正弦波調(diào)制信號發(fā)生器設(shè)計.doc

正弦波調(diào)制信號發(fā)生器設(shè)計畢業(yè)論文目 錄第一章 緒 論11.1 背景和意義11.2 國內(nèi)外的研究狀況11.2.1 波形發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較31.2.3 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀41.3 設(shè)計任務(wù)和內(nèi)容4第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計52.1正弦波發(fā)生器概述52.1.1 正弦波發(fā)生器的分類和功能52.1.2 低頻信號發(fā)生器52.1.3 高頻信號發(fā)生器52.1.4 標準信號發(fā)生器62.1.5 微波信號發(fā)生器62.1.6 掃頻和程控信號發(fā)生器62.1.7 頻率合成式信號發(fā)生器62.2 直接數(shù)字頻率合成器72.2.1 DDS的基本結(jié)構(gòu)72.2.2 DDS的基本原理82.2.3 DDS的性能特點92.2.4 DDS的應(yīng)用102.2.5 DDS芯片的簡單介紹112.2.6 DDS主要芯片122.3 正弦波調(diào)制信號發(fā)生器的總體設(shè)計13第三章 正弦波調(diào)制信號發(fā)生器的硬件設(shè)計143.1 主控制器143.2 正弦信號發(fā)生器183.3 AM/FM調(diào)制模塊213.4 基帶序列產(chǎn)生模塊253.5 ASK、PSK信號產(chǎn)生模塊253.6 濾波電路設(shè)計263.7 放大電路設(shè)計26第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計及仿真結(jié)果分析274.1.1 軟件整體流程圖274.1.2 AM信號的流程圖284.1.3 FM信號的流程圖284.1.3 ASK/PSK信號的流程圖294.2 仿真及結(jié)果分析294.2.1 正弦波信號294.2.2 AM信號304.2.3 FM信號314.2.4 ASK/PSK信號31結(jié) 論33參考文獻34附 錄35附件一：程序35附件二：外文文章43附件三：外文翻譯56謝 辭69天津工業(yè)大學本科畢業(yè)論文 第一章 緒論第一章 緒 論1.1 背景和意義正弦波信號發(fā)生器是信號發(fā)生器的一種。信號發(fā)生器根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器四大類。正弦波信號發(fā)生器是使用最廣泛的信號發(fā)生器，主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。作為電子技術(shù)領(lǐng)域中最基本的電子儀器，廣泛應(yīng)用于航空航天測控、通信系統(tǒng)、電子對抗、電子測量、科研等各個領(lǐng)域中。隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，對其性能的要求也越來越高。如要求頻率穩(wěn)定性高，轉(zhuǎn)換速度快，具有調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等功能，另外還經(jīng)常需要兩路正弦信號不僅具有相同的頻率，同時要有確定的相位差。在此背景下，本課題提出了一種基于直接數(shù)字頻率合成器（DDS）的信號發(fā)生器的設(shè)計。DDS是一項關(guān)鍵的數(shù)字化技術(shù)，與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點，廣泛使用在電信與電子儀器領(lǐng)域，是實現(xiàn)設(shè)備全數(shù)字化的一個關(guān)鍵技術(shù)。傳統(tǒng)的頻率合成器由于采用倍頻、分頻、混頻和濾波環(huán)節(jié)，使頻率合成器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、頻譜純度低。本課題采用直接數(shù)字式頻率合成器與單片機相結(jié)合，設(shè)計出一種基于DDS 的正弦波調(diào)制信號發(fā)生器。1.2 國內(nèi)外的研究狀況1.2.1 波形發(fā)生器的發(fā)展現(xiàn)狀波形發(fā)生器，作為實驗用的一種信號源，是現(xiàn)今各種電子電路實驗設(shè)計應(yīng)用中必不可少的儀器設(shè)備之一。目前，市場上常見的波形發(fā)生器多為純硬件的搭接而成。信號發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用555 振蕩電路發(fā)生正弦波的電路便是可取的路徑之一。不用依靠單片機。但是這種電路存在波形質(zhì)量差、控制難、可調(diào)范圍小、電路復(fù)雜和體積大等缺點。在科學研究和生產(chǎn)實踐中，如工業(yè)過程控制、生物醫(yī)學、地震模擬機械振動等領(lǐng)域常常要用到低頻信號源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號源所需的RC很大，大電阻、大電容在制作上有困難，參數(shù)的精度亦難以保證，體積大，漏電，損耗顯著更是其致命的弱點。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會大大增加。波形發(fā)生器是能夠產(chǎn)生大量的標準信號和用戶定義信號，并保證高精度、高穩(wěn)定性、可重復(fù)性和易操作性的電子儀器。