正弦信号发生器方案

总体方案构思唐正宗、刘飞、董必陈基本功能○1○2唐正宗、刘飞扩展功能○2刘飞、陈庆庆扩展功能○3董必陈、吴河飞扩展功能○3董玉东摘要本系统基于DDS信号源的工作原理，以单片机和FPGA为控制中心，采用DDS集成芯片AD9851实现了在30MHz至12MHz频率范围内正弦信号的无失真输出，扩展了AM、FM、ASK、FSK、PSK等多种调制功能，输出级采用乙类推挽功率放大器电路以提高系统的负载能力，50欧姆负载下输出峰—峰值0~6V可调。一方案论证与选择1.题目要求以指标分析根据题目要求，所设计的系统应可以输出较宽频带且频率稳定度足够高的正弦信号，并具有一定的负载能力，同时可输出指标满足要求的AM、FM、ASK、FSK信号。综合题目指标要求及相关分析，得到该系统的功能框图。本系统的设计细分为以下几个部分：频率合成模块、AGC模块、幅度控制模块、功率放大模块、调制模块及人机交互模块。2.方案比较（1）频率合成模块方案一：选用单片压控函数发生器MAX038.若将MAX038输出设置在正弦波模式下，只需要很少的外部原件，就可以输出高频特性较好、频率范围较宽的正弦波。但由于其为压控型芯片，产生信号的频率稳定性差、精度低、抗干扰能力不强、灵活性差。方案二：锁相式频率合成方案该方案可产生频率精度较高的正弦波信号，可在一定程度上解决既要频率稳定度高、又要频率在较大范围内可变的矛盾，但频率受VCO可变频率范围的影响。高低频率比不可能很高，难以实现1kHz至10MHz宽频带及步进100Hz的要求。波形发生模块功放模块键盘显示调制模块单片机及FPGA控制模块FPGA晶振N分频鉴相器低通滤波器VCO方案三、采用基于单片机和ＦＰＧＡ的ＤＤＳ技术由于时钟频率可D＼A转换速率的限制，此方案不使输出信号实现很高的频率，难以达到题目1kHz至10kHz的宽频带要求。方案四、选用DDS集成芯片实现AD９８５１是AD公司提出的高集成度单片DDS芯片，内部有一个32b的相位累加器、10b高性能D\A转换器和一个高速比较器，可以实现全数字频率合成以及时钟发生功能。选用AD9851作为本系统的核心频率合成模块完全可满足题目要求，实现输出信号在1kHz至10MHz频段可调，频率稳定度优于10exp-4，以及步进100Hz的指标，故频率合成模块选用方案四。(2)AGC模块为了保证输出幅度的稳定性，在频率合成滤波之后要使用自动增益控制（ＡＧＣ）电路。方案一：选用场效应管和运算放大器来实现。此电路结构简单、原件少、易于实现，但稳定性差，难以达到题目要求。方案二：选用集成芯片AD603实现AD603是一种低噪声的压控放大器，可以提供精确的、线性的对数增益控制，故选用此方案设计AGC模块。(3)幅度控制模块为了使输出峰-峰值在0~6V线性连续可调，需要设计幅度控制模块。方案一：采用运算放大器和数字电位器组成的程控放大电路来实现。由于数字电位器阶数有限，故不可能做到幅度连续可调。方案二：采用以AD603为核心芯片的电压控制幅度模块AD603是一种低噪声的压控放大器，可以提供精确的、线性的对数增益控制，我们只需要精确控制AD603的控制电压，就可以实现对输出信号的精确控制。控制电压由12位高精度串行DA转换器MAX536输出，故可实现近似的连续可调。所以选用此方案设计幅度控制模块。（5）调制部分题目发挥部分要求所设计的正弦信号发生器可产生AM信号、FM信号以及二进制PSK、ASK信号。对于AM信号，本系统采用常规的双平衡四象限模拟乘法器MC1496实现；对于二进制PSK、ASK、FSK信号，采用二进制键控的形式实现。题目要求对1kHz的正弦信号进行ＦＭ调制，则只需在ＲＡＭ中存储正弦数据表，直接读出进行调制即可。可编程分频器相位累加器波形存储器D/A转换器滤波器参考频率频率控制字波形输出３．系统总体实现方案采用集成DDS芯片AD9851作为波形发生模块，产生所需要的正弦波，经过截止频率为20MHz的无源滤波器滤波，再经过以AD603为核心的AGC电路稳幅，然后经过以AD603和MAX536为核心的幅度控制模块，最后经过乙类功放输出，由此即完成基本的波形输出要求。采用DDS技术实现1kHz和100kHz正弦信号输出，用于各种信号调制。二、理论分析与计算1.DDS原理根据DDS芯片AD9851的工作原理，若累加器时钟为Fc,累加器位数为N,累加器值为FN，频率控制字的位数为FM，外部参考时钟频率为20MHz，经内部6倍频后，可得到AD9851内部工作频率120MHz，最终合成信号的频率可由式A-1决定，相位由式A-2决定。F=FM*FC/2^N=0.027FM(A-1)Θ=2∏FN/2^N=2∏FN/2^32(A-2)2.AD603的工作原理本系统AGC电路以及幅度控制电路中均采用了集成可变增益放大器AD603，现将其电路控制增益原理分析如下。