方案的原理框圖如圖2.1所示，主要由 AM調(diào)制PLL合成器單片機(jī)最小系統(tǒng)正弦調(diào)制信號FM調(diào)制 ASK/PSK調(diào)制二進(jìn)制序列 圖 2.1.1 方案一的原理框圖PLL頻率合成器、MCU、AM調(diào)制部分、FM調(diào)制部分、ASK/PSK調(diào)制部

8、分組成。該方案使用單片機(jī)最小系統(tǒng)完成系統(tǒng)的各種設(shè)置和控制；使用鎖相頻率合成技術(shù)能獲得高穩(wěn)定度、高精度的、且頻率可步進(jìn)變化的振蕩源。但由于振蕩頻率受VCO（Voltage-controlled oscillator）可變頻率范圍的影響，高低頻率比不可能做得很高，很難解決頻率范圍寬（1K-10M）、且頻率穩(wěn)定精確這一矛盾，不能很好的滿足設(shè)計要求。方案二：用FPGA來實現(xiàn)只要在FPGA的內(nèi)部建立一個正弦信號的數(shù)據(jù)表，然后再外部時鐘的驅(qū)動下，讀取正弦信號數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)，在送到高速DAV中進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換就可以得到正弦信號實現(xiàn)原理圖如圖2.2 所示圖2.1.2 方案二的原理框圖改變FPGA內(nèi)讀取數(shù)據(jù)的速率，課

9、改變信號的輸出頻率。改變讀取數(shù)據(jù)的方式，則可產(chǎn)生FM,FSK,PSK信號。讀取數(shù)據(jù)之后，再進(jìn)行一定的運(yùn)算則可以產(chǎn)生AM,ASK信號。用FPGA產(chǎn)生的正弦信號頻率和穩(wěn)定度都很高，可以很方便的與計算機(jī)接口連接，控制方便。不過由于FPGA的工作頻率通常不能太高，所以輸出信號的頻率難以做高。方案三：采用直接數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生所需的正弦信號（DDS）采用AD公司的高集成度DDS電路的器件AD9851,它內(nèi)部包含高速、高性能10位D/ A 轉(zhuǎn)換器及高速比較器,可作為全數(shù)字編程控制的頻率合成器來產(chǎn)生所需要的正弦波。AD9851 可以產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可以編程控制且穩(wěn)定性很好頻帶為0 72MHz

10、 的模擬正弦波,這個正弦波能夠直接作為基準(zhǔn)信號源。頻率分辨率高,其創(chuàng)新式高速DDS 碼可接受32 位調(diào)頻字,使得它在180MHz 系統(tǒng)時鐘下輸出頻率的精度可達(dá)0. 04Hz ，完全達(dá)到了題目要求的輸出信號頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4 的要求;相位可調(diào), 可接收來自單片機(jī)的5 位相位控制字，產(chǎn)生二進(jìn)制PSK，作出題目要求的發(fā)揮部分的第四點(diǎn)。另外我們認(rèn)真查閱AD公司的AD9851的DATASHEET還發(fā)現(xiàn)，次芯片可以有使能控制端，可以用程序來控制是否輸出，這樣就可以進(jìn)行ASK，完成題目發(fā)揮部分的第五點(diǎn)。我們采用方案3。圖2.1.3 方案二的原理框圖2.2 方案證論證1.信號發(fā)生器模塊DDS技術(shù)的特點(diǎn)：(

11、1）輸出頻率相對帶寬較寬輸出頻率帶寬為s（理論值）。但考慮到低通濾波器的特性和設(shè)計難度以及對輸出信號雜散的抑制，實際的輸出頻率帶寬仍能達(dá)到s。 (2）頻率轉(zhuǎn)換時間短是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，這種結(jié)構(gòu)使得的頻率轉(zhuǎn)換時間極短。事實上，在的頻率控制字改變之后，需經(jīng)過一個時鐘周期之后按照新的相位增量累加，才能實現(xiàn)頻率的轉(zhuǎn)換。因此，頻率轉(zhuǎn)換的時間等于頻率控制字的傳輸時間，也就是一個時鐘周期的時間。時鐘頻率越高，轉(zhuǎn)換時間越短。的頻率轉(zhuǎn)換時間可達(dá)納秒數(shù)量級，比使用其它的頻率合成方法都要短數(shù)個數(shù)量級。 (3)頻率分辨率極高若時鐘s的頻率不變，的頻率分辨率就由相位累加器的位數(shù)決定。只要增加相位累加器的位數(shù)

12、即可獲得任意小的頻率分辨率。目前，大多數(shù)的分辨率在數(shù)量級，許多小于甚至更小。 (4)相位變化連續(xù)改變輸出頻率，實際上改變的每一個時鐘周期的相位增量，相位函數(shù)的曲線是連續(xù)的，只是在改變頻率的瞬間其頻率發(fā)生了突變，因而保持了信號相位的連續(xù)性。 (5)輸出波形的靈活性只要在內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制、調(diào)相控制和調(diào)幅控制，即可以方便靈活地實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生、和等信號。另外，只要在的波形存儲器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)各種波形輸出，如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當(dāng)?shù)牟ㄐ未鎯ζ鞣謩e存放正弦和余弦函數(shù)表時，既可得到正交的兩路輸出。 (6)其他優(yōu)點(diǎn)由于中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易

