基于dds的單片模頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

基于dds的單片模頻信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

0兩種電源的選擇需要高頻振蕩信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源和振蕩器，廣泛應(yīng)用于電路實(shí)驗(yàn)、設(shè)備檢測(cè)和工業(yè)應(yīng)用。通信、廣播、電視系統(tǒng)中,都需要射頻載波,把音頻、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)發(fā)射出去,因而需要高頻振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi),如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。正弦信號(hào)發(fā)生器主要用于測(cè)量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。本文設(shè)計(jì)的低頻正弦信號(hào)發(fā)生器(1Hz～20MHz),頻率穩(wěn)定度高,信號(hào)幅值穩(wěn)定,驅(qū)動(dòng)負(fù)載能力強(qiáng),可以輸出調(diào)幅信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)、二進(jìn)制移相鍵控(2PSK)信號(hào)、二進(jìn)制移頻鍵控(2FSK)信號(hào)和二進(jìn)制振幅鍵控(2ASK)信號(hào),具有優(yōu)良的特性、低廉的成本。1系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1dds系統(tǒng)噪聲的特性DDS工作原理如圖1所示,用滿足Nyquist準(zhǔn)則的一定頻率對(duì)正弦信號(hào)進(jìn)行采樣,控制采樣周期Δt之間的相位增量Δφ,每次累加到相位寄存器中,用得到的相位值來尋址ROM查找表,實(shí)現(xiàn)相碼和幅碼的轉(zhuǎn)換,得到輸出波形的幅度值,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào),就得到了輸出頻率信號(hào)ω=Δφ/Δt。設(shè)參考頻率源頻率為fclk,采用計(jì)數(shù)容量為2N的相位累加器(N為相位累加器的位數(shù)),頻率控制字為M,則DDS系統(tǒng)輸出信號(hào)的頻率和頻率分辨率分別為:fout=fclk2Ν×Μ?Δf=fclk2Νfout=fclk2N×M?Δf=fclk2N此方案產(chǎn)生的噪聲有2種,量化噪聲和非理想濾波器帶來的噪聲。幅度和相位量化噪聲,簡(jiǎn)稱量化噪聲。在一定的電路中,它們是固定不變的。對(duì)于合成的正弦波來說,幅度和相位的量化值都是相應(yīng)的幅度和相位的近似值,存在量化誤差。現(xiàn)以幅度為例分析其量化噪聲的由來及誤差,因存儲(chǔ)器大小的限制,對(duì)幅度值做了近似,被略去的部分就會(huì)產(chǎn)生背景噪聲。另一種是數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的階梯波中的雜散頻率通過非理想低通而帶來的噪聲。這類噪聲將隨著頻率的增高而加大。2種噪聲均為頻率較高的成分,表現(xiàn)在頻譜上和信號(hào)相距較遠(yuǎn),可以用濾波器濾除。1.2調(diào)幅1+macost幅度調(diào)制(AM)就是使載波信號(hào)的幅度隨調(diào)制信號(hào)的變化而變化的一種調(diào)制方式。設(shè)載波信號(hào)為vc(t)=Ucmcosωct(1)vc(t)=Ucmcosωct(1)調(diào)制信號(hào)為vΩ(t)=UΩmcosΩt(2)vΩ(t)=UΩmcosΩt(2)則調(diào)幅信號(hào)為式中,ma=kaUΩm/Um0(4)ma=kaUΩm/Um0(4)是調(diào)幅信號(hào)的幅度系數(shù),簡(jiǎn)稱調(diào)幅度,或調(diào)制深度。