AD603的对数增益为：Av=40Vg+10（A-3）其中，Vg为差分控制输入电压，由式A-3可以得出，对数增益与电压之间是线性关系。三、主要功能电路设计1.功能合成器模块如图A-5所示，在该模块中AD9851工作于并行模式下,通过8位数据总线D0~D7来完成全部40位控制数据的输入。复位信号RESET有效状态下，输入数据地址，指针指向第一个输入寄存器，W-CLK上升沿写入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器。连续5个W-CLK上升沿后，即完成40位控制数据的输入。当FQ-UD上升沿到来时，40位数据从输入寄存器锁存到频率和相位控制寄存器，从而更新DDS的输入频率和相位。2.低通滤波电路模块考虑到AD9851的输出信号中带有120μV直流偏置电压及高次谐波分量，本系统在AD9851输出端加入了隔直电容和20MHz低通滤波电路3.AGC模块鉴于滤波器自身的频率特性及输出信号均匀性的要求，本系统使用了自动增益控制电路。如图A-7所示，AGC电路由可控增益放大器AD603和晶体管对管2N3906、2N3904构建。AD603采用双电源供电方式，其控制范围为80dB可满足题目设计要求。后级恒流源在B点提供稳定的电流，且在B点由于电容C3与晶体管2N3904的分流及C3的充分放电作用，使得B点电压随着输入信号幅值的增大而减小，并反馈到增益控制端，改变AD603的增益从而实现了自动增益控制。经实验调制，该AGC电路在输入信号峰-峰值为100mV~6V的情况下，可实现300Hz~10MHz范围内稳定输出峰-峰值为1.9V的无失真正弦信号。4.幅度控制模块幅度控制模块用于控制输出信号的幅度，使输出正弦信号峰-峰值在0~6V连续可调。考虑到AD603的频带适应性，选用两级AD603级联的电路模式。其两路独立的控制电压由12位串行电压输出型DA转换芯片MAX536提供，如图A-8所示。5.功能放大模块在信号输出端增加功能放大模块，以保证该正弦信号发生器的负载能力满足题目要求。鉴于运算放大器AD811自身负载驱动能力的限制，本模块选用AD811配合高频功率对管2SD667(NPN型)2SD647（PNP型）搭配电压串联负反馈的同向放大器电路。如图A-9所示，前级由AD811组成同向放大器，放大倍数为Av=1+R3/R1；后级选用功率对管构成乙类功率推挽输出形式提供负载驱动电流。经实验测试，整个电路的输出阻抗小于15Ω，同频带大于10MHz，且带内平坦，通带内部平度小于0.1dB；空载时可对从DC到10MHz范围内，峰-峰值为20V的正弦信号无失真输出；输出端接50Ω负载时，无失真的最大输出电压峰-峰值达到10V，并且在峰-峰值为10V的输出状态下，频率大于2MHz仍无失真现象，以上各项指标均达到和超过了题目要求。6.幅度调整（AM模块）幅度调整的核心器件选用模拟乘法器MC1496，将载波信号和被调整信号相乘即可得到AM调幅波。通过改变被调制信号的偏置而达到改变调制度的效果。该直流偏置由MAX536提供，由单片机通过FPGA对其进行预置或改变。为了保证调幅波的频率纯净且无载波高次谐波分量，输入端接入15MHz无源滤波器。整个模块对电源做了相应的退耦处理。在滤波器输出端得到了效果较好的调幅波波形。具体电路如图A-10所示。7.频率调整（FM模块）本设计采用了数字FM调制的方法。实现框图如图A-11。具体控制思想为：单片机输入中心频率和最大频偏，然后启动数字FM，FPGA内部时钟单元将产生一个256kHz的时钟，用于累加8×256b正弦波表地址，得出相应正弦幅度量化值。此幅度一方面作为输出信号输出至外部DA的数据端口，用于恢复正弦信号；另一方面作为频率控制字的计算数据，根据相应公式计算出频率控制字。写时序控制器在时钟的作用下将生成的频率控制字写到DDS芯片AD9851内，从而产生一个频率与正弦信号幅度成比例的调幅信号。8.ASK、FSK、PSK控制模块根据ASK、FSK、PSK控制的原理，这几种数字键控调制都可以在FPGA内部通过修改DDS的参数来实现。由于实现起来较为容易，故仅给出实现框图.1kHZ正弦输出FM输出FM控制及时钟控制单元，单片机控制模块频率控制字计算8×256b正弦波表AD9851写时序控制D-A输出AD9851频率输出数字调频实现框图ＡＳＫ调制信号ＦＰＧＡ实现ＡＳＫ输出框图ＦＳＫ调制信号ＦＰＧＡ实现输出ＦＳＫ框图ＦＳＫ调制信号正弦波书数据流0x80基带序列码数据选择器D/A数模转换器数据选择器D/A数模转换频率字１正弦波表时钟控制相位累加器基带序列码频率字２ＤＤＳ相位累加器相位０数据选择器ＤＤＳ波形数据表Ｄ／Ａ数模转换ＦＳＫＦＳＫ实现ＦＳＫ输出相位１８０基带序列码