13、于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當(dāng)靈活，因此性價比極高。我們原本是計劃自行設(shè)計一個DDS信號發(fā)生器的，但是考慮到題目要求高，并且要達(dá)到的要求有比較大的難度，特別是后面發(fā)揮部分的要求，為了能在規(guī)定時間里面盡量完成題目的要求，我們選擇了使用專用的DDS芯片AD9851來作為我們設(shè)計的核心。DDS 模塊單片機(jī)最小系統(tǒng)正弦波輸出FM輸出ASK輸出PSK輸出AM輸出幅度調(diào)制圖2.2.1 單片機(jī)控制DDS模塊2.低通濾波模塊AD9851輸出正弦信號后，由于是數(shù)字合成的方法來產(chǎn)生的，所以會存在數(shù)字時鐘的干擾，所以后面采用一個7階橢圓濾波器濾波，采用電感和電容濾波，對于較高的頻率，

14、大都采用這種方案。濾波后就是一個高精度的正弦信號。這個7階橢圓濾波器濾波的電路圖如圖2.2.1所示：圖2.2.2 7階橢圓濾波器濾波器由于整個頻率要求1KHZ-10MHz，范圍很大，因此為了達(dá)到理想的濾波效果，綜合考慮采用多級量程濾波為了更好的起到濾波效果，用電位器取代電阻，可以對不同的頻率進(jìn)行微調(diào)，使濾波效果更加完美。3.AM模塊AM調(diào)制部分采用MC1496乘法器進(jìn)行模調(diào)制，將1KHz正弦波的調(diào)制信號與DDS出來的高頻載波信號進(jìn)行相乘，達(dá)到模擬調(diào)制；程控ma可由單片機(jī)控制程控電位器來改變調(diào)制信號的幅度實現(xiàn)。圖2.2.3 4.峰值放大模塊要使在頻率范圍內(nèi)負(fù)載電阻上正弦信號輸出電壓的峰-峰值Vo

15、pp=6V1V。一是要解決電壓幅度隨頻率的增加而減小的問題。在10MHz時的電壓幅度比在1kHz時的幅度衰減很多，對于在頻帶1kHz10MHz內(nèi)使電壓幅度穩(wěn)定在5V7V，必須做到穩(wěn)幅。采用基于AD603芯片構(gòu)成的AGC電路來進(jìn)行穩(wěn)幅，它能夠在輸入信號幅度變化很大的情況下，使輸出信號幅度保持恒定或僅在較小范圍內(nèi)變化。使用程控增益寬帶放大器AD603，次芯片內(nèi)部由R-2R 梯形電阻網(wǎng)絡(luò)和固定增益放大器構(gòu)成，加在其梯型網(wǎng)絡(luò)輸入端的信號經(jīng)衰減后，由固定增益放大器輸出，衰減量是由加在增益控制接口的參考電壓決定；而這個參考電壓可通過單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算并控制D/A芯片或者數(shù)字電位器輸出控制電壓得來，從而實現(xiàn)較精

16、確的數(shù)控。此外AD603能提供由直流到30MHz以上的工作帶寬，用這個方法我們可以通過幅頻補(bǔ)償?shù)姆椒▉磉M(jìn)行穩(wěn)幅，來達(dá)到在1khz到10M范圍內(nèi)輸出幅度在500mV左右波動。DDS信號AGC穩(wěn)幅模 塊（AD603）功率放大模塊(AD811)1kHz10MHz500mVVopp 6V1V 負(fù)載電阻圖2.3.4 峰值放大模塊原理圖二是要解決放大及帶負(fù)載的問題。DDS芯片產(chǎn)生信號幅度約為500mV，輸出電壓峰峰值為，則調(diào)理電路需對信號放大1014倍。若單運(yùn)放放大，須增益帶寬積GBW滿足： 輸出端 負(fù)載電阻上正弦信號輸出電壓峰峰值。則輸出功率，輸出電流有效值若設(shè)計單運(yùn)放電路，很難滿足上述技術(shù)要求。我們采

17、用兩級放大電路，芯片采用A/D公司出品的寬帶視頻芯片AD811，兩級放大增益通過精密滑動變阻器可調(diào)。AD811指標(biāo)為：增益帶寬積；最大輸出電流有效值；供電，輸出最大電壓。滿足所需要求。圖2.2.5 AD811 GBW-VOPP圖 3系統(tǒng)硬件設(shè)計 3.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計根據(jù)題目要求，我們經(jīng)過認(rèn)真分析，并且考慮各種考慮因素，我們制定出了總體的方案。如圖1所示，基本部分的正弦信號的產(chǎn)生我們采用AD9851芯片作為核心，采用單片機(jī)89S52作為主控制，采用44的鍵盤和液晶顯示器作為人機(jī)交換的硬件，實現(xiàn)頻率的步進(jìn)可調(diào)，還有任意頻率的輸入，采用mc1496和可控數(shù)字電位器來進(jìn)行發(fā)揮部分的模擬幅度調(diào)制(AM