Um0(1+macosΩt)是vo(t)的振幅,它反映調(diào)制信號(hào)的變化,稱為調(diào)制信號(hào)的包絡(luò)。調(diào)幅信號(hào)的最大振幅Ummax為Um0(1+ma),最小振幅Ummin為Um0(1-ma),于是調(diào)制深度定義為ma=Ummax-UmminUmmax+Ummin×100%(5)從式中可以看出,實(shí)際控制調(diào)幅度ma時(shí),保持載波信號(hào)幅度不變,控制調(diào)制信號(hào)的幅度,就可以實(shí)現(xiàn)mα在1%～100%調(diào)節(jié)。1.3同am中的數(shù)字調(diào)調(diào)信號(hào)頻率調(diào)制(FM)就是使載波信號(hào)的頻率按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化的一種調(diào)制方式。載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)的假設(shè)同AM,則調(diào)頻信號(hào)的表達(dá)式為式中:φ0為起始相角;Mf為調(diào)頻指數(shù),Μf=kfUΩmΩ=ΔwinΩ=ΔfmFΔwin為最大頻偏,其值與調(diào)制信號(hào)振幅UΩm成正比,Δwm=2πΔfm=kfUΩm。因此,在DDS控制程序中改變頻率控制字,使其按調(diào)制信號(hào)規(guī)律變化,則能輸出調(diào)頻波。1.4ask實(shí)現(xiàn)原理ASK為幅移鍵控,FSK為頻移鍵控,PSK為相移鍵控,BPSK為二相相移鍵控,假設(shè)數(shù)字信號(hào)為下式所示的隨機(jī)脈沖序列m(t)=∑akg(t-kΤs)(7)式中,ak為隨機(jī)變量,在二進(jìn)制調(diào)制中,代表1和0的2種狀態(tài)。已知載波信號(hào)vc(t)=Ucmsinωct。BPSK是指1狀態(tài)時(shí)載波相移為零(sinωct),0狀態(tài)時(shí)載波相移為180°即sin(ωct-π)的一種鍵控方式。由于sin(ωct-π)=-sinωct,因而,在任意碼元波形的一般情況下,二相鍵控信號(hào)可以表示為vo(t)=Ucm∑kakg(t-kΤs)sinωct(8)利用受矩形脈沖控制的開關(guān)電路對(duì)2個(gè)不同相位的載波頻率源進(jìn)行選通。進(jìn)行BPSK調(diào)制時(shí),當(dāng)信源S(t)為1時(shí),開關(guān)電路接通0°的載波,當(dāng)信源S(t)為0時(shí),開關(guān)接通180°的載波,從而實(shí)現(xiàn)BPSK信號(hào)。ASK的實(shí)現(xiàn)原理與BPSK類似,也是通過信源S(t)控制開關(guān)電路的通斷。不同的是,當(dāng)信源S(t)為1時(shí),開關(guān)電路接通載波,載波信號(hào)通過開關(guān)電路輸出,當(dāng)信源S(t)為0時(shí),開關(guān)電路斷開,無載波信號(hào)輸出。FSK則是當(dāng)信源S(t)為1時(shí),開關(guān)電路接通一路載波,當(dāng)信源S(t)為0時(shí),開關(guān)電路接通另一頻率的載波。1.5信號(hào)控制模塊的實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。其中AD9851和自制DDS分別產(chǎn)生高頻和低頻正弦信號(hào),經(jīng)低通濾波、AGC和功率放大后得到1Hz～20MHz正弦信號(hào);自制DDS信號(hào)源作為調(diào)制信號(hào)、AD9851輸出作為載波信號(hào)控制模擬乘法器,實(shí)現(xiàn)了幅度調(diào)制;單片機(jī)控制載波信號(hào)的頻率控制字,自制DDS控制頻偏,兩者同時(shí)控制AD9851的頻率控制字,實(shí)現(xiàn)了頻率調(diào)制;將時(shí)鐘進(jìn)行分頻后,經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后用100kHz的固定頻率載波進(jìn)行二進(jìn)制鍵控,實(shí)現(xiàn)了ASK、PSK、FSK。