正弦信號(hào)發(fā)生器示列論文資料
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正弦信號(hào)發(fā)生器摘 要本系統(tǒng)采用AT89S51單片機(jī)為核心,輔以必要的模擬,數(shù)字電路,構(gòu)成了一個(gè)基于DDS技術(shù)的正弦波信號(hào)發(fā)生器。該軟件系統(tǒng)采用4*4鍵盤操作,以菜單形式進(jìn)行顯示,操作方便簡(jiǎn)單,軟件增加了許多功能。它通過啟動(dòng)DDS,把內(nèi)存緩存區(qū)的數(shù)據(jù)讀出送到DDS后輸出相應(yīng)的頻率,并把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為BCD碼,通過液晶顯示器進(jìn)行顯示。該系統(tǒng)體積小、穩(wěn)定度、精度極高,方便攜帶,適用于當(dāng)代的尖端的通信系統(tǒng)和精密的高精度儀器以及高頻無(wú)線傳輸系統(tǒng)等。關(guān)鍵詞:直接數(shù)字頻率合成(DDS)、AD9851、VCOSinusoidal Wave Signal GeneratorAbstract By using the AT89S51 as its core and combining the necessary analog and digital circuits, a sinusoidal wave signal generator is built based on the DDS technology. The software utilized in the system can be operated with a 4X4 keyboard, displayed in a menu and hence makes the system easy to use. Through booting up the DDS, reading the data from the buffer of the memory and transmitting them to DDS modules, a relevant frequency output combining the BCD code generated at the same time can be obtained and displayed on a LCD screen. The system is suitable for using in modern communications systems and high accuracy instruments with the aid of its small size, portability, stability and high accuracy. 一 方案比較與論證1 常見信號(hào)源制作方法方案 一 :采用模擬分立元件或單片壓控函數(shù)發(fā)生器MAX038,可產(chǎn)生正弦波,方波,三角波,通過調(diào)整外部元件可改變輸出頻率,但采用模擬器件由于分散性太大,即使使用單片函數(shù)發(fā)生器,參數(shù)也揶揄外部元件有關(guān),因而產(chǎn)生的頻率穩(wěn)定度較差,精度不高,抗干擾能力較低成本較高。方案 二 :采用鎖相式頻率合成方案,鎖相式頻率合成是將一個(gè)高穩(wěn)定度和高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過加減乘除的運(yùn)算產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精確度的 大量離散頻率的技術(shù),它在一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定精確,又要頻率在較大范圍內(nèi)可變的矛盾,但頻率受VCO可變頻率范圍響,高低頻率比不可能作得很高。方案 三:采用DDS,即直接數(shù)字頻率合成,其原理方框圖如圖1所示,它以有別于其它頻率合成方法的優(yōu)越性能和特點(diǎn)成為現(xiàn)代頻率合成技術(shù)中的佼佼者。具體體現(xiàn)在相對(duì)帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短、頻率分辨率高、輸出相位連續(xù)、可產(chǎn)生寬帶正交信號(hào)及其他多種調(diào)制信號(hào)、可編程和全數(shù)字化、控制靈活方便等方面,并具有極高的性價(jià)比,正因如此,我們采用方案三。 2調(diào)幅電路方案 一 用模擬乘法器MC1496實(shí)現(xiàn)調(diào)制信號(hào)對(duì)載波信號(hào)的幅度調(diào)制,由于輸出正弦波頻率非常高,根據(jù)我們的調(diào)試,從1K到1MHZ 得出的波形是很好,但從1MHZ至10MHZ時(shí)由于輸出幅度不夠,波形明顯失真。