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1、A 题 正弦信号发生器摘要本文介绍以 DDS 芯片 AD9851 为产生正弦信号的波信号核心，以单片机为主控制器，实现了从低频 100hz 到高频 10Mhz 宽频带的频率任意设定（亦可以设定步进为 10hz 或者 100hz 等可调） 、高精度（频稳度优于 10-5）的正弦信号发生器，输出电压幅度为 50 欧姆负载上输出幅度大于 1V。并且实现了产生从1Mhz10Mhz 范围内调制度 ma 可调的模拟幅度调制（ AM）信号，和把自行产生的 M 序列数字二进制基带信号调制成 100khz 固定频率载波二进制键控制的ASK 和 PSK。关键词DDS,PSK,ASK,模拟幅度调制（AM）信号，模拟
2、频率调制（FM）信号，正弦信号发生器，M 序列，多谐振荡器，模拟乘法器，可控增益宽带放大器，AD9851，AD603，MC1496AbsatractThis system is designed to generate sine wave generator. We use the DDS devise AD9851 as the systems core, the single chip 89S52 as the MCU of the system. This sine wave generator can generate sine wave from 100khz to 10Mhz wi
3、th a step 10hz or 100hz or 100khz, also, can generate AM analog signals, can generate ASK and PSK digital signal.KeywordDDS,PSK,ASK, sine wave generator, AM analog signals, LCD,MCU,DDS devise AD9851.1、 设计任务和要求设计制作一个正弦信号发生器。1.1 基本要求（1） 正弦波输出频率范围：1kHz10MHz；（2） 只有频率设置功能，频率步进：100Hz；（3） 输出信号频率稳定度：优于 10-4
4、；（4） 输出电压幅度：在 50 负载电阻上的电压峰-峰值 Vopp 1V；（5） 失真度：用示波器观察时无明显失真。1.2 发挥部分在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能：（1） 增加输出电压幅度：在频率范围内 50 负载电压上电阻上正弦信号输出电压的峰- 峰值 Vopp=6V1V；（2） 产生模拟幅度调制（AM）信号：在 1Mhz10Mhz 范围内调制度ma 可在 10100之间控制调节，步进量 10，正弦调制信号频率为 1kHz,调制信号自行产生；（3） 产生模拟频率调制（FM）信号：在 100kHz10MHz 频率范围内产生 10kHz 最大频偏，且最大频偏可分为 5kHz/10kH
5、z 二级控制程序调节，正弦调制信号频率为 1kHz,调制信号自行产生；（4） 产生二进制 PSK、 ASK 信号：在 100kHz 固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为 10kbps，二进制基带序列信号自行产生；（5） 其他。2、 任务分析及方案论证2.1 正弦信号发生器的核心部分方案的论证和选择方案 1：采用传统的分立元件的方法，采用 RC 或 LC 正弦振荡电路，这种方法电路简单，成本低，但是这种方法难以实现步进达到 100hz 或者更高，并且难以兼顾频率跟得上 10Mhz。方案 2：采用锁相环频率合成技术，将压控振荡的 VCO 的输出频率锁定在所需的频率之上，次方案具有
6、很好的窄带跟踪性，可以较好的选择所需的频率，抑制杂散得分量，其基本模型如图 1 所示。然而锁相环本身是一个惰性的环节，锁相时间长，频率串换时间长，并且模拟产生的正弦波，频率和相位难以控制。方案 3：采用直接数字频率合成技术产生所需的正弦信号（DDS） 。本想着自己做一个 DDS 信号发生器的，但是要达到题目的基本要求上到 10Mhz 并且要完成发挥部分的要求，我们采用 AD 公司的高集成度电路 DDS 电路的器件AD9851，它包含高速、高想能 10 位 D/A 转换器及高速比较器，可作为全数字编程控制的频率合成器来产生所需的正弦波，外接精密时钟源时，AD9851 可以产生一个频谱纯净、频率和
7、相位都可以编程控制且稳定性很好的模拟正弦波，这个正弦波能够直接作为基准信号源。9851 内含 6 倍参考时钟被乘器，可避免对外部高速参考时钟振荡器的需要，减小由于外部频率过高而可能产生的相位噪声；其频带宽，正常输出工作频率范围为 072Mhz；频率分辨率高，其创新式高速 DDS 码可接受 32 位调频字，使得它在 180Mhz 系统时钟下输出频率的江都可达 0.04Hz，完全达到了题目要求的输出信号频率稳定度由于 10-4 的要求；相位可调。可接收来自单片机的 5 位相控制字，产生二进制 PSK，作出题目要求的发挥部分的第四点。另外我们认真查阅 AD 公司的 AD9851 的DATASHEET
8、 还发现，此此芯片可以有时能控制端，可以用程序来控制是否输出，这样可以进行 ASK，完成题目发挥部分的第五点。我们采用方案 3.2.2 幅度放大方案的论证和选择由于从 DDS 芯片 AD9851 出来的整形波的 Vpp 达不到 1V，题目的基本要求部分要求 Vpp1V,且题目发挥部分要求增加输出电压幅度；在频率范围内50 负载电阻上正弦信号输出电压的峰峰值 Vopp=61V，由于要求产生的信号频率比较高，要求从 1Khz 达到 10Mhz，带宽很大，并且要求在此段范围内都要求输出电压的峰峰值 Vopp=6V1V。方案 1：采用高速运放进行放大，由于 dds 芯片 9851 产生的信号经过后面的
9、 7 阶的椭圆滤波器之后的幅频特性的影响，产生的正弦信号会随着频率的上升而下降，如果采用固定的增益的话，在整个频率范围内达不到在 6V1V 之内。方案 2：由固定增益运放之后采用数字的电位器进行程控的分压，但是发现这种方法的频率响应跟不上，在低频内还可以使用，但是到了 Mhz 以上就不能工作了。方案 3：使用程控增益宽带放大器 AD603，此芯片内部由 R-2R 梯形电阻网络和固定增益放大器构成，加在其梯形网络输入端的信号经衰减后，由固定增益放大器输出，衰减量是由加在增益控制接口的参考电压决定；而这个参考电压可通过单片机进行运算并控制 D/A 芯片或者数字电位器输出控制电压得来，从而实现较精确
