正弦信號發(fā)生器示列論文資料

正弦信號發(fā)生器示列論文資料,正弦,信號發(fā)生器,論文,資料 正弦信號發(fā)生器 摘 要 本系統(tǒng)采用AT89S51單片機為核心，輔以必要的模擬，數(shù)字電路，構(gòu)成了一個基于DDS技術(shù)的正弦波信號發(fā)生器。該軟件系統(tǒng)采用4*4鍵盤操作，以菜單形式進行顯示，操作方便簡單，軟件增加了許多功能。它通過啟動DDS，把內(nèi)存緩存區(qū)的數(shù)據(jù)讀出送到DDS后輸出相應(yīng)的頻率，并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼，通過液晶顯示器進行顯示。該系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定度、精度極高，方便攜帶，適用于當代的尖端的通信系統(tǒng)和精密的高精度儀器以及高頻無線傳輸系統(tǒng)等。 關(guān)鍵詞：直接數(shù)字頻率合成（DDS）、AD9851、VCO Sinusoidal Wave Signal Generator [Abstract ] By using the AT89S51 as its core and combining the necessary analog and digital circuits, a sinusoidal wave signal generator is built based on the DDS technology. The software utilized in the system can be operated with a 4X4 keyboard, displayed in a menu and hence makes the system easy to use. Through booting up the DDS, reading the data from the buffer of the memory and transmitting them to DDS modules, a relevant frequency output combining the BCD code generated at the same time can be obtained and displayed on a LCD screen. The system is suitable for using in modern communications systems and high accuracy instruments with the aid of its small size, portability, stability and high accuracy. 一． 方案比較與論證 1． 常見信號源制作方法 方案 一 ：采用模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX038，可產(chǎn)生正弦波，方波，三角波，通過調(diào)整外部元件可改變輸出頻率，但采用模擬器件由于分散性太大，即使使用單片函數(shù)發(fā)生器，參數(shù)也揶揄外部元件有關(guān)，因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度較差，精度不高，抗干擾能力較低成本較高。 方案 二 ：采用鎖相式頻率合成方案，鎖相式頻率合成是將一個高穩(wěn)定度和高精度的標準頻率經(jīng)過加減乘除的運算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的 大量離散頻率的技術(shù)，它在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確，又要頻率在較大范圍內(nèi)可變的矛盾，但頻率受VCO可變頻率范圍響，高低頻率比不可能作得很高。 方案 三：采用DDS，即直接數(shù)字頻率合成，其原理方框圖如圖1所示， 它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號及其他多種調(diào)制信號、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面，并具有極高的性價比,正因如此，我們采用方案三。 2．