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)還作了以下擴(kuò)展:增加DAC使AM信號(hào)的調(diào)幅系數(shù)可調(diào),FM信號(hào)的載波、調(diào)制信號(hào)頻率及最大頻偏可調(diào),ASK、PSK和FSK信號(hào)的載波頻率可調(diào)。2濾波器及電路分析硬件電路主要由3部分組成,AD9851的外圍電路、自動(dòng)增益控制電路、低通濾波器以及功率放大電路。外圍電路與AD9851配合形成頻率合適的信號(hào),信號(hào)經(jīng)過自動(dòng)增益控制將幅值調(diào)整到合適的范圍,進(jìn)入濾波器除去噪聲雜波提高信噪比,最后進(jìn)入功率放大電路。2.1ad9851的電路AD9851的可編程功能主要是通過對(duì)內(nèi)部的5個(gè)輸入數(shù)據(jù)寄存器寫入40bit的控制字來實(shí)現(xiàn)的?？刂谱值膶懭胗胁⑿泻痛?種方式,并行方式是通過數(shù)據(jù)總線D0～D7來完成的,而串行方式是把D7上的數(shù)據(jù)按位串行移入到輸入寄存器。2種方式都是通過W-CLK引腳接入的控制字寫時(shí)鐘來觸發(fā)寫入的。當(dāng)控制字寫完后,在FQ-UD信號(hào)的上升沿的作用下,控制字被寫入頻率相位數(shù)據(jù)寄存器,更新DDS的輸出頻率和相位。AD9851的電路見圖3。由于DDS輸出正弦信號(hào)具有階梯狀鋸齒,因此在后級(jí)加上了7階橢圓低通濾波器,用來濾除基頻外的雜波分量,抑制諧波。2.2核心芯片ad603為保證AD9851輸出的信號(hào)帶內(nèi)平坦,則需要增加1級(jí)AGC電路。AGC電路的其特點(diǎn)為:當(dāng)輸入信號(hào)較強(qiáng)時(shí),自動(dòng)將增益降低;當(dāng)信號(hào)較弱時(shí),又使其增益自動(dòng)增高,從而保證輸出信號(hào)幅值的相對(duì)穩(wěn)定。我們用模擬器件公司的AD603作為自動(dòng)增益控制的核心芯片(見圖4)。AD603是單通道寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的VGA芯片,單個(gè)AD603的增益:Gain(dB)=40UG+10dB(9)電路增益由1腳和2腳間的電壓差UG控制,兩者之間的關(guān)系為:2腳接固定參考電壓,1腳電壓由后級(jí)峰值檢測(cè)電路提供。2N3906和幾個(gè)外圍電阻組成1個(gè)IQ1=300μA左右的恒流源,2N3904作半波檢測(cè)。流入電容C1和C2的電流Ic就是Q1和Q2集電極電流之差。當(dāng)輸出信號(hào)幅度較小時(shí),Q2集電極電流IQ2減小,Ic=IQ1-IQ2增大,反饋電壓增大,AD603的1、2腳間電壓差增大,電路增益提高。當(dāng)輸出信號(hào)幅度增大時(shí),Q2集電極電流IQ2增大,Ic=IQ1-IQ2減小,反饋電壓減小,電路增益也隨之降低,如此反復(fù),最終電路將進(jìn)入到穩(wěn)定狀態(tài),輸出信號(hào)幅度恒定。2.3ths2001運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)因一般信號(hào)源輸出阻抗為50Ω,因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)輸出阻抗為50Ω。50Ω的負(fù)載需要電路有較強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力,輸出電流較大。采用2級(jí)放大,由于系統(tǒng)最大輸出頻率可達(dá)20MHz,一般運(yùn)算放大器的擺率不夠,會(huì)引起輸出波形的失真,又考慮到輸出功率的問題本系統(tǒng)采用2級(jí)電流型運(yùn)算放大器級(jí)聯(lián)。