18、)信號的產(chǎn)生，用編程的方法用單片機(jī)來控制AD9851來進(jìn)行發(fā)揮部分的二進(jìn)制的ASK和PSK。其總的系統(tǒng)方框圖如圖3.1.1所示：圖3.1.1 總體系統(tǒng)方框圖3.2 單元電路的設(shè)計1.高精度正弦波信號產(chǎn)生模塊 () 基本原理的基本原理是利用采樣定理，通過查表法產(chǎn)生波形。的結(jié)構(gòu)有很多種，其基本的電路原理可用圖3.2.1來表示。 圖3.2.1 的基本原理圖相位累加器由位加法器與位累加寄存器級聯(lián)構(gòu)成。每來一個時鐘脈沖，加法器將頻率控制字與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。累加寄存器將加法器在上一個時鐘脈沖作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器

19、在下一個時鐘脈沖的作用下繼續(xù)與頻率控制字相加。這樣，相位累加器在時鐘作用下，不斷對頻率控制字進(jìn)行線性相位累加。由此可以看出，相位累加器在每一個時鐘脈沖輸入時，把頻率控制字累加一次，相位累加器輸出的數(shù)據(jù)就是合成信號的相位，相位累加器的溢出頻率就是輸出的信號頻率。 用相位累加器輸出的數(shù)據(jù)作為波形存儲器（）的相位取樣地址，這樣就可把存儲在波形存儲器內(nèi)的波形抽樣值（二進(jìn)制編碼）經(jīng)查找表查出，完成相位到幅值轉(zhuǎn)換。波形存儲器的輸出送到轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號。低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。 在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、高分辨

20、力、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的水平，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于模擬信號源的性能。（2）AD9851 的結(jié)構(gòu)圖它主要包括相位寄存器、相位全加器、D/ A 轉(zhuǎn)換器,相位寄存器和相位全加器構(gòu)成相位累加器。AD9851 內(nèi)部的控制字寄存器首先寄存來自外部的頻率、相位控制字,相位累加器接收來自控制字寄存器的數(shù)據(jù)后決定最終輸出信號頻率和相位的范圍和精度,經(jīng)過內(nèi)部D/ A 轉(zhuǎn)換器后,所得到的就是最終的數(shù)字合成信號。如果相位累加器的位數(shù)為N ,相位控制字的值為FN ,頻率控制字的位數(shù)為M ,頻率控制字的值為FM ,系統(tǒng)外部參考時鐘頻率為8MHz ,6 倍參考時

21、鐘倍乘器使能,那么經(jīng)過內(nèi)部6 倍參考時鐘倍乘器后,可得到AD9851 內(nèi)部工作時鐘FC 為48MHz ,此時最終合成信號的頻率可由公式(1) 來決定,合成信號的相位由公式(2) 來決定。F = FM FC/ 2 N (1) = 2FN / 2 M (2)圖3.2.2 AD9851 結(jié)構(gòu)框圖（3） AD9851的控制方式AD9851的控制方式內(nèi)部有5 個輸入寄存器,儲存來自外部數(shù)據(jù)總線的32 位頻率控制字,5 位相位控制字,一位6 倍參考時鐘倍乘器使能控制,一位電源休眠功能(powerdown) 控制和一位邏輯0 。寄存器接收數(shù)據(jù)的方式有并行和串行兩種方式。圖3.2.3并行方式工作時序圖并行方式

22、如圖5所示,是通過8 位數(shù)據(jù)總線D0D7 來完成全部40 位控制數(shù)據(jù)的輸入。復(fù)位信號RESET 有效會使輸入數(shù)據(jù)地址指針指向第一個輸入寄存器,W- CL K上升沿寫入第一組8 位數(shù)據(jù),并把指針指向下一個輸入寄存器,連續(xù)5 個W- CL K上升沿后,即完成全部40 位控制數(shù)據(jù)的輸入,此后W- CL K信號的邊沿?zé)o效。當(dāng)FQ - UD 上升沿到來之際40 位數(shù)據(jù)會從輸入寄存器被寫入頻率和相位控制寄存器,更新DDS 的輸出頻率和相位,同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器,等待著下一組新數(shù)據(jù)的寫入。串行方式如圖6所示,W- CL K 上升沿把引腳D7 上的數(shù)據(jù)按位串行移入到輸入寄存器,40 位輸入結(jié)束

23、后,任何W- CL K上升沿到來都會造成數(shù)據(jù)順序移出并導(dǎo)致原來數(shù)據(jù)無效,此時FQ - UD 端的上升脈沖就可以使40 位數(shù)據(jù)更新芯片的輸出頻率和相位。圖3.2.4串行工作方式時序圖 我們使用單片機(jī)89S52來作為系統(tǒng)的主控制器，采用并行模式跟AD9851的連接圖如圖7所示圖3.2.5 AD9851與單片機(jī)的連接框圖圖7中,AT89S52 的引腳P2. 0P2. 7 作為AD9851的并行數(shù)據(jù)輸入端口。P3.5 、P3.6 、P3.7 作為I/ O 口輸出數(shù)據(jù)對AD9851 的RESET、W2CL K、FQ2UD進(jìn)行控制。2 AM模塊（1）AM的原理及實現(xiàn)任意的AM已調(diào)信號可以表示為Sam(t)

