基于DDS技术的高频正弦波发生器的设计

基于DDS技术的高频正弦波发生器的设计摘要：以混合信号单片机C8051F020及DDS芯片AD9834为核心，采用直接数字合成（DDS）技术完成多功能高频正弦信号发生器的设计。该正弦信号发生器可输出可调频稳定正弦信号，频率最高可达15MHz，频率步进为100Hz、1KHz、10KHz三级步进，在50欧姆电阻负载情况下输出电压峰峰值在2.54V至10.40V之间；同时可以产生模拟调幅（AM）信号、模拟调频（FM）信号、二进制ASK、PSK、FSK信号。其中：AM信号的调制度可以10%步进调节，FM信号最大频偏可以在5KHz/10KHz之间选择。1引言正弦信号应用极为广泛，通常作为标准信号，用于电子学性能实验及参数测量，故要求正弦波信号发生器输出波形具有较高的精度、稳定度及低失真度。产生正弦信号的方法很多，可以采用函数发生器MAX038或ICL8038集成芯片外接分立元件来实现，通过调节外接电容或电阻来设置输出信号频率。但输出信号受外部分立器件参数影响很大，且输出信号频率不能太高，同时无法实现频率步进调节。另外，采用FPGA+D/A可实现正弦信号发生器的设计，同时可实现频率步进调节，但当输出高频信号时，需要高速D/A来配合工作。本文采用直接数字合成（DDS）技术，采用专用集成芯片AD9834作为正弦波产生模块，由C8051F020作为控制器来完成整个系统的设计。实验结果显示：输出信号频率在1KHz至15MHz，且无明显失真，输出信号频率实现100Hz、1KHz、10KHz三级步进调节；在50欧姆电阻负载情况下，输出电压峰峰值在2.35V至10.45V之间；同时可实现模拟调幅信号（AM）、模拟调频信号（FM）、二进制幅移键控信号（ASK）、二进制频移键控信号（FSK）及二进制相移键控信号（PSK）的输出；AM信号的调制度以10%步进调节；FM信号最大频偏为5KHz/10KHz可选。2系统设计系统总体框图如图1所示。系统选取集成混合信号C8051F020单片机作为主控制器，通过键盘与显示控制芯片7279来接收功能选择、参数设置等信息，并将输出信号频率等信息实时送往数码管显示。同时，控制器将读取的按键信息转换成控制命令通过串行接口送给AD9834，由AD9834产生正弦信号、ASK、PSK、FSK及FM信号。而AM信号的产生则由输出的正弦信号与1KHz的带偏置正弦信号相乘来实现，通过调节直流分量来调节AM信号调制度。2.1正弦信号发生模块直接数字合成（DDS）技术具有输出信号精度高、变频速度快、输出信号连续、控制方便及性价比高等诸多优点，因而适用于高频、高精度正弦信号发生器的设计。本系统选取AD9834，其工作原理示意图如图2所示。它由频率字寄存器、相位字寄存器、相位累加器、加法器、正弦ROM表及DAC组成。在控制时钟信号作用下，累加器将与输出信号频率对应的频率字进行累加，然后与相位字相加以形成最终相位信息。正弦ROM表则将相位信息转化为幅值信息，然后由DAC生成正弦信号。输出信号频率精度主要由基准频率精度决定。为增大AD9834输出信号幅值，采用高频运放AD811进行信号放大。但考虑到输出信号幅值随频率增大而减小的不足，系统采用数控电位计X9C102来实现可变增益放大，即依据输出信号频率的不同来改变数控电位计的值，以改变增益[8]。可变增益放大器原理示意图如图3所示。图中：R1为数控电位计X9C102的等效电阻值。2.2PSK、FSK、ASK信号的产生AD9834有两个相位字寄存器PHASE0、PHASE1，可通过片外引脚PSELECT或片内控制寄存器相关位来选择PHASE0或PHASE1中的值作为输出信号的初始相位字。据此，向PHASE0和PHASE1分别写入0和π所对应的数值（000H和800H），由控制器C8051F020产生10kbps的二进制基带序列接到端口PSELECT上，输出端便可得到二进制PSK信号。同样，AD9834有两个频率字寄存器FREQ0、FREQ1，可通过片外引脚FSELECT或片内控制寄存器相关位来选择FREQ0、FREQ1中的值作为输出信号的频率字。向FREQ0和FREQ1分别写入两不同频率所对应的数值，并由控制器C8051F020产生10kbps的二进制基带序列接到端口FSELECT上，输出端便可得到二进制FSK信号。而ASK信号的生成方法与FSK的生成方法类似，唯一不同的是：须将一个频率字寄存器中写入0Hz所对应的数值。2.3模拟调频（FM）信号、模拟调幅（AM）信号的产生本模块用一个按键实现最大偏频为5KHz/10KHz二级程控的选择。用8038产生一个频率为1kHz、峰峰值为2V的正弦波作为调制信号，依据按键信息判断是5K偏频还是10K偏频，然后单片机F020的A/D采集调制信号，利用公式2把频率转换成数字量写入AD9834的频率字寄存器中，从而实现模拟调频。将8038产生的频率为1kHz的正弦信号作为调制信号，而控制器C8051F020的D/A模块产生直流信号，两信号通过加法电路形成有偏置的正弦调制信号。此信号与AD9834产生的正弦信号（载波）经乘法器AD534产生模拟调幅波。通过调节直流信号大小可以改变模拟调幅信号的调制度。2.4按键与显示模块该模块选用键盘显示管理芯片7279来实现。7279可以自动扫描按键阵列，并将按键信息存储。控制器可以通过串行接口读取按键信息，并可将要显示的信息送入7279，由7279自动完成数码管的扫描显示。这种设计既简化硬件连接，又便于软件处理。2.5系统软件设计系统软件设计的总体思想是：控制器读取键盘信息，如果是功能键按下，则根据功能选择执行相应的功能程序段；如果是调节键按下，则暂停信号输出，直至参数设置完毕后，再根据功能选择项输出相应信号。3测试结果对本系统最终结果进行了实验测定，结果如表1所示：4结论本文采用高性能混合信号C8051F020单片机和DDS芯片AD9834实现高频正弦信号发生器的设计，克服了传统方法中输出信号受外界元件参数影响的缺点，同时AD9834内部集成有高速A/D，可直接输出正弦信号，避免外接A/D，简化系统硬件结构，提高了系统稳定性；基于AD9834频率字及相位字可选的特点，外接部分电路即可产生AM、FM、ASK、PSK、FSK等调制信号；AD9834输出正弦信号精度高、稳定性好、输出信号连续、控制方便。将基于上述优点的信号发生器应用于工程实践中，可以提高系统性价比，创造良好的经济效益。同时，基于DDS技术的信号发生器将获得广泛的应用。