正弦信号发生器实验报告书

正弦信号发生器

摘要：本系统由FPGA，单片机控制模块，键盘，DAC输出电路构成。用单片FPGA实现了DDS，产生稳幅正弦波，并通过控制查询不同的ROM 表或输入信号和调制信号相乘等方案，在数字域实现了AM，ASK，FSK等三类调制信号。单片机控制输出控制字和三类调制信号的选择。正弦波输出频率范围在1KHz~10MHz之间，输出频率符合基本要求，输出电压幅度再接50Ώ负载电阻后峰峰值满足也基本要求，最后输出波形在示波器显示无明显失真。整个电路结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展性强。

一、方案论证与比较

根据题目要求，基本部分主要输出稳定的正弦信号，而发挥部分则要实现调制信号的输出。

1. 正弦信号输出方案

方案一：采用专用信号发生器。MAX038是美信公司的低失真单片信号发生器集成电路，内部电路完善。使用该芯片，设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形信号，但频率精确度和稳定度都难以达到要求。

方案二：采用直接数字合成（Direct Digital Synthesizer）方案。DDS 的原理框图如图1。

累加器相位寄

存器

加法器正弦ROM

时钟源

DAC

频率控

制字

图1 DDS的原理框图

DDS是一项关键的数字化技术。DDS是直接数字式频率合成器（Direct Digital Synthesizer）的英文缩写。与传统的频率合成器相比，DDS技术频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、相位可控、输出信号无电流脉冲叠加、输出可平稳过渡且相位可保持连续变化等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。它从”相位”的概念出发进行频率合成，这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)。

方案论证：从题目要求来看，上述两种方案都可以满足题目合成频率范围的要求，但信号发生器产生的频率稳定度、精确度都不如 DDS合成的频率；另一方面，DDS较信号发生器更容易精确控制，所以我们选择 DDS方案进行频率合成。

2. 信号调制模块

a. ASK（OOK）信号合成

方案一：两路信号同时输入，一路是输入信号，另一路为接地，通过选择信号的选择，输出ASK（OOK）。原理框图见图2。

输入

信号

ASK

signal

图2 ASK调制信号输出

方案二：调制信号和载波信号通过乘法器，输出ASK信号。

载波信号ASK

调制

信号

图3 乘法器相乘输出ASK信号

调制信号波形：图

载波信号波形：图

理论输出ASK波形：图

方案论证：从两种方法看，都可以实现ASK的信号输出，但利用乘法器直接相乘输出较通过选择开关来输出更为简洁，方便。所以我们通过使用一个乘法器选择输出一个ASK信号。

b. PSK信号合成

方案一：调制信号和载波信号通过乘法器，输出PSK信号。

载波信号PSK

码形变换

signal

NRZ

BNRZ

图7 PSK 调制信号输出（方案一）

方案二：两路信号同时输入，一路是正弦输入信号，另一路为反向输入信号，通过选择信号的选择，输出PSK 。原理框图见图8。

正弦输入信号PSK

signal

反向输入信号

图8 PSK 调制信号输出

方案论证：方案一中调制信号需要通过码型变换，过程较方案二直接选择载波信号和反向正弦载波信号的输出复杂，直接选择输出只要建立两个ROM 表，就可以选择输出PSK 。所以我们通过一个选择开关输出PSK 波形。

c. AM 信号合成

方案一：通过不同的时钟查询不同的ROM ，输出两路不同频率的正弦信号取高10 位加上A/2，也就是加上512，然后加上第三个ROM 表中的输出信号，得到所需要的AM 信号。原理框图如图9

ROM1

ROM2

高10位+512

ROM3

AM

乘以B

CLK

CLK

图9 AM 调制信号（方案一）

方案二：通过DDS 的生成的频率可控正弦载波信号减去512后与减去512后调制信号通过乘法器相乘，输出信号除以2，其中高10位加上512与低10位信号相加即可得到AM 输出信号。

低10位除以2

ROM

两路信号相加

DDS

高10位除以2

1M~10M

CLK

-512

-512

+512

AM

图10 AM 调制信号（方案二）

注：因为最后通过DA 输出必须要无符号数，加上512起到了抬高波形的作用。

方案论证：从题目要求看，两种方案都可以实现AM 波形的输出，但是第1种方案需要重新建立ROM 表，占用资源。第2种方案可以利用原先建立好的DDS 直接合成输入信号，节约资源，节省空间 。所以我们选用第二种方案实现AM 信号输出。

3. 信号调制模块

方案一：采用 AD 公司的 DDS 专用芯片 AD9851合成

AM 的载波，采用传统的模拟调制方式来实现 AM 调制。但这种方案的缺点是需要额外的模拟调制AM 调制的电路，且模拟调制电路难免引入一定的干扰，而且此方案中 PSK 的调制也不好实现。

方案二：采用 AD9851合成 AM 的载波，将 AM 调制信号离散化形成数字信号，使AM 调制的频率偏移通过改变 AD9851的频率字来实现。这种设计方案减少了AM 调制过程中引入的干扰，也大大简化了AM 调制电路的设计。但是 AM 调制还是需要模拟乘法器，而 PSK 的调制也需要额外的电路。

方案三：采用 AD 公司的 AD9856作为调制芯片。AD9856是内含DDS 的正交调制芯片，可以实现多进制的数字幅度调制，多进制的数字相位制和和多进制的数字幅度相位联合调制。AM ，PSK 和 ASK 调制都可以通过它实现。但是 AD9856不便于调频，且控制复杂。

方案四：采用 FPGA ＋DAC 来实现 DDS 。这样通过 FPGA 在数字域实现频率合成然后通过 DAC 形成信号波形。由于信号都是由 FPGA 在数字域进行处理，可以很方便的将 AM 等调制在数字域实现。所有调制电路的功能都由 FPGA 片内的数字逻辑电路来实现，整个系统的电路设计大为简化，同时由于数字调制避免了模拟调制带来的误差和干扰，大大提高了调制的性能，而且硬件电路设计的软件化，使得电路设计的升级改进工作大为简化。

方案论证：上述方案中，方案四的电路最为精简，调制性能也最好。通过此种方法已经达到了本题发挥部分的指标要求，所以选择方案四来实现信号的制。

二. 系统总体设计