調(diào)幅電路 方案 一 用模擬乘法器MC1496實現(xiàn)調(diào)制信號對載波信號的幅度調(diào)制，由于輸出正弦波頻率非常高，根據(jù)我們的調(diào)試，從1K到1MHZ 得出的波形是很好，但從1MHZ至10MHZ時由于輸出幅度不夠，波形明顯失真。 方案 二 用增益可變運放AD603，其傳輸帶寬高達90MHZ，完全可以滿足輸出信號頻率的要求，因此，方案二是較理想的選擇。 3．調(diào)頻電路 方案 一 ：D/A控制 此方案預(yù)先測試和計算好產(chǎn)生固定頻率所需的控制電壓，為方便控制將它量化存于ROM之中，在需要時利用單片機控制D/A轉(zhuǎn)換即可完成，此方案設(shè)計的是一個開環(huán)的系統(tǒng)，他的穩(wěn)定性不好，且頻率步進無法做得很小。 方案 二 ：壓控振蕩器 壓控振蕩器的輸出頻率是隨著輸入電壓的改變而改變的，鑒于此，如果用調(diào)制信號來控制壓控振蕩器的輸入電壓，即可實現(xiàn)調(diào)頻。這樣顯然簡單而容易控制，且精度較高。因此我們選擇方案 二。 4．顯示模塊 方案一 采用普通LED 顯示，其優(yōu)點是操作方便，但顯示信息及功能少，且耗電量大。 方案二 采用液晶（LCD）顯示，界面形象清晰，內(nèi)容豐富，可顯示復(fù)雜字符，易于和單片機接口，且耗電少，故優(yōu)先采用。 5．A/D轉(zhuǎn)換模塊 方案一 用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809實現(xiàn)。 方案二 用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC549實現(xiàn)，ＴＬＣ５４９(ＴＬＣ５４８)是ＴＩ公司生產(chǎn)的一種低價位、高性能的８位Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換器，它以８位開關(guān)電容逐次逼近的方法實現(xiàn)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換，其轉(zhuǎn)換速度小于１７ｕｓ，它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價的測控應(yīng)用系統(tǒng)，且讀寫TLC549比讀寫ADC0809簡單，故我們選擇方案二。 二． 系統(tǒng)硬件設(shè)計 1．總體設(shè)計 本系統(tǒng)采用51單片機作為核心，控制DDS芯片AD9851產(chǎn)生頻率為1KHZ至10MHZ的正弦波系統(tǒng)框圖如圖1所示 2．模塊說明 （1）用單片機控制AD9851產(chǎn)生頻率為1K至10MHZ的正弦波，自動增益控制實現(xiàn)增益自動調(diào)節(jié)，當輸出幅度過大或偏小時，單片機通過檢波電路和A/D 采樣調(diào)節(jié)增益大小。放大級對已調(diào)信號進行幅度放大，然后輸出至負載。 （2）檢波電路對輸出信號采樣，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送給單片機處理。 （3）顯示模塊對輸出信號動態(tài)顯示 （4）單片機控制壓控振蕩器產(chǎn)生頻0率隨調(diào)制信號變化的信號，并把已調(diào)信號送到AD9851，作為AD9851的時鐘頻率，從而實現(xiàn)對載波信號的調(diào)頻。 （5）模數(shù)轉(zhuǎn)換用8位串行A/DTLC549即可實現(xiàn)。 （6）二進制數(shù)字基帶信號用單片機直接產(chǎn)生，這種方式簡便，快捷，而且穩(wěn)定度很好 圖1 3．理論分析與參數(shù)計算 （1）正弦信號發(fā)生器 DDS是產(chǎn)生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優(yōu)先選用技術(shù)。DDS以穩(wěn)定度高的參考時鐘為參考源，通過精密的相位累加器和數(shù)字信號處理，通過高速D/A變換器產(chǎn)生所需的數(shù)字波形（通常是正弦波形），這個數(shù)字波經(jīng)過一個模擬濾波器后，得到最終的模擬信號波形。如圖2所示，通過高速DAC產(chǎn)生數(shù)字正弦數(shù)字波形，通過帶通濾波器后得到一個對應(yīng)的模擬正弦波信號，最后該模擬正弦波與一門限進行比較得到方波時鐘信號。