10、的数控。此外 AD603 能提供由直流到 30Mhz 以上的工作带宽，单级实际工作时可提供超过 20db 的增益（此芯片的资料可以狭隘相关的datasheet 查阅） 。用这个方法我们可以只用一级放大，通过幅频补偿的方法来进行程控放大，来达到在 1khz 到 10M 范围内输出幅度在 6V1V。我们选用方案 3 来实现发挥部分的幅度要求。3、 系统设计3.1 系统设计总思路根据题目要求，我们经过认真分析，并且考虑各种因素，我们制定出了总体的方案。如图 1 所示，基本部分的正弦信号的产生我们采用 AD9851 芯片作为核心，采用单片机 89S52 作为主控制，采用 4 4 的键盘和液晶显示器作为
11、人机交换的硬件，实现频率的步进可调，还有任意频率的输入，采用 mc1496和可控数字电位器来进行发挥部分的模拟幅度调制（AM）信号的产生，用编程的方法用单片机来控制 AD9851 来进行发挥部分的二进制的 ASK 和 PSK。其总得系统框图如图 2 所示：3.2 系统的理论分析和实际设计基本要求部分3.2.1 高精度正弦波信号产生模块近年间，直接数字频率合成器（Direct Digital Frequency Synthesis 简称 DDS或 DDFS）得到了飞速的发展，它以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率
12、高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其它多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。（1） DDS 基本原理及性能特点DDS 的基本原理是利用采样定理，通过查表法产生波形。DDS 的结构有很多种，其基本的电路原理可用图 3 来表示。图 3 DDS 基本原理相位累加器由 N 位加法器与 N 位累加器级联构成。每来一个时钟脉冲 fs，加法器将频率控制字 k 与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送至累加寄存器的数据输入器，累加寄存器将加法器在上一个时钟脉冲作用后所产生的新相位数据反馈到加法器的输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。
13、这样，相位累加器在时钟脉冲输入时，把频率控制字累加一次，相位累加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的溢出频率就是 DDDS 输出的信号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器（ROM）的相位取样地址，这样可把存储在波形存储器内的波形抽样值（二进制编码）经查找表查出，完成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到 D/A 转换器，D/A 转换器将数字量形式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。DDS 在相对带宽、频率转换时间、高分辨力、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所达到
14、的水平，为系统提供了优于模拟信号源的性能。DDS 技术的特点：（1） 输出频率相对带宽较宽输出频率带宽为 50%fs（理论值） 。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到 40%fs。（2） 频率转换时间短DDS 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得 DDS 的频率转换时间极短。事实上，在 DDS 的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照新的相位增加累加，才能实现频率的转换。因此，频率转换的时间等于频率控制字的传输时间，也就是一个时钟周期的时间。时钟频越高，转换世家越短。DDS 的频率转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法
15、都要短数个数量级。（3） 频率分辨率极高若时钟 fs 的频率不变， DDS 的频率分辨率就由相位累加器的位数 N 决定。只要增加相位累加器的位数 N 即可获得任意小的频率分辨率，目前，大多数 DDS 的分辨率在 1Hz 数量级，许多小于 1mHz 甚至更小。（4） 相位变化连续改变 DDS 输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。（5） 输出波形的灵活性只要在 DDS 内部加上相应控制如调频控制 FM、调相控制 PM 和调幅控制 AM，既可以方便灵活的事现调频、调相和调幅功能，产生FSK、PSK、
16、ASK 和 MSK 等信号。另外，只要在 DDS 的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当 DDS 的波形存储器分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。（6） 其他优点由于 DDS 中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、重量轻、可靠性高、且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。我们原本是计划自行设计的一个 DDS 信号发生器的，但是考虑到题目要求高，并且要达到的要求有比较大的难度，特别是后面发挥部分的要求，为了能在这 4 天 3 夜的时间里面尽量完成题目的要求，我们选择了使用的 DDS 芯片 AD9851 来作为我们设计的核心。3.2.2 AD9851 的构图它主要包括相位寄存器，相位全加器、D/A 转换器，相位寄存器和相位全加器构成相位累加器。AD9851 内部的控制字寄存器首先寄存来自外部的频率、相位控制字，相位累加器接收来自控制字寄存器的数据后决定最终输出信号频率和相位的范围和精度，经过内部 D/
