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正弦信号发生器
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本科阶段的信号发生器,从原理分析、原理图设计到最后的实现
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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
1Mhz~10Mhz 范围内调制度 m
a
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,MC1496
Absatract
This system is designed to generate sine wave generator. We use the DDS devise AD9851 as
the system’s core, the single chip 89S52 as the MCU of the system. This sine wave generator can
generate sine wave from 100khz to 10Mhz with a step 10hz or 100hz or 100khz, also, can
generate AM analog signals, can generate ASK and PSK digital signal.
Keyword
DDS,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:1kHz~10MHz;
(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) 输出电压幅度:在 50Ω 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 50Ω 负载电压上电阻上正弦信
号输出电压的峰-峰值 Vopp=6V±1V;
(2) 产生模拟幅度调制(AM)信号:在 1Mhz~10Mhz 范围内调制度
ma 可在 10%~100%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 100kHz~10MHz 频率范围内
产生 10kHz 最大频偏,且最大频偏可分为 5kHz/10kHz 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;
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(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 0~72Mhz;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
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 Vpp≥1V,且题目发挥部分要求增加输出电压幅度;在频率范围内
50Ω 负载电阻上正弦信号输出电压的峰峰值 Vopp=6±1V,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=6V±1V。
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 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
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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 6V±1V
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 6V±1V。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:
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