DDS系統(tǒng)一個顯著的特點就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外，DDS的固有特性還包括：相當好的頻率和相位分辨率（頻率的可控范圍達μHz級，相位控制小于0.09°）,能夠進行快速的信號變換（輸出DAC的轉(zhuǎn)換速率300百萬次/秒）。這些特性使DDS在軍事雷達和通信系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。 本系統(tǒng)采用了美國模擬器件公司采用先進DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品AD9851芯片。AD9851是在AD9850的基礎(chǔ)上，做了一些改進以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相對于AD9850的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只是多了一個6倍參考時鐘倍乘器，當系統(tǒng)時鐘為180MHz時，在參考時鐘輸入端，只需輸入30MHz的參考時鐘即可。如圖4（AD9851內(nèi)部結(jié)構(gòu)）所示，AD9851是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率/相位寄存器、具有6倍參考時鐘倍乘器的DDS芯片、10位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個部分組成。其中具有6倍參考時鐘倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表、D/A變換器以及低通濾波器集成到一起。這個高速DDS芯片時鐘頻率可達180MHz， 輸出頻率可達70 MHz，分辨率為0.04Hz。 為了實現(xiàn)調(diào)頻，DDS的基準信號源采用壓控振蕩器輸出的30 M頻率作為基準信號源由于AD9851是貼片式的體積非常小，引腳排列比較密，焊接時必須小心，還要防靜電擊穿，焊接不好就很容易把芯片給燒壞。還有在使用中數(shù)據(jù)線、電源等接反或接錯都很容易損壞芯片。所以在AD9851外圍采用了電源、輸入、輸出、數(shù)據(jù)線的保護電路。為了不受外界干擾，添加了不少的濾波電路，顯得整個電路更完美。詳細電路圖如圖2。 圖2 （2）壓控振蕩器 MC1648有兩種基本型VCO的壓控特性，這里我們只采用其中一種第一種基本負阻集成LC VCO 電路如圖3 示,它僅用一只變?nèi)荻O管,并由芯片MC1648 外加諧振回路組成。MC1648 為集成射極耦合振蕩電路,具有負阻效應(yīng),輸出MECL 電平。 圖3 其詳細電路圖如圖4所示 圖4 （3）自動增益控制模塊 　 AD603 的原理框圖[1 ]其原理圖如圖5 所示 圖5 已調(diào)信號從1K至10MHZ變化，頻帶很寬，用一般的運放不能滿足要求，AD603的頻帶寬度為0到90MHZ，完全能夠滿足要求，且為增益可變運放，由于頻率高時信號衰減比較快，用AD603可實現(xiàn)對不同頻率信號的放大倍數(shù)。其電路他圖6所示 圖6 （5）正弦波調(diào)制信號 采用NE555產(chǎn)生1KHZ的正弦波調(diào)制信號，電路如圖7所示，其中AM和FM 都是用此電路產(chǎn)生調(diào)制信號 圖7 （6）穩(wěn)幅輸出模塊 峰值檢波器獲得輸出電壓的幅值，經(jīng)過A/D采樣后就得到輸出端當前電壓的幅值，送回單片機與預(yù)設(shè)值相比就可以知道輸出下降的情況，從而實現(xiàn)自動增益控制。 （7）顯示模塊 顯示電路是很重要的人機界面。在顯示電路中，我們沒有選擇普通的數(shù)碼管顯示，而是優(yōu)先采用了能夠顯示復(fù)雜字符的5 × 7 點陣液晶顯示器（1602）。此顯示界面分為上下兩行：提示字符“請輸入頻率：”下一行為頻率值顯示與數(shù)碼管相比，其優(yōu)點是：功耗低，顯示形象直觀，人機界面友好。控制部分：鍵盤輸入經(jīng)單片機處理后控制AD9851的頻率輸出，達到智能控制目的。 （8）按鍵電路 采用4*4鍵盤，系統(tǒng)不停的對按鍵進行掃描，當有鍵按下時，即轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的程序。 （九）A/D轉(zhuǎn)換模塊 其中 1和3腳為參考電壓，接電位器可以改變參考電壓，2腳為模擬信號輸入端，4腳為 接地端，5腳為片選，低電平有效，故接地，6，7，8分別為數(shù)據(jù)輸出端和時鐘輸入端及電源端。 