方案 二 用增益可變運(yùn)放AD603,其傳輸帶寬高達(dá)90MHZ,完全可以滿足輸出信號(hào)頻率的要求,因此,方案二是較理想的選擇。3調(diào)頻電路 方案 一 :D/A控制 此方案預(yù)先測(cè)試和計(jì)算好產(chǎn)生固定頻率所需的控制電壓,為方便控制將它量化存于ROM之中,在需要時(shí)利用單片機(jī)控制D/A轉(zhuǎn)換即可完成,此方案設(shè)計(jì)的是一個(gè)開環(huán)的系統(tǒng),他的穩(wěn)定性不好,且頻率步進(jìn)無(wú)法做得很小。方案 二 :壓控振蕩器壓控振蕩器的輸出頻率是隨著輸入電壓的改變而改變的,鑒于此,如果用調(diào)制信號(hào)來控制壓控振蕩器的輸入電壓,即可實(shí)現(xiàn)調(diào)頻。這樣顯然簡(jiǎn)單而容易控制,且精度較高。因此我們選擇方案 二。4顯示模塊方案一 采用普通LED 顯示,其優(yōu)點(diǎn)是操作方便,但顯示信息及功能少,且耗電量大。方案二 采用液晶(LCD)顯示,界面形象清晰,內(nèi)容豐富,可顯示復(fù)雜字符,易于和單片機(jī)接口,且耗電少,故優(yōu)先采用。5A/D轉(zhuǎn)換模塊方案一 用8位A/D轉(zhuǎn)換器ADC0809實(shí)現(xiàn)。方案二 用8位串行A/D轉(zhuǎn)換器TLC549實(shí)現(xiàn),()是公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、高性能的位轉(zhuǎn)換器,它以位開關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換,其轉(zhuǎn)換速度小于,它能方便地采用三線串行接口方式與各種微處理器連接,構(gòu)成各種廉價(jià)的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng),且讀寫TLC549比讀寫ADC0809簡(jiǎn)單,故我們選擇方案二。二 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)1總體設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用51單片機(jī)作為核心,控制DDS芯片AD9851產(chǎn)生頻率為1KHZ至10MHZ的正弦波系統(tǒng)框圖如圖1所示2模塊說明(1)用單片機(jī)控制AD9851產(chǎn)生頻率為1K至10MHZ的正弦波,自動(dòng)增益控制實(shí)現(xiàn)增益自動(dòng)調(diào)節(jié),當(dāng)輸出幅度過大或偏小時(shí),單片機(jī)通過檢波電路和A/D 采樣調(diào)節(jié)增益大小。放大級(jí)對(duì)已調(diào)信號(hào)進(jìn)行幅度放大,然后輸出至負(fù)載。(2)檢波電路對(duì)輸出信號(hào)采樣,經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換送給單片機(jī)處理。(3)顯示模塊對(duì)輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)顯示(4)單片機(jī)控制壓控振蕩器產(chǎn)生頻0率隨調(diào)制信號(hào)變化的信號(hào),并把已調(diào)信號(hào)送到AD9851,作為AD9851的時(shí)鐘頻率,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)載波信號(hào)的調(diào)頻。(5)模數(shù)轉(zhuǎn)換用8位串行A/DTLC549即可實(shí)現(xiàn)。(6)二進(jìn)制數(shù)字基帶信號(hào)用單片機(jī)直接產(chǎn)生,這種方式簡(jiǎn)便,快捷,而且穩(wěn)定度很好 圖13理論分析與參數(shù)計(jì)算(1)正弦信號(hào)發(fā)生器DDS是產(chǎn)生高精度、快速變換頻率、輸出波形失真小的優(yōu)先選用技術(shù)。DDS以穩(wěn)定度高的參考時(shí)鐘為參考源,通過精密的相位累加器和數(shù)字信號(hào)處理,通過高速D/A變換器產(chǎn)生所需的數(shù)字波形(通常是正弦波形),這個(gè)數(shù)字波經(jīng)過一個(gè)模擬濾波器后,得到最終的模擬信號(hào)波形。如圖2所示,通過高速DAC產(chǎn)生數(shù)字正弦數(shù)字波形,通過帶通濾波器后得到一個(gè)對(duì)應(yīng)的模擬正弦波信號(hào),最后該模擬正弦波與一門限進(jìn)行比較得到方波時(shí)鐘信號(hào)。DDS系統(tǒng)一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是在數(shù)字處理器的控制下能夠精確而快速地處理頻率和相位。