正弦信号发生器

正弦信号发生器

摘要：本系统以MSP430和DDS为控制核心，由正弦信号发生模块、功率放大模块、频率调制（FM）、幅度调制（AM）模块、数字键控（ASK，PSK）模块以及测试信号发生模块组成。采用数控的方法控制DDS芯片AD9851产生1kHz～10MHz正弦信号；经滤波、放大和功放模块达到正弦信号输出电压幅度 =6V±1V 并具有一定的驱动能力的功能；产生载波信号可设定的AM、FM信号；二进制基带序列码由CPLD产生，在100KHz固定载波频率下进行数字键控，产生ASK，PSK 信号且二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号可自行产生。

关键词：DDS；宽频放大；模拟调频；模拟调幅。

一、方案比较与论证

1.方案论证与选择

（1）正弦信号产生部分

方案一：使用集成函数发生器芯片ICL8038。

ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将他作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。为了达到数控的目的，可用高精度DAC来输出电压以控制正弦波的频率。

方案二：锁相环频率合成器（PLL）

锁相环频率合成器（PLL）是常用的频率合成方法。锁相环由参考信号源、鉴相器、低通滤波器、压控振荡器几个部分组成。通过鉴相器获得输出的信号FO与输入信号Fi的相位差，经低通滤波器转换为相应的控制电压，控制VCO输出的信号频率，只有当输出信号与输入信号的频率于相位完全相等时，锁相环才达到稳定。如果在环路中加上分频系数可程控的分频器，即可获得频率程控的信号。由于输出信号的频率稳定度取决于参考振荡器信号fi ，参考信号fi 由晶振分频得到，晶振的稳定度相当高，因而该方案能获得频率稳定的信号。一般来说PLL的频率输出范围相当大，足以实现1kHz－10MHZ的正弦输出。如果fi＝100Hz 只要分频系数足够精细（能够以1步进），频率100Hz步进就可以实现。

方案三：直接数字频率合成（DDS）

DDS是一种纯数字化方法。它现将所需正弦波一个周期的离散样点的幅值数字量存入ROM中，然后按一定的地址间隔（相位增量）读出，并经DA转换器形成模拟正弦信号，再经低通滤波器得到质量较好的正弦信号，DDS原理图如图1所示：

图1 DDS原理图

方案一不能实现稳定频率信号的输出并且难于数字控制。电容、电阻参数随温度等其他因素的影响，频率稳定度以及电路的稳定度都较低，实现也较复杂，不予采纳。PLL方案和DDS方案都能实现1kHz～10MHz的稳定的信号输出，且能达到100Hz频率步进，但是PLL的动态特性却很差，在频率改变时，环路从不稳定到稳定的过程有时间延迟。相比较而言，DDS的频率输出范围一般低于PLL，且杂散也大于PLL方案，但DDS信号源具有输出频率稳定度高、精度更高、分辨率更高且易于程控等优点，且频率改变不存在失调过程，尽管有杂散干扰，只需在输出级加滤波器仍可以得到质量很好的正弦波形。综上所述，选择方案三。（2）放大输出电压

方案一：采用高频三极管做功率放大。选择恰当的电阻和电容来实现符合题目要求的放大倍数。但是使用三极管放大时，信号放大的稳定性不高，很难满足题目的要求。故不采用。

方案二：采用宽频运算放大器做前级电压放大，AD8011可以达到120M的带宽，而且频率稳定性好。

故本设计中采用了方案二。

（3）产生二进制信号的ASK、PSK

方案一：ASK的实现：数字基带序列和载波输入相乘实现（PSK也可通过此方法实现）。

方案二：模拟开关实现。ASK、PSK是数字调制技术，可采用的模拟开关来实现。将模拟地线和载波分别接到模拟开关的两个输入端，用数字基带序列控制模拟开关的切换，即可以得到ASK信号。同样的道理，将载波及其倒π相信号分别通入模拟开关的两个输入端，用数字基带序列控制模拟开关的切换，可以得到PSK信号。考虑到载波频率为100kHz，需要较高速的模拟开关。

方案三：通过单片机控制，输入DDS中实现，该方法没有外围设备，实现方式较为稳定

综上所述，选择方案三。

（4）FM调频电路

方案一：使用变容二极管直接调频。变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的一种二极管。加反向偏压时，变容二极管呈现一

个较大的结电容。变容二极管要并接在产生中心频率振荡的选频网络的两端，并加上调制信号，使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变，从而达到调频作用。但是本方案会使电路产生的频偏不稳定，容易产生中心频率偏移。

方案二：采用锁相环进行调制，采用锁相环路调频，能够达到中心频率高度稳定的调频信号。由于锁相环能跟踪并锁定中心频率。从而使中心频率有足够高的稳定度。而调制信号就加在VCO（压控振荡器）的输入端，从而使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变。本方案比较直观，而且中心频率和频偏都比较准确，但是电路复杂，故不采用。

方案三：MSP430单片机可先将调制信号离散化，当采集完一个周期（1ms）的数据后，计算出每相邻两个抽样点的偏移量，这样就可以根据偏移量控制改变DDS的输出频率，从而达到调频效果，而且硬件设计简单。

综上所述，本设计选择方案三。

（5）AM调幅电路

方案一：采用单二极管开关状态调幅电路,使二极管近似处于一种理想的开关状态下,在两个不同频率电压作用下进行频率交换。

方案二：采用二极管平衡调幅电路,它是利用二极管的开关状态和平衡抵消的措施,经调幅后通过带通滤波器就可以得到调幅信号。前面两种方案电路实现比较复杂,而且由于采用分立元件，稳定性比较差，调试困难。

方案三：采用模拟乘法器调幅电路，它是一种完成两个模拟信号相乘作用的电路，起到频率搬移的作用，若采用专门的模拟乘法器芯片，电路实现简单，稳定性比较好，功能实现容易，符合题目要求。

基于此，本系统采用方案三，选用集成乘法器AD835实现AM的模拟调幅。

2.系统方案描述

本系统以MSP430单片机为核心，由DDS产生个功能所需的正弦波信号，系统的总体框图如图2所示。

图2 系统的总体框图