24、=c(t)m(t)，當(dāng)m(t)=A0+f(t);c(t)=cos(ct+0)，且A0不等于0時，稱為常規(guī)調(diào)幅，其時域表達(dá)式為：Sam(t)= c(t)m(t)= A0 +f(t) cos(ct+0) 圖3.2.6 常規(guī)AM調(diào)制系統(tǒng)框圖其中A0是外加的直流分量，f(t)是調(diào)制信號，它可以是確知信號，也可以是隨機(jī)信號。c=2fC為載波信號的角頻率，0為載波信號的起始相位，為簡便起見，通常設(shè)為0。常規(guī)AM通?？梢杂脠D3.2.7的系統(tǒng)來實現(xiàn)。 圖3.2.7 AM調(diào)制示意圖利用mc1496模擬乘法器實現(xiàn)載波信號和調(diào)制信號的調(diào)制，其中1M-10MHz的載波信號從uc端輸入，1khz的調(diào)制信號從us端輸入，

25、通過調(diào)節(jié)調(diào)制信號的幅度可以實現(xiàn)調(diào)幅輸出的調(diào)制度ma從10%到90%連續(xù)變化。圖3.2.8 MC1496電路圖（2）程控調(diào)制信號的產(chǎn)生為實現(xiàn)在1MHz10MHz范圍內(nèi)調(diào)制度ma可在10%100%之間程控調(diào)節(jié)，步進(jìn)量10%，產(chǎn)生正弦調(diào)制信號頻率為1kHz?？梢赃\(yùn)用初賽的ICL8038正弦波發(fā)生器，加上OP27運(yùn)放進(jìn)行幅度調(diào)節(jié)。圖3.2.9 ICL8038電路圖 當(dāng)RA=RB=R時,頻率f為：f=0.33RC圖3.2.10 OP27運(yùn)放電路圖采用反向運(yùn)算放大器的電路接法，運(yùn)算放大倍數(shù)為：AU=R0Rf則輸出電壓為：U0=AUUi=R0RfUi從而實現(xiàn)正弦波幅度可調(diào)。將圖中的電位器換成程控電位器X95

26、11，用單片機(jī)控制阻值的大小從而實現(xiàn)程控調(diào)幅。3 峰值放大模塊的原理及設(shè)計從DDS輸出的正弦波幅值只有500mV左右，且低頻和高頻時幅值有較大差異，若直接送入后面的功率放大電路，則無法滿足負(fù)載上峰-峰值Vopp=6V1V，故在功率放大前接一級自動增益控制電路（AGC）,是低頻和高頻信號均能放大到基本相同的幅值在輸入功放部分。圖3.2.11 （1）自動增益控制模塊由ADS7841（ADS）和TLV5816(DAC)分別將檢峰-峰值得到的直流電平，控制AD603的增益。ADS7841和AD603的電路圖如圖所示圖3.2.12 ADS7841電路圖圖3.2.13 AD603電路圖（2）功率放大模塊考

27、慮到題目發(fā)揮部分（1）負(fù)載電阻為，輸出峰峰值為，可知輸出電流有效值應(yīng)達(dá)到84mA左右。AD公司生產(chǎn)的視頻芯片AD811增益帶寬積大于120MHz，最大輸出電流為150mA，可以輕松對1K10MHz信號進(jìn)行放大，輸出性能全面滿足題目要求。電路采用兩級放大，前級可對信號放大10倍，由精密電阻實現(xiàn)放大倍數(shù)調(diào)節(jié)；后級對信號調(diào)理輸出，在輸出端通過5uF、0.01 uF電容并聯(lián)進(jìn)行隔直流，起到了保護(hù)電路的作用。圖3.2.14 AD811電路圖4 電源模塊以lm317和lm337作為穩(wěn)壓芯片構(gòu)成正負(fù)電源穩(wěn)壓電路；使用三路相互獨(dú)立的電源穩(wěn)壓電路，三個電路共用一個共同的變壓器，連接各自的整流橋，減少相互間的干擾

28、。圖3.2.15 電源電路圖4系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1 程序總體流程圖 本作品中，單片機(jī)通過編程對AD9850、程控電位器x9511、鍵盤和LCD1602進(jìn)行控制。通過控制AD9850產(chǎn)生不同頻率和相位的正弦波；x9511輸出不同阻值控制放大電路放大倍數(shù)，實現(xiàn)調(diào)制正弦波的幅度程控；鍵盤用于功能切換和數(shù)據(jù)輸入；LCD1602用于顯示。4.2 各個功能模塊流程圖1、正弦波輸出可以通過按鍵設(shè)置1020MHz之間任意頻率的正弦波輸出。并設(shè)有確認(rèn)鍵，鍵盤操作方便。2、幅度調(diào)制3、頻率調(diào)制產(chǎn)生調(diào)頻信號的也有方法很多，歸納起來主要有兩類：一是用調(diào)制信號直接控制載波的瞬時頻率直接調(diào)頻；二是先將調(diào)制信號積分，然后對載