除此之外,DDS的固有特性還包括:相當(dāng)好的頻率和相位分辨率(頻率的可控范圍達(dá)Hz級(jí),相位控制小于0.09),能夠進(jìn)行快速的信號(hào)變換(輸出DAC的轉(zhuǎn)換速率300百萬(wàn)次/秒)。這些特性使DDS在軍事雷達(dá)和通信系統(tǒng)中應(yīng)用日益廣泛。本系統(tǒng)采用了美國(guó)模擬器件公司采用先進(jìn)DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)生產(chǎn)的高集成度產(chǎn)品AD9851芯片。AD9851是在AD9850的基礎(chǔ)上,做了一些改進(jìn)以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相對(duì)于AD9850的內(nèi)部結(jié)構(gòu),只是多了一個(gè)6倍參考時(shí)鐘倍乘器,當(dāng)系統(tǒng)時(shí)鐘為180MHz時(shí),在參考時(shí)鐘輸入端,只需輸入30MHz的參考時(shí)鐘即可。如圖4(AD9851內(nèi)部結(jié)構(gòu))所示,AD9851是由數(shù)據(jù)輸入寄存器、頻率/相位寄存器、具有6倍參考時(shí)鐘倍乘器的DDS芯片、10位的模/數(shù)轉(zhuǎn)換器、內(nèi)部高速比較器這幾個(gè)部分組成。其中具有6倍參考時(shí)鐘倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函數(shù)功能查找表、D/A變換器以及低通濾波器集成到一起。這個(gè)高速DDS芯片時(shí)鐘頻率可達(dá)180MHz, 輸出頻率可達(dá)70 MHz,分辨率為0.04Hz。為了實(shí)現(xiàn)調(diào)頻,DDS的基準(zhǔn)信號(hào)源采用壓控振蕩器輸出的30 M頻率作為基準(zhǔn)信號(hào)源由于AD9851是貼片式的體積非常小,引腳排列比較密,焊接時(shí)必須小心,還要防靜電擊穿,焊接不好就很容易把芯片給燒壞。還有在使用中數(shù)據(jù)線、電源等接反或接錯(cuò)都很容易損壞芯片。所以在AD9851外圍采用了電源、輸入、輸出、數(shù)據(jù)線的保護(hù)電路。為了不受外界干擾,添加了不少的濾波電路,顯得整個(gè)電路更完美。詳細(xì)電路圖如圖2。圖2(2)壓控振蕩器MC1648有兩種基本型VCO的壓控特性,這里我們只采用其中一種第一種基本負(fù)阻集成LC VCO 電路如圖3 示,它僅用一只變?nèi)荻O管,并由芯片MC1648 外加諧振回路組成。MC1648 為集成射極耦合振蕩電路,具有負(fù)阻效應(yīng),輸出MECL 電平。 圖3 其詳細(xì)電路圖如圖4所示 圖4(3)自動(dòng)增益控制模塊 AD603 的原理框圖1 其原理圖如圖5 所示 圖5已調(diào)信號(hào)從1K至10MHZ變化,頻帶很寬,用一般的運(yùn)放不能滿足要求,AD603的頻帶寬度為0到90MHZ,完全能夠滿足要求,且為增益可變運(yùn)放,由于頻率高時(shí)信號(hào)衰減比較快,用AD603可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同頻率信號(hào)的放大倍數(shù)。其電路他圖6所示圖6 (5)正弦波調(diào)制信號(hào)采用NE555產(chǎn)生1KHZ的正弦波調(diào)制信號(hào),電路如圖7所示,其中AM和FM 都是用此電路產(chǎn)生調(diào)制信號(hào) 圖7(6)穩(wěn)幅輸出模塊峰值檢波器獲得輸出電壓的幅值,經(jīng)過A/D采樣后就得到輸出端當(dāng)前電壓的幅值,送回單片機(jī)與預(yù)設(shè)值相比就可以知道輸出下降的情況,從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)增益控制。(7)顯示模塊顯示電路是很重要的人機(jī)界面。在顯示電路中,我們沒有選擇普通的數(shù)碼管顯示,而是優(yōu)先采用了能夠顯示復(fù)雜字符的5 7 點(diǎn)陣液晶顯示器(1602)。此顯示界面分為上下兩行:提示字符“請(qǐng)輸入頻率:”下一行為頻率值顯示與數(shù)碼管相比,其優(yōu)點(diǎn)是:功耗低,顯示形象直觀,人機(jī)界面友好??刂撇糠郑烘I盤輸入經(jīng)單片機(jī)處理后控制AD9851的頻率輸出,達(dá)到智能控制目的。(8)按鍵電路采用4*4鍵盤,系統(tǒng)不停的對(duì)按鍵進(jìn)行掃描,當(dāng)有鍵按下時(shí),即轉(zhuǎn)去執(zhí)行相應(yīng)的程序。(九)A/D轉(zhuǎn)換模塊 其中 1和3腳為參考電壓,接電位器可以改變參考電壓,2腳為模擬信號(hào)輸入端,4腳為 接地端,5腳為片選,低電平有效,故接地,6,7,8分別為數(shù)據(jù)輸出端和時(shí)鐘輸入端及電源端。