函數(shù)波形發(fā)生器具有連續(xù)的相位變換，和頻率穩(wěn)定性等優(yōu)點，不僅可以模擬各種復(fù)雜信號，還可對頻率、幅值、相移進行動態(tài)、及時的控制，并能夠與其它儀器進行通訊，組成自動測試系統(tǒng)，因此被廣泛用于自動控制系統(tǒng)、震動激勵、通訊和儀器儀表領(lǐng)域。在70年代前，信號發(fā)生器主要有兩類：正弦波和脈沖波，而函數(shù)發(fā)生器介于兩類之間，能夠提供正弦波、余弦波、方波、三角波等幾種常用標準波形，產(chǎn)生其它波形時，需要采用較復(fù)雜的電路和機電結(jié)合的方法。這個時期的波形發(fā)生器多采用模擬電子技術(shù)，而且模擬器件構(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形，則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。同時，主要表現(xiàn)為兩個突出問題，一是通過電位器的調(diào)節(jié)來實現(xiàn)輸出頻率的調(diào)節(jié)，因此很難將頻率調(diào)到某一固定值；二是脈沖的占空比不可調(diào)節(jié)。在70年代后，微處理器的出現(xiàn)，可以利用處理器，A/D/和 D/A，硬件和軟件使波形發(fā)生器的功能擴大，產(chǎn)生更加復(fù)雜的波形.這時期的波形發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對DAC的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 90 年代末，出現(xiàn)幾種真正高性能，高價格的函數(shù)發(fā)生器，但是HP公司推出了型號為 HP770S 的信號模擬裝置系統(tǒng)，它由 HP8770A 任意波形數(shù)字化和 HP1776A 波形發(fā)生軟件組成。HP8770A 實際上也只能產(chǎn)生8種波形，而且價格昂貴。不久以后，Analogic公司推出了型號為Data-2020的多波形合成器，Lecroy 公司生產(chǎn)的型號為9100的任意波形發(fā)生器等。而近幾年來，國際上波形發(fā)生器技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：1. 過去由于頻率很低應(yīng)用的范圍比較狹小，輸出波形頻率的提高，使得波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。波形發(fā)生器軟件的開發(fā)使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器通常允許用一系列的點，直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器。同時可以利用一種強有力的數(shù)學方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復(fù)合成v=f (t)形式的波形方程的數(shù)學表達式產(chǎn)生。 從而促進了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展，各種計算機語言的飛速發(fā)展也對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic，Visual C等等)編寫任意波形發(fā)生器的軟面板，這樣允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現(xiàn)波形的輸入。2. 與VXI資源結(jié)合。目前，波形發(fā)生器由獨立的臺式儀器和適用于個人計算機的插卡以及新近開發(fā)的VXI 模塊。由于VXI總線的逐漸成熟和對測量儀器的高要求，在很多領(lǐng)域需要使用VXI系統(tǒng)測量產(chǎn)生復(fù)雜的波形，VXI的系統(tǒng)資源提供了明顯的優(yōu)越性，但由于開發(fā) VXI 模塊的周期長，而且需要專門的VXI 機箱的配套使用，使得波形發(fā)生器VXI 模塊僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。在民用方面，VXI 模塊遠遠不如臺式儀器更為方便。 3. 隨著信息技術(shù)蓬勃發(fā)展，臺式儀器在走了一段下坡路之后，又重新繁榮起來。不過現(xiàn)在新的臺式儀器的形態(tài)，和幾年前的己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能。而且外形尺寸與價格，都比過去的類似產(chǎn)品減少了一半。1.2.2 國內(nèi)外波形發(fā)生器產(chǎn)品比較早在1978年，由美國Wavetek公司和日本東亞電波工業(yè)公司公布了最高取樣頻率為5 MHz，可以形成256點(存儲長度)波形數(shù)據(jù)，垂直分辨率為8bit，主要用于振動、 醫(yī)療、材料等領(lǐng)域的第一代高性能信號源，經(jīng)過將近30年的發(fā)展，伴隨著電子元器件、電路、及生產(chǎn)設(shè)備的高速化、高集成化，波形發(fā)生器的性能有了飛速的提高。變得操作越來越簡單而輸出波形的能力越來越強。波形操作方法的好壞，是由波形發(fā)生器控制軟件質(zhì)量保證的，編輯功能增加的越多，波形形成的操作性越好。表1-1給出了幾種波形發(fā)生器的性能指標，從中可以看出當今世界上重要電子儀器生產(chǎn)商在波形發(fā)生器上的研制水平。