29、波進(jìn)行調(diào)相，結(jié)果得到調(diào)頻波，即由調(diào)相變調(diào)頻間接調(diào)頻。常用的調(diào)頻方法是變?nèi)荻O管調(diào)頻，實現(xiàn)起來也不困難，但是要進(jìn)一步提高靈敏度和精度，減少失真，實現(xiàn)數(shù)控，也不易于做到。圖4.2.3(1) 調(diào)頻原理示意圖因為系統(tǒng)的正弦波發(fā)生器是基于DDS芯片的，所以可以充分利用硬件資源，根據(jù)調(diào)制信號和載波信號，用程序控制DDS芯片直接輸出調(diào)頻信號，這樣做的好處是電路簡單，頻偏的改變只需要改變置入的頻偏參數(shù)即可。經(jīng)過我們在實驗中的測試，發(fā)現(xiàn)這種方法的效果良好。 在調(diào)頻或調(diào)相中，載波的瞬時頻率或瞬時相位受調(diào)制信號的控制，作周期性的變化，這變化的大小與調(diào)制信號的強(qiáng)度成線性關(guān)系，變化的周期由調(diào)制信號的頻率所決定。但已調(diào)波

30、的振幅則保持不變，不受調(diào)制信號的影響。它的原理示意圖如圖4.2.3(1)所示。調(diào)頻信號的一般表達(dá)式為：式中V是FM波的振幅，(t) 是FM信號的瞬時相位；且其中c為FM波的中心角頻率，即載波頻率，Kf 為FM波的調(diào)頻靈敏度，是調(diào)制信號。頻偏就是調(diào)頻波頻率擺動的幅度，一般說的是最大頻偏。下面以最大頻偏為10KHz，正弦調(diào)制信號為1KHz為例說明用DDS產(chǎn)生調(diào)頻信號的方法。因為調(diào)制信號頻率為1KHz，即它的周期為1ms，所以輸出的調(diào)頻信號頻率以1ms為周期變化；最大頻偏為10KHz，所以輸出信號的頻率最大為fc+10KHz (fc為載波頻率)，最小為fc-10KHz。建立一個正弦函數(shù)表(以時間為橫

31、軸取100個點(diǎn))，得到下表點(diǎn)值序號k012345Y=sin(2*pi*k/100)00.0627910.1253330.1873810.248690.309017delta f=100*Y0627.90521253.3321873.8132486.8993090.17控制字的變化值024385.4248674.672771.6896581.57120010.3點(diǎn)值序號k949596979899Y=sin(2*pi*k/100)-0.36812-0.30902-0.24869-0.18738-0.12533-0.06279delta f=100*Y-3681.25-3090.17-2486.9-

32、1873.81-1253.33-627.906控制字的變化值-142965-120010-96581.6-72771.7-48674.6-24385.5每隔1ms/100=10us，單片機(jī)從上表中讀取一個控制字的變化值加上到當(dāng)前的中心頻率控制字，即可輸出符合要求的調(diào)頻信號。4、二進(jìn)制調(diào)制PSK、ASK是數(shù)字通信領(lǐng)域常用的調(diào)制方式。二進(jìn)制PSK就是把二進(jìn)制基帶信號調(diào)制成帶通的相位隨基帶信號變換的正弦信號。(1) 二相相移鍵控2BSK（BPSK）如下所示圖4.2.4(2) 二相相移鍵控2BSK由上圖可知，當(dāng)基帶信號是0的時候帶通的正弦信號是0度相位，當(dāng)基帶信號是1的時候帶通的正弦信號是180度相位

33、，這就是二進(jìn)制的PSK。我們實現(xiàn)這個電路的方法是通過單片機(jī)接收基帶的二進(jìn)制信號，判斷這信號是0或是1，分別使AD9851產(chǎn)生0度或180度的相位的帶通正弦信號。AD9851控制字W0的高5位是產(chǎn)生相移的控制位。當(dāng)要產(chǎn)生0度相位的正弦載波信號時就向AD9851寫01給W0，當(dāng)要產(chǎn)生180度相位的正弦載波信號時就向AD9851寫81給W0。這就實現(xiàn)了2進(jìn)制的PSK。（2） 幅移鍵控(ASK)圖4.2.4(3) 幅移鍵控由上圖可知，當(dāng)基帶信號是0的時候存在帶通的正弦信號，當(dāng)基帶信號是1的時候無帶通的正弦信號，這就是二進(jìn)制的ASK。我們實現(xiàn)這個電路的方法是通過單片機(jī)接收基帶的二進(jìn)制信號，判斷這信號是0

