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1、2005年全国大学生电子设计大赛A 题：正弦信号发生器目录1. A组题1 .22. A组题2 .173. A组题3 .324. A组题4 . 415. A组题5：86正弦信号发生器 1华南理工大学电子与信息学院摘要这个正弦信号发生器利用最新的频率合成技术，实现了 1KHz30MHz 的正 弦波输出，频率步进可达到1Hz，可输出调制度可调的AM信号，5KHz、10KHz 最大频偏的 FM 信号， 100KHz 固定频率载波、码速 10kbps 的 PSK， ASK 信号。采用了超宽带、超低噪声的高速运放，提高了输出电压的幅度。整 个系统以 ADuC841 为控制中心，有很高的精确度和稳定度。双
2、CPU 结构，大 大增强了信息的处理能力；行列式键盘输入，大屏幕 LCD 输出，操作简便，人 机界面友好。AbstractThis sine wave generator, based on the DDS new technique, can generate a sine wave with a frequency ranging from 1KHz to 30MHz， which has a frequency step of 1Hz！ The system can also output an AM signal with an adjustable modulation index,
3、 an FM signal with a frequency deviation of 5kHz or 10kHz, controlled by the keyboard input. Meanwhile it has a function of outputting PSK or ASK signals, with a code rate of 10kps and 100KHz carrier. Applying the low noise, high speed ,wide pass band Op Amp, increases the output voltage amplitude.
4、The whole system has an ADuC841 as its controller center, which provides a high precision and stabilization. Two CPUs enhance the ability of processing. Matrix keyboard and large screen LCD display provide a friendly interface, which makes the operating more easy.一、方案设计与论证1.1 方案比较 本题目的要求是设计一个正弦信号发生器
5、，并且能够输出模拟幅度调制 (AM) 信号，模 拟频率调制 (FM) 信号，二进制 PSK、ASK 信号。综合各方面考虑，可以把这个系统分为几个子模块：信号源部分、控制处理部分、AM , FM , PSK, ASK信号的产生部分，输入输出用户接口和末级放大部分。本系统采用模块化制作，对各模块分析如下：（1）信号源部分信号源是这个系统的核心，它的成功与否，将直接影响到整个系统的性能。方案一：利用RC、LC网络产生振荡信号利用成熟的三点式晶体管振荡电路，可以通过改变电阻，电感，电容元件的参数，来 改变正弦振荡的频率。这种电路的特点是频率稳定性较好，并且很容易起振，电路简单。 但是如果要实现题目中要
6、求的1KHz至10MHz那么宽的频率范围，很难做到，或者实现起来系统体积太大，功耗很高，容易产生杂波，不易精确调节振荡频率。因此该方案在设计 之中不予考虑。方案二：利用压控振荡器 VCO产生振荡信号压控振荡器（又称为VCO或V/F转换电路）产生的波形的振荡频率与它的控制电压成正 比，因此，调节可变电阻或可变电容可以调节波形发生电路的振荡频率。利用集成运放可 以构成具有一定精度、线性较好的压控振荡器。并且，可以用数字电位器实现对电压的程 控。但是，开环 VCO的频率稳定度和频率精度较低，题目中的频率范围对于压控振荡器 来说太宽，很难实现，加之压控振荡器产生的信号频率稳定度也达不到题目的设计要求。
7、方案三：利用锁相环进（PLL）行间接频率合成这个方案是在方案二的基础上，用锁相环将VCO输出的频率锁定在所需的频率上。PLL使输出频率的稳定度和精度，接近参考振荡源（通常用晶振），如图1所示。如果只用一 个锁相环，频率肯定覆盖不了1KHz-10MHz的变化范围。因此可以考虑用多个PLL进行分段锁定。缺点是硬件复杂，增加了调试难度。因此也不采用这种方案。图1锁相环框图方案四：直接数字合成法（DDS）DDS或DDFS是 Direct Digital Frequency Synthesis 的简称，通常将此视为第三代频率 合成技术，它突破了前几种频率合成法的原理，从”相位”的概念出发进行频率合成。这
8、种方法不仅可以产生不同频率的正弦波，而且可以控制波形的初始相位，还可以用DDS方法产生任意波形（AWG）。禾U用专用的DDS芯片产生的信号频率准确，频率分辨率高，易于控制。而且，电路相对简单易行。综上所述，我们采用了最后一种方案作为信号源。（2）控制部分方案一：采取 FPGA或者CPLD控制近年来，可编程器件发展很快，在很多方面都得到了广泛的应用。采用大规模的可编 程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案，它具有体积小、改动灵活的特点。用 它们作为系统的“神经中枢”，可以采用VHDL或者Verilog语言来描述。但是一般来 说，复杂可编程逻辑器件 CPLD(Complex Programm
