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本系统以单片机和FPGA为控制核心,实现了一种基于DDS集成芯片AD9954的正弦信号发生器。正弦信号输出频率为1KHz~40MHz,频率稳定度优于10-6,频率步进为100Hz。经过可控增益放大、后级功率放大等模块,在50Ω 电阻负载上,正弦信号的幅度在全频带内能够稳幅在6V±0.1V内,在中频区信号幅度能够在0~8V范围内任意调节。本系统还实现了AM、FM、2ASK、2FSK和2PSK等多种调制信号。其中FM信号最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节;AM信号调制度ma以步进量10%可在10%~100%内程控调节。本系统采取了各种抗干扰措施,工作性能稳定,人机交互界面友好。
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基于 AD9954 的正弦信号发生器
李刚 唐晓庆 廖艳闺
摘要:本系统以单片机和 FPGA 为控制核心,实现了一种基于 DDS 集成芯片
AD9954 的正弦信号发生器。正弦信号输出频率为 1KHz~40MHz,频率稳定度
优于 10
-6
,频率步进为 100Hz。经过可控增益放大、后级功率放大等模块,在
50Ω 电阻负载上,正弦信号的幅度在全频带内能够稳幅在 6V±0.1V 内,在中频
区 信 号 幅 度 能 够 在 0~8V 范 围 内 任 意 调 节 。 本 系 统 还 实 现 了
AM、FM、2ASK、2FSK 和 2PSK 等多种调制信号。其中 FM 信号最大频偏可
分为 5kHz/10kHz 二级程控调节;AM 信号调制度 m
a
以步进量 10%可在 10%~
100%内程控调节。本系统采取了各种抗干扰措施,工作性能稳定,人机交互界
面友好。
关键词:信号发生器 AD9954 可控增益 调制
1 方案论证
1.1 信号发生器方案
方案一:采用 FPGA 自制 DDS 信号源。在 FPGA 中采用 Verilog HDL 硬件描述
语言生成自制 DDS 信号源。DDS 基于相位累加合成技术,在数字频率中实现频
率合成,可以输出高精度与高纯度的频率信号,信号相位、频率和幅度都可以
实现程控。
方案二:采用 DDS 集成芯片 AD9954。AD9954 是美国 AD 公司采用先进的
DDS 技术生产的高集成度频率合成器,其 内部集成了 14 位高速、高性能
DAC,内置 400MHz 时钟,最高可产生 160MHz 的模拟正弦信号,利用内置的
1024×32 静态 RAM 可以实现高速调制,还可自动线性和非线性扫频。
利用 FPGA 自制 DDS 信号源产生信号的频率会受到 DAC 的转换速率的限
制,即使有高速 DAC 转换芯片,但数据线上的高速数据转换会带来很大的噪声,
所以不采用方案一。AD9954 完全能够输出满足题目要求的正弦信号,因此采
用方案二。
1.2 功率放大方案
方案一:采用乙类推挽放大器。乙类推挽功率放大电路由功率对管搭建而成。
在输入信号的一个周期内,两管半周期轮流导通,减小了单个管子的静态损耗,
具有较高的输出功率与效率。同时由于电路的对称性,可以在输出负载端得到
完整的双极性波形。但是较难将电路调试到完全对称,电路参数不易设计。
方案二:采用宽带、高摆率的集成电路芯片。使用集成电路芯片高频放大电路
的优点,就是使用元件少、使用简单、使用方便,可靠度高,与用分离元件安
装构成的放大器相比,性能更高更稳定。综合上述分析,我们采用方案二。
1.3 FM 调制方案
方案一:变容二极管直接调频法。用调制信号电压改变变容二极管的结电容的
大小来直接控制 LC 振荡器的振荡频率,使其不失真地反映调制信号的变化规