34、或是1，分別使AD9851產(chǎn)生的帶通正弦信號存在或者被旁路。AD9851控制字W0的第3位data2是產(chǎn)生使輸出是否被旁路的信號控制位。當(dāng)要使正弦載波信號旁路時候時就向AD9851寫05給W0，當(dāng)要使正弦載波信號正常輸出時就向AD9851寫01給W0。這就實現(xiàn)了2進(jìn)制的ASK。（3）頻移鍵控（FSK）在題目要求的功能之外，我們又額外設(shè)計了FSK的功能。當(dāng)基帶信號是0的時候存在帶通的頻率fc正弦信號，當(dāng)基帶信號是1的時候帶通的2倍fc正弦信號，這就是二進(jìn)制的FSK。我們實現(xiàn)這個電路的方法是通過單片機(jī)接收基帶的二進(jìn)制信號，判斷這信號是0或是1，分別使AD9851產(chǎn)生的帶通頻率為fc或2倍fc的正弦

35、信號。即AD9851的頻率控制字隨二進(jìn)制序列的0、1情況寫入不同數(shù)據(jù)。（4）二進(jìn)制序列碼 本設(shè)計中二進(jìn)制序列又單片機(jī)產(chǎn)生。為方便實用，增強(qiáng)可控性，二進(jìn)制序列由單片機(jī)按鍵輸入，設(shè)計長度為8位，進(jìn)制基帶序列碼速率固定為10kbps。4.3 程序清單 見附錄。5系統(tǒng)調(diào)試5.1 單元電路的測試方案（1）正弦波輸出頻率范圍：1kHz10MHz；具有頻率設(shè)置功能，頻率步進(jìn)：100Hz；輸出信號頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4；失真度：用示波器觀察時無明顯失真。 測試方法：利用示波器觀察波形和頻率范圍（2）增加輸出電壓幅度：在頻率范圍內(nèi) 負(fù)載電阻上正弦信號輸出電壓的峰-峰值Vopp=6V1V；測試方法：將示波器連接

36、到電阻的兩端，觀察輸出的正弦波的峰峰值是否為6V1V；改變頻率，從1m到10m，看峰峰是否始終在6V1V范圍內(nèi)，波形是否失真。（3） 產(chǎn)生模擬頻率調(diào)制(FM)信號：在100kHz10MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生10kHz最大頻偏，且最大頻偏可分為5kHz/10kHz二級程控調(diào)節(jié)，正弦調(diào)制信號頻率為1kHz，調(diào)制信號自行產(chǎn)生；測試方法：利用示波器觀測（4）產(chǎn)生二進(jìn)制PSK、ASK信號：在100kHz固定頻率載波進(jìn)行二進(jìn)制鍵控，二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為10kbps，二進(jìn)制基帶序列信號自行產(chǎn)生；測試方法：示波器觀測(5) 產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制(AM)信號：在1MHz10MHz范圍內(nèi)調(diào)制度ma可在10%100%

37、之間程控調(diào)節(jié)，步進(jìn)量10%，正弦調(diào)制信號頻率為1kHz，調(diào)制信號自行產(chǎn)生；測試方法：示波器觀測5.2 系統(tǒng)的測試方案DDS輸出的正弦波信號分別接入放大電路和am調(diào)幅電路。測量放大之后的正弦波是否滿足要求的范圍；調(diào)幅電路由dds輸入的高頻信號作為載波，調(diào)制信號由8038獨(dú)立產(chǎn)生，其幅度由op07構(gòu)成的比例放大電路調(diào)節(jié)；兩路信號接入mc1496構(gòu)成的調(diào)幅電路，觀察其輸出是否滿足調(diào)制要求，調(diào)制度ma是否可調(diào)。其他實驗要求直接用雙蹤示波器觀察DDS外接濾波電路即可。5.3 系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的問題與解決方法（1）電源級聯(lián)設(shè)計產(chǎn)生的干擾由于本系統(tǒng)中需要多種電壓供電，其中放大電路中的AD811供電電壓為5v，mc1

38、496為+12V和8v，產(chǎn)生調(diào)制信號的8038供電電壓為12v。開始電源設(shè)計為級聯(lián)形式，這樣每一級的壓差較小，穩(wěn)壓芯片產(chǎn)熱較少。但系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時發(fā)現(xiàn)電源的上下級之間會產(chǎn)生干擾，使得分塊測試效果很好的模塊連在一起測試效果很差。后來及時轉(zhuǎn)變電源的方案，采用獨(dú)立式電源，3組不同的電源采用獨(dú)立的橋電路，干擾明顯減少。（2）DDS產(chǎn)生的信號帶負(fù)載問題DDS產(chǎn)生的信號單獨(dú)測試效果很好，但作為后續(xù)電路的輸入時其效果和利用實驗室信號源直接輸入差別十分明顯5.4 測試儀器 M雙蹤示波器萬用表直流電源5.5測試結(jié)果與分析1.正弦信號發(fā)生器與輸出電壓測試用數(shù)字示波器測試正弦信號發(fā)生器產(chǎn)生的頻率及步進(jìn)穩(wěn)定度,任意設(shè)置系統(tǒng)