THS3001是高速電流型反饋運(yùn)放,單位增益狀態(tài)下時(shí),帶寬為420MHz;擺率為6.5kV/μs,最大輸出電流為100mA,可以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求,放大電路如圖5所示。2.4高速dc芯片中接收點(diǎn)幅度調(diào)制信號(hào)的實(shí)現(xiàn)AM波產(chǎn)生選用4象限乘法器AD835,其3dB輸出帶寬為250MHz,輸出滿足W=XY+Z。要實(shí)現(xiàn)調(diào)制度的改變,只需改變調(diào)制信號(hào)的幅度即可。使用TI公司的14位高速DAC芯片DAC904產(chǎn)生幅度可調(diào)的調(diào)制信號(hào),AD9851產(chǎn)生載波信號(hào),從而實(shí)現(xiàn)調(diào)幅度的改變。根據(jù)式(3),vo(t)=Umo(1+mαcosΩt)cosωct,根據(jù)乘法器的輸出公式,W=XY+Z,令Y=Z,可以得到W=(X+1)Z,令基帶信號(hào)cosΩt進(jìn)入X通道,載波信號(hào)Accosωct進(jìn)入Z通道就可實(shí)現(xiàn)調(diào)幅。電路圖如圖6所示。3rammabsgf本系統(tǒng)的控制部分由單片機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)組成,單片機(jī)負(fù)責(zé)整體的控制和時(shí)序,FPGA主要完成AD9851的自動(dòng)控制,DAC904時(shí)序控制,ASK、PSK、FSK、FM等調(diào)制波的產(chǎn)生。3.1信號(hào)產(chǎn)生模塊ad9851數(shù)字調(diào)制波(FM、FSK,PSK,ASK等)由FPGA采用數(shù)字方法實(shí)現(xiàn)。數(shù)字調(diào)制省去了很多模擬器件,硬件得到了很大程度的簡(jiǎn)化,而且效果良好易于控制。通過自制DDS產(chǎn)生1kHz的正弦信號(hào)序列,同時(shí),通過單片機(jī)控制總線輸入FM的中心頻率,再將兩者處理后所得結(jié)果送AD9851的頻率控制字,就可以使AD9851產(chǎn)生FM信號(hào)。2FSK,2PSK,2ASK的產(chǎn)生完全利用FPGA完成。該模塊實(shí)現(xiàn)的功能是將時(shí)鐘分頻得到的二進(jìn)制基帶序列信號(hào)轉(zhuǎn)換成以10kb/s固定速率的基帶序列碼,即完成并串轉(zhuǎn)換的功能。然后以基帶序列碼控制3個(gè)2路開關(guān)的選通腳,就可以產(chǎn)生2FSK,2PSK,2ASK信號(hào)。電路輸出端使用了1個(gè)四路開關(guān)選擇AM、2FSK、2PSK、2ASK等信號(hào)的任一輸出。調(diào)制結(jié)果通過數(shù)字示波器觀察如圖7～10所示。3.2實(shí)現(xiàn)了程序的內(nèi)部接口單片機(jī)的軟件設(shè)計(jì)上,本系統(tǒng)采用了軟件工程的設(shè)計(jì)思想。整個(gè)編程過程,結(jié)構(gòu)化與層次化思想貫穿始終。結(jié)構(gòu)化不僅可以提高程序的可讀性,也降低了程序的冗余程度;層次化使程序的通用性與適應(yīng)性進(jìn)一步增強(qiáng),當(dāng)外圍器件電路改變時(shí),只要改動(dòng)最底層的獨(dú)立接口子程序的具體基本功能實(shí)現(xiàn)模塊,而向上層模塊提供的接口不變,為軟件的改進(jìn)和調(diào)試提供了極好的條件。在人機(jī)界面上,力求界面的防彈性,做到輸入錯(cuò)誤的保護(hù),誤操作的復(fù)原,操作的提示。這樣,使得整個(gè)系統(tǒng)的操作變得十分的人性化。如圖11所示。4系統(tǒng)信號(hào)調(diào)制度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了1Hz～20