律。变容二极管直接调电路的优点是电路简单,工作频率高,容易获得较大的
频偏。其缺点是容易产生非线性失真、中心频率容易偏移、中心频率稳定度不
高。通常可以采用锁相环路进行稳频,但会增加硬件的复杂度。
方案二:数字方式调频法。基于 FM 原理,根据调频信号变化的规律采用数字
方式控制 DDS 正弦波发生器的频率控制字,直接作用于输出波形的频率值,即
实现了对信号源的频率的调制。该方式下,DDS 调制信号输出波形频率与调制
信号频率控制字成正比,而载波信号频率控制字又随调制信号成正比例变化,
这样就以 DDS 核心用全数字的方式产生了模拟频率调制信号,原理框图如图 1
所示。
图 1 FM 信号生成原理电路
综上所述,我们采用方案二。我们有 DDS 集成芯片 AD9954,通过单片机
控制载波信号的频率控制字,自制 DDS 的频率控制字控制频偏,即通过单片机
控制载波信号的频率控制字和最大频偏所对应频率的频率控制字,用两者相结
合共同生成 AD9954 的频率控制字,就可以实现 FM 调制信号。
2 系统总体方案
本系统采用 AD9954 生成 1KHz~40MHz 的正弦波。为了使频率纯净,做了
椭圆低通滤波器模块。通过可控增益放大模块和后级功放模块将正弦信号进行
调理。基于 AD9954 有几种扫频模式和快速跳频功能,FM 调制信号由 AD9954
产生。AM 调制度控制模块由 FPGA 实现,在 FPGA 自制 DDS 信号源输出作为
调制信号,AD9954 输出载波信号,通过模拟乘法器集成芯片 AD835 实现了
AM 调制。利用 FPGA 产生 100KHz 固定频率载波和 10Kbps 的二进制基带序列
码,使 2ASK 信号、2FSK 信号和 2PSK 信号全部在 FPGA 中实现。系统总体框
图如图 2 所示。
图 2 系统总体框图
3 理论分析
3.1 幅度调制(AM)
设幅度调制(AM)电路中调制信号为 ,载波
信号为 ,其中一般满足 。则调幅信号为
其中, 为比例
系数, 即 单 位调制信 号 所 引起 的 幅 度变 化 ; 为调制 信 号 的直 流 成 分;
为调幅信号的调制度,则可通过控制 或 的大小,即可方便
的实现调制度 以 10%的步进量在 10%~100%之间程控调节。
3.2 频率调制(FM)
设高频载波为 ,调制信号为 ,则调频波的
表达式为 。其中,
为比例常数,即单位调制信号电压引起的角频率变化; 为调频波
的调频指数; 为频移的幅度,称为最大角频偏。
3.3 二进制振幅键控(2ASK)
二进制的数字信号对载波振幅调制称为二进制振幅键控,即 2ASK。二进制
基带序列仅由符号 0、1 组成,0、1 随机出现且相互独立,设 0 出现的概率为
P,1 出现的概率为(1-P)。则 2ASK 信号可以表示为单极性矩形脉冲与正弦
载波信号相乘,表达式为 ,其中
为周期为 的矩形脉冲信号,而幅度 取值为:
4.5 二进制相移键控(2PSK)
二进制相移键控(2PSK)是用同一个载波的两个不同相位来表示数字信号,
常分为绝对调相(CPSK)和相对调相(DPSK)。
绝对调相即 CPSK,是用载波的不同相位直接传送数字信号的一种调试方式。
对于二进制而言,CPSK 一般用 π 代表符号 0 码,用 0 相位代表 1 码,它可以表
示为双极性矩形脉冲 与载波相乘,数字表示式为:
其中, , 为脉宽为 的单个矩形脉冲。
相对调相即 DPSK,是用载波相位的相对变化来传送数字信号,通常是将输
入的二进制信息进行逻辑运算,将其转换为二进制相对码,用相对码转换为相
应 的 绝 对 码 , 再 进 行 绝 对 调 相 。 绝 对 码 — 相 对 码 的 相 互 转 换 关 系 为 :
4 主要功能电路设计
4.1 AD9954 电路
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