39、的頻率值，在示波器上觀察波形與頻率；全頻段測試在50歐姆負(fù)載電阻上輸出電壓峰峰值。測試數(shù)據(jù)如表5.5.1所示。按鍵設(shè)置頻率/khz示波器顯示頻率/khz電壓峰峰值/v0.010.01005.60.10.10006.011.00036.05050.0026.110001000.36.250005000.45.510000100005.120000200005.0 表5.5.1正弦信號發(fā)生器測試表2.模擬幅度調(diào)制測試當(dāng)載波為100KHZ時，正弦調(diào)制信號頻率為1KHZ，調(diào)制度為100%時，模擬幅度調(diào)制(AM)信號測試結(jié)果如圖5.5.2所示。圖5.5.2(1) 調(diào)制度為100%AM信號當(dāng)載波為1000

40、KHZ時，正弦調(diào)制信號頻率為1KHZ，調(diào)制度為50%時，模擬幅度調(diào)制(AM)信號測試結(jié)果如圖5.5.2所示。圖5.5.2(2) 調(diào)制度為50%的AM信號3.模擬頻率調(diào)制測試當(dāng)載波頻率為100KH，頻偏為10KH時，模擬頻率調(diào)制信號如圖5.5.3所示。圖5.5.3 FM信號4. 數(shù)字調(diào)制測試(1) 2PSK信號產(chǎn)生：當(dāng)設(shè)置碼元為“10101010”時，當(dāng)載波頻率為100KHZ時，二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為10Kbps時，二進(jìn)制相位調(diào)制信號如圖5.5.4所示。圖5.5.4(1) 2PSK信號(5) 2ASK信號產(chǎn)生：當(dāng)設(shè)置碼元為“11001010”和“10101010”時，當(dāng)載波頻率為100KHZ

41、時，二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為10Kbps時，二進(jìn)制幅度調(diào)制信號如圖5.5.4(2)所示。圖5.5.4(2) 2ASK信號（3）2FSK信號產(chǎn)生： 碼元為“1”輸出信號頻率為100KHZ, 碼元為“0”輸出信號頻率為20KHZ的2FSK信號。當(dāng)設(shè)置碼元為“10101010”時，當(dāng)載波頻率為100KHZ時，二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為10Kbps時，二進(jìn)制頻率調(diào)制信號如圖5.5.4（3）所示。 圖5.5.4（3） 2FSK 信號（4）結(jié)果分析與結(jié)論基本要求發(fā)揮要求實際完成輸出頻率范圍110M滿足，且有擴(kuò)展。頻率擴(kuò)展為：10HZ20M具有頻率設(shè)置，頻率步進(jìn)100Hz滿足頻率穩(wěn)定度優(yōu)于0.0001穩(wěn)定

42、度為0.003,小于要求在50歐姆負(fù)載電阻上的電壓峰峰值1擴(kuò)展到6V + 1v滿足波形無明顯失真滿足。輸出波形在：10HZ20M范圍內(nèi)無明顯失真AM調(diào)制，載波頻率1M10M，調(diào)制信號1K，調(diào)制度在0.11可程控，步進(jìn)0.1滿足，且有擴(kuò)展。載波頻率和調(diào)制信號頻率可以任意設(shè)置。調(diào)制度0.11可程控，步進(jìn)為0.01FM調(diào)制，載波頻率100K10M，頻偏10KHZ5K可程控，調(diào)制信號1K滿足，且有擴(kuò)展。頻偏程控擴(kuò)展為4檔：5k/10k/20k/40k。載波頻率可以任意設(shè)置。PSK、ASK調(diào)制,載波100K，二進(jìn)制基帶序列10Kbps滿足?？梢援a(chǎn)生預(yù)置的二進(jìn)制序列，并進(jìn)行載波頻率可以調(diào)節(jié)的數(shù)字調(diào)制。其它

43、增加二進(jìn)制基帶序列可鍵控輸入6系統(tǒng)性能總結(jié)及特點(diǎn)本系統(tǒng)以AD9851、MC1496、AD603、AD811和AT89S52芯片為核心部件，利用DDS技術(shù)，7階橢圓濾波器，程控放大技術(shù)，模擬乘法器電路，9511程控調(diào)幅電路，并配合一套獨(dú)特的軟件算法實現(xiàn)了輸出頻率范圍達(dá)1KHZ10MHZ、具有頻率設(shè)置、頻率步進(jìn)，頻率可任意設(shè)定、輸出電壓幅度穩(wěn)定、失真度小、能產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制信號、模擬頻率調(diào)制、二進(jìn)制ASK、PSK和FSK信號的多功能正弦信號發(fā)生器，最終使正弦信號發(fā)生器完成競賽題目中要求的各項任務(wù)，系統(tǒng)精確穩(wěn)定并具友好的人機(jī)交流界面。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)