三． 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件流圖如圖7所示，通過按鍵選擇所需要的頻率，操作簡單快捷。 圖7 四． 系統(tǒng)調(diào)試 根據(jù)方案設(shè)計要求，調(diào)試過程公分三大部分，硬件調(diào)試，軟件調(diào)試，軟件和硬件聯(lián)調(diào)。電路按模塊逐個調(diào)試，各模塊調(diào)試通過后在聯(lián)調(diào)。程序先在最小系統(tǒng)板調(diào)試，通過后在軟硬聯(lián)調(diào)。 1． 硬件調(diào)試 （1） 高頻電路抗干擾設(shè)計 AD9851的時鐘頻率很高，對周圍的電路有一定的影響，我們采取了各種抗干擾措施。例如引線盡量短，減少交叉，盡量減少跳線，在電源輸入端都加上去藕電容，數(shù)字地與模擬地分開，信號源與地盡量隔遠，增大接地面積，這就要求設(shè)計電路時采取敷銅的方法，實踐證明，這些措施對消除某些引腳上的毛刺及干擾噪聲起到了很好的作用。 （2） 由于輸出頻率很高，因此對運放的帶寬有一定的要求，我們選擇了帶寬較大的AD811。 2． 軟件調(diào)試 本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用C51寫，調(diào)試也是分模塊進行，各個模塊調(diào)試通過函數(shù)里調(diào)用，這樣寫結(jié)構(gòu)明了，出錯時容易查錯。 3． 軟硬聯(lián)調(diào) 按程序定義的各個口分別把線接好，然后把程序?qū)戇M單片機控制各個模塊 五． 指標測試 1． 測試儀器 （1）示波器 （2）萬用表 六． 測試方法與結(jié)果分析 （1）通過鍵盤輸入所需的頻率，然后按確認鍵即可從示波器上看到輸出信號，輸出頻率范圍為：1KHZ至10MHZ。輸入所需頻率后，按住“+”“-”鍵即可實現(xiàn)頻率的步進，步進頻率為100±5HZ，每按按一次“-”鍵，頻率降低：100±5HZ。 按一次“+”鍵，頻率升高：100±5HZ。 （2）輸出所需頻率F后，觀測到頻率跳變小于發(fā)F×10E-4，所以輸出頻率穩(wěn)定度優(yōu)于1×10e-4. （3）在輸出端接上50歐的電阻 ，用示波器探頭接到輸出端，觀察到示波器輸出峰峰值如下表所示 輸入頻率（HZ） 1K-50K 50K-1M 1M-5M 5M=10M 輸出幅值（V） 2.45 3.26 2.85 2.80 由此可見，輸出幅度符合基本要求。 （4）用示波器探頭接在輸出端，改變輸入頻率從1KHZ到10MHZ變化，輸出波形沒有失真現(xiàn)象。 經(jīng)過測試，基本部分的指標都能達到。發(fā)揮部分由于要求輸出頻率帶寬很大，1KHZ到800KHZ 能夠滿足6v±1v，800KHZ到10MHZ電壓幅度放大不夠，只能達到2.5±0.5V,后來我們想設(shè)計一個高通濾波器，由于時間倉促，這部分沒辦法實現(xiàn)，所以1MHZ到10MHZ這個頻段沒有達到發(fā)揮部分的要求，在1M到10MHZ范圍內(nèi)調(diào)制度Ma 可在10%到100%內(nèi)程控調(diào)節(jié)，步進量為10%，在100KHZ到10MHZ頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大頻偏位10KHZ，PSK和ASK信號都很好，沒有明顯的失真。 （5）用單片機產(chǎn)生速率為10Kbps的二進制基帶信號,從鍵盤輸入100KHZ的頻率，然后用二進制基帶信號調(diào)制載波信號，得到ASK信號和PSK信號。 七 總結(jié) 本系統(tǒng)采用比較先進的數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生正弦波，性能指標都達到或超過了基本要求，系統(tǒng)較可靠，穩(wěn)定。當然，也存在一些問題，比如，加上負載時，信號輸出幅度不夠等 八 參考文獻 1．胡宴如. 高頻電子線路. 高等教育出版社 2.白駒珩 雷曉平 .單片計算機及其應(yīng)用 . 電子科技大學出版社 3.李廣弟. 單片機基礎(chǔ). 北京航空航天大學出版社 4．Analog Devices Inc. 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