9、able Logic Device) 集成的门数目不会很 多。现场可编程门阵列 FPGA(Field Programmable Gate Array) 是新一代的可编程器件，但 是需要外部的配置芯片，否则断电后，保存在 RAM 中的程序会丢失。这个方案特别适用 于大型、高速、复杂系统的控制，但是本系统中，考虑到成本和制作难易程度，没有采用 这个方案。方案二：采取 MCS51 单片机作为控制中心MCS51 系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。可 以用汇编或者 C 语言进行开发。并且这种单片机的接口电路丰富。缺点是运行速度不够 快，12个时钟周期一条指令，如果用12M
10、Hz的晶振，执行一条指令最快也要1us。因此不适合高速的控制。方案三：采取 ADuC841 芯片作为主控ADuC841 是美国模拟器件公司 (ADI) 生产的内嵌 MCU 的高性能、多通道 12 位数据采 集系统芯片，它具有体积小、功耗低等诸多特点。它具有与8051 兼容的内核， 12 个中断源、2 个优先级、双数据指针、扩展的 11 位堆栈指针。每条指令一个时钟周期，最大的工 作时钟为 25MHz (5V 时)及 16MHz(3V 时)。用该芯片来控制 DDS ，可以完美地实现 系统的指标性能要求。同时考虑到，输入输出的接口需要较多的 I/O 口，而且这部分对单片机的速度要求不高， 所以在此
11、系统中，采取了双 CPU 结构，即利用 ADuC841 作为主控，用 AT89S52 作为输入 输出的控制，两个 CPU 通过串口进行通信。(3) AM、FM、PSK、ASK 信号产生部分a. 调幅(AM)信号的产生 调幅的方法有很多，使用的场合不同，产生调幅信号的方法也有很大的不同。实现调幅的方法大致分为低电平调幅和高电平调幅。其中低电平调幅又有平方律调幅，斩 波调幅，而高电平调幅又分集电极(阳极)调幅和基极 (控制栅极 )调幅。平方律调幅是载波和调制信号通过非线性器件之后，产生丰富的频率分量，其中含有所需的调幅波边频，这些 信号通过一个带通滤波器之后，把不需要的频率分量滤掉得到调幅波。斩波
12、调幅就是将调 制信号经过一个受载波控制的开关电路，再通过中心频率为载波频率的带通滤波器，得到 调幅波。这种电路原理简单，但实现起来有一的难度，因为对器件的要求很高，易引入干 扰。调试困难。用模拟乘法器实现调幅也是常用的方法。集成模拟乘法器构成的调制器线性失真小，包络 波形好，比用分立元件所构成的调制器稳定，而且实现起来也很方便，很容易控制，并且 很稳定。所以本系统采用这种方法。b. 调频(FM)信号的产生 产生调频信号的也有方法很多，归纳起来主要有两类：一是用调制信号直接控制载波的瞬 时频率直接调频；二是先将调制信号积分，然后对载波进行调相，结果得到调频波， 即由调相变调频间接调频。常用的调频
13、方法是变容二极管调频，实现起来也不困难， 但是要进一步提高灵敏度和精度，减少失真，实现数控，也不易于做到。 因为系统的正弦波发生器是基于 DDS 芯片的，所以可以充分利用硬件资源，根据调制信号 和载波信号，用程序控制 DDS 芯片直接输出调频信号，这样做的好处是电路简单，频偏的 改变只需要改变置入的频偏参数即可。经过我们在实验中的测试，发现这种方法的效果良好。c. 二进制 PSK、ASK 信号的产生在幅度键控中，载波幅度是随着调制信号而变化的。ASK( 幅度键控 )信号的产生，可以把二进制序列看作一个开关信号的序列，用这个开关信号对载波进行调制，就得到了ASK 信 号。二进制相移键控(PSK)
14、中，载波的相位随信号 1或0而改变，通常用相位 0和180来分 别表示1或0。相移键控信号的产生和 ASK类似，可以由两个初相位不同的 ASK信号相 加得到。在这个设计中，因为所采用的DDS芯片自带了 FSK、PSK、ASK的功能，所以只需要写程序控制DDS芯片，即可得到所需要的信号。从而节省了硬件开销，实现起来更加容易， 效果也好。(4) 末级放大电路部分系统的输出要求在频率范围内50,负载电阻上正弦信号输出电压的峰峰值为 6V，因此一定要在末级加上放大电路。方案一：用晶体管组成放大电路用分立的晶体管元件构成的放大电路，优点是灵敏度高、能承受的较大的功率、动态 范围广等，它们的通频带也较宽。
15、但是，分立元件组成的电路调试起来很困难，特别是在 高频段，而且容易引入噪声和失真。方案二：用运算放大器构成放大电路一个较好的解决方案是利用集成的运算放大器，但是一般的运放的频带都满足不了本 系统1KHz10MHz这么宽的范围。因此一定要采用低噪声，宽频带的高速运放。AD8099和AD8039具有高达1GHz的频带，用来作末级放大，则可达到题目提出的高指标。(5) 输入输出用户接口可以使用8255、8155扩展I/O 口，或者使用键盘数码管接口专用芯片，这种方案成本 较高。因为 AT89S52 “物美价廉”，功能强大，所以在这个设计中，利用它作用输入输出 设备的接口控制，采用了4X 4行列式键盘，大屏幕 LCD显示器。其中，LCD显示器和LED数码管相比，有其无法比拟的优点。LED数码管无论采用静态或者动态的方式扫描，都要占用很多的 CPU硬件和软件资源。LCD自带有锁存功能，只有当要改变显示内容的 时候才需要占用软件资源，“空闲”时处于锁存状态，可以和CPU断开了联系。1.2总体方案框图图2系统框图整个系统的框图如图2所示，其中左边虚线方框内所示的输入输出部分以 MCUI(AT89S52 单片机)为中心，右边虚线方框内所示为信号发生部分，以 MCUII(ADuC841)和 DDS 芯片(AD9958)为中心。二、原理分析和说明正弦波的产生1. DDS的原理