44、，來滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求。因為時間有限，該系統(tǒng)還有許多值得改進(jìn)的地方：因為AM調(diào)制使用的是模擬電路乘法器實現(xiàn)的，對于5MHz及以上的信號進(jìn)行調(diào)制時，輸出波形有一定失真，波形的包絡(luò)上下兩部分不是完全對稱，因此，使用工作頻率更高的芯片或者改為使用數(shù)字的方法解決此問題。6.1 基本功能完成情況我們按照題目要求實現(xiàn)了所有的基本功能，包括有：（1）正弦波輸出頻率范圍：1kHz10MHz； （2）具有頻率設(shè)置功能，頻率步進(jìn)：100Hz； （3）輸出信號頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-5；（4）輸出電壓幅度：在負(fù)載電阻上的電壓峰-峰值Vopp1V；（5）失真度：用示波器觀察時無明顯失真。6.2發(fā)揮部分完成情況我們在發(fā)揮

45、部分實現(xiàn)了以下多種功能：（1）增加輸出電壓幅度：在頻率范圍內(nèi)負(fù)載電阻上正弦信號輸出電壓的峰-峰值Vopp=6V左右；（2）產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制(AM)信號：在1MHz10MHz范圍內(nèi)調(diào)制度ma可在10%100%之間程控調(diào)節(jié)，步進(jìn)量10%，正弦調(diào)制信號頻率為1kHz，調(diào)制信號自行產(chǎn)生；（3）產(chǎn)生模擬頻率調(diào)制(FM)信號：在100kHz10MHz頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生10kHz最大頻偏，且最大頻偏可分為5kHz/10kHz二級程控調(diào)節(jié)，正弦調(diào)制信號頻率為1kHz，調(diào)制信號自行產(chǎn)生；（4）產(chǎn)生二進(jìn)制PSK、ASK信號：在100kHz固定頻率載波進(jìn)行二進(jìn)制鍵控，二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為10kbps，二進(jìn)制基帶序

46、列信號自行產(chǎn)生；6.3改進(jìn)及創(chuàng)新的元素 (1) 自制幅度3V20V可調(diào)直流穩(wěn)壓電源 本設(shè)計中，我們自制穩(wěn)壓電源為硬件電路中所有芯片的供電，考慮到功率放大芯片AD811在不同供電電壓時放大特性不同為方便調(diào)試和自制穩(wěn)壓源使用更加靈活，我們均使用可調(diào)幅穩(wěn)壓芯片LM317、LM337，從而做到了3路正負(fù)幅度3V20V可調(diào)的電源電路。 此設(shè)計不僅有利于系統(tǒng)調(diào)試，也使我們在對電路設(shè)計優(yōu)化更換不同芯片時解決了供電電壓不同的問題。 （2）鍵入任意二進(jìn)制序列為增加二進(jìn)制調(diào)制的功能性，本設(shè)計中二進(jìn)制序列由單片機(jī)程序產(chǎn)生，并可以通過鍵盤任意設(shè)置序列值，序列值長度設(shè)計為8位，二進(jìn)制基帶序列碼速率固定為10kbps。此

47、設(shè)計豐富了二進(jìn)制調(diào)制基帶序列的可程控選擇性，使功能更完善。（3）FSK調(diào)制 在ASK、PSK基礎(chǔ)上我們設(shè)計了FSK調(diào)制，豐富了本系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式。參考文獻(xiàn) 1、黃正瑾、田良電子設(shè)計競賽賽題解析東南大學(xué)出版社2004年第一版2、黃智偉、陳文光全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽訓(xùn)練教程電子工業(yè)出版社2005年第一版3、王松武電子創(chuàng)新設(shè)計與實踐國防工業(yè)出版社2005年第一版4、唐朝京現(xiàn)代通信原理電子工業(yè)出版社2010年第一版附 錄附錄1 總電原理圖 1. 高精度正弦波信號產(chǎn)生模塊及AGC穩(wěn)幅模塊2.AM產(chǎn)生模塊3.程控調(diào)制信號產(chǎn)生模塊4.功率放大模塊5.電源模塊附錄2 印制電路板圖1 高精度正弦波信號產(chǎn)生模塊

48、及AGC穩(wěn)幅模塊2 AM產(chǎn)生模塊及功率放大模塊3.程控調(diào)制信號產(chǎn)生模塊4.電源模塊附錄3 程序清單 #include#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit E=P36; /1602使能引腳sbit RS=P37; /1602數(shù)據(jù)/命令選擇引腳sbit up=P34; /程控x9511 up引腳sbit down=P35; /程控x9511 up引腳sbit ad9850_w_clk =P32; /P2.2口接ad9850的w_clk腳/PIN7sbit ad9850_fq_up =P3

49、1; /P2.1口接ad9850的fq_up腳/PIN8sbit ad9850_rest =P30; /P2.0口接ad9850的rest腳/PIN12uchar f_89;uint f_m8=0,0,0,0,0,0,0,0;uchar wei=0,key;uchar choose=1,ok=0,choose_pinpian=0,bujin=100,ask_psk=0,ma=0,ma_temp;uchar f_i=0,fm_z=0,f_j=0,f_k=0; /f顯示循環(huán)uint m=0; /m序列相關(guān)long int f=0,f_temp,f_xouzheng; /寫入AD的頻率值和暫存unsigned char w;long int y;unsigned long int F_100K=0x00346dc5;unsigned long int F_50