三 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件流圖如圖7所示,通過按鍵選擇所需要的頻率,操作簡(jiǎn)單快捷。 圖7四 系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)方案設(shè)計(jì)要求,調(diào)試過程公分三大部分,硬件調(diào)試,軟件調(diào)試,軟件和硬件聯(lián)調(diào)。電路按模塊逐個(gè)調(diào)試,各模塊調(diào)試通過后在聯(lián)調(diào)。程序先在最小系統(tǒng)板調(diào)試,通過后在軟硬聯(lián)調(diào)。1 硬件調(diào)試(1) 高頻電路抗干擾設(shè)計(jì) AD9851的時(shí)鐘頻率很高,對(duì)周圍的電路有一定的影響,我們采取了各種抗干擾措施。例如引線盡量短,減少交叉,盡量減少跳線,在電源輸入端都加上去藕電容,數(shù)字地與模擬地分開,信號(hào)源與地盡量隔遠(yuǎn),增大接地面積,這就要求設(shè)計(jì)電路時(shí)采取敷銅的方法,實(shí)踐證明,這些措施對(duì)消除某些引腳上的毛刺及干擾噪聲起到了很好的作用。(2) 由于輸出頻率很高,因此對(duì)運(yùn)放的帶寬有一定的要求,我們選擇了帶寬較大的AD811。2 軟件調(diào)試 本系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)采用C51寫,調(diào)試也是分模塊進(jìn)行,各個(gè)模塊調(diào)試通過函數(shù)里調(diào)用,這樣寫結(jié)構(gòu)明了,出錯(cuò)時(shí)容易查錯(cuò)。3 軟硬聯(lián)調(diào)按程序定義的各個(gè)口分別把線接好,然后把程序?qū)戇M(jìn)單片機(jī)控制各個(gè)模塊五 指標(biāo)測(cè)試1 測(cè)試儀器(1)示波器(2)萬(wàn)用表六 測(cè)試方法與結(jié)果分析(1)通過鍵盤輸入所需的頻率,然后按確認(rèn)鍵即可從示波器上看到輸出信號(hào),輸出頻率范圍為:1KHZ至10MHZ。輸入所需頻率后,按住“+”“-”鍵即可實(shí)現(xiàn)頻率的步進(jìn),步進(jìn)頻率為1005HZ,每按按一次“-”鍵,頻率降低:1005HZ。按一次“+”鍵,頻率升高:1005HZ。(2)輸出所需頻率F后,觀測(cè)到頻率跳變小于發(fā)F10E-4,所以輸出頻率穩(wěn)定度優(yōu)于110e-4.(3)在輸出端接上50歐的電阻 ,用示波器探頭接到輸出端,觀察到示波器輸出峰峰值如下表所示輸入頻率(HZ)1K-50K50K-1M1M-5M5M=10M輸出幅值(V)2.453.262.852.80由此可見,輸出幅度符合基本要求。(4)用示波器探頭接在輸出端,改變輸入頻率從1KHZ到10MHZ變化,輸出波形沒有失真現(xiàn)象。 經(jīng)過測(cè)試,基本部分的指標(biāo)都能達(dá)到。發(fā)揮部分由于要求輸出頻率帶寬很大,1KHZ到800KHZ 能夠滿足6v1v,800KHZ到10MHZ電壓幅度放大不夠,只能達(dá)到2.50.5V,后來我們想設(shè)計(jì)一個(gè)高通濾波器,由于時(shí)間倉(cāng)促,這部分沒辦法實(shí)現(xiàn),所以1MHZ到10MHZ這個(gè)頻段沒有達(dá)到發(fā)揮部分的要求,在1M到10MHZ范圍內(nèi)調(diào)制度Ma 可在10%到100%內(nèi)程控調(diào)節(jié),步進(jìn)量為10%,在100KHZ到10MHZ頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生的最大頻偏位10KHZ,PSK和ASK信號(hào)都很好,沒有明顯的失真。(5)用單片機(jī)產(chǎn)生速率為10Kbps的二進(jìn)制基帶信號(hào),從鍵盤輸入100KHZ的頻率,然后用二進(jìn)制基帶信號(hào)調(diào)制載波信號(hào),得到ASK信號(hào)和PSK信號(hào)。七 總結(jié)本系統(tǒng)采用比較先進(jìn)的數(shù)字頻率合成技術(shù)產(chǎn)生正弦波,性能指標(biāo)都達(dá)到或超過了基本要求,系統(tǒng)較可靠,穩(wěn)定。當(dāng)然,也存在一些問題,比如,加上負(fù)載時(shí),信號(hào)輸出幅度不夠等八 參考文獻(xiàn)1胡宴如. 高頻電子線路. 高等教育出版社2.白駒珩 雷曉平 .單片計(jì)算機(jī)及其應(yīng)用 . 電子科技大學(xué)出版社3.李廣弟. 單片機(jī)基礎(chǔ). 北京航空航天大學(xué)出版社4Analog Devices Inc. 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