表1-1 一些波形發(fā)生器的性能指標公司TektronixTektronix橫河電機Wavetek型號AG320AWG710AG5100295最高采用頻率16MS/s4GMS/s1GMS/s50GMS/s通道數(shù)2224垂直分辨率12bit8bit8bit12bit存儲容量64k8M8M64k輸出電壓10V2.5V2V15V1.2.3 本課題在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀二十一世紀，隨著集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，出現(xiàn)了多種工作頻率可過GHz 的DDS芯片，同時也推動了函數(shù)波形發(fā)生器的發(fā)展，2003年，Agilent的產(chǎn)品33220A能夠產(chǎn)生17種波形，最高頻率可達到20M，2005年的產(chǎn)品 N6030A 能夠產(chǎn)生高達500MHz 的頻率，采樣的頻率可達1.25GHz。由上面的產(chǎn)品可以看出，函數(shù)波形發(fā)生器發(fā)展很快。對目前而言，國外(美)研究和使用的信號發(fā)生器大多要求頻率在10-6 Hz-50MHz，產(chǎn)生正弦、三角、鋸齒、方波、調(diào)幅、直流等波形，而國內(nèi)則對頻率在510-3 Hz-40MHz，能產(chǎn)生正弦、三角等基本波形已經(jīng)調(diào)幅、調(diào)頻、TTL 等的信號發(fā)生器需求大。1.3 設(shè)計任務(wù)和內(nèi)容本論文以凌陽SPACE061A和AD9850為核心器件，按照從上到下的方法，設(shè)計出正弦波調(diào)制信號發(fā)生器，首先設(shè)計總體結(jié)構(gòu)，然后再逐層深入，直至進行每一個模塊的設(shè)計。主要由主控制器模塊、正弦信號發(fā)生模塊、AM調(diào)幅電路模塊、FM調(diào)頻電路模塊、放大模塊和人機界面模塊構(gòu)成。本論文共分四章：第一章主要介紹了正弦波調(diào)制信號發(fā)生器的背景和課題研究意義，以及對波形信號發(fā)生器的發(fā)展狀況進行了分析，并提出了設(shè)計任務(wù)和內(nèi)容。第二章主要對正弦波信號發(fā)生器和DDS作了詳細介紹，并基于此提出了整體設(shè)計方案。第三章主要介紹了正弦波調(diào)制信號發(fā)生器的的硬件設(shè)計。第四章主要介紹了正弦波調(diào)制信號發(fā)生器的系統(tǒng)軟件設(shè)計和仿真結(jié)果分析。70天津工業(yè)大學本科畢業(yè)論文第一章 天津工業(yè)大學本科畢業(yè)論文第二章第二章 系統(tǒng)總體設(shè)計2.1正弦波發(fā)生器概述正弦波發(fā)生器是一種能產(chǎn)生正弦波信號的裝置。常用于科研、生產(chǎn)、維修和實驗中。例如在教學實驗中，常使用函數(shù)發(fā)生器的輸出波形作為標準輸入信號，接至放大器的輸入端，配合測試儀器，例如用示波器定性觀察放大器的輸出端，判斷放大器是否工作正常，否則，通過調(diào)整放大器的電路參數(shù)，使之工作在放大狀態(tài)；然后，通過測試儀器（例如用晶體管毫伏表對輸出端進行定量測試），從而獲得該放大器的性能指標。2.1.1 正弦波發(fā)生器的分類和功能正弦信號發(fā)生器：正弦信號主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號發(fā)生器；按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器（即信號源）、標準信號發(fā)生器（輸出功率能準確地衰減到-100分貝毫瓦以下）和功率信號發(fā)生器（輸出功率達數(shù)十毫瓦以上）；按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。2.1.2 低頻信號發(fā)生器 包括音頻（20020000赫）和視頻（1赫10兆赫）范圍的正弦波發(fā)生器。主振級一般用RC式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于測試系統(tǒng)的頻率特性，要求輸出幅頻特性平和波形失真小。2.1.3 高頻信號發(fā)生器 頻率為100千赫30兆赫的高頻、30300兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用 LC調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機的技術(shù)指標。輸出信號可用內(nèi)部或外加的低頻正弦信號調(diào)幅或調(diào)頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。2.1.4 標準信號發(fā)生器其輸出信號電平能準確讀數(shù)，所加的調(diào)幅度或頻偏也能用電表讀出。此外，儀器還有防止信號泄漏的良好屏蔽。2.1.5 微波信號發(fā)生器 從分米波直到毫米波波段的信號發(fā)生器。信號通常由帶分布參數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調(diào)管產(chǎn)生，但有逐漸被微波晶體管、場效應(yīng)管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機械調(diào)諧腔體來改變頻率，每臺可覆蓋一個倍頻程左右，由腔體耦合出的信號功率一般可達10毫瓦以上。簡易信號源只要求能加1000赫方波調(diào)幅，而標準信號發(fā)生器則能將輸出基準電平調(diào)節(jié)到1毫瓦，再從后隨衰減器讀出信號電平的分貝毫瓦值；還必須有內(nèi)部或外加矩形脈沖調(diào)幅，以便測試雷達等接收機。2.1.6 掃頻和程控信號發(fā)生器 掃頻信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線性變化的信號。在高頻和甚高頻段用低頻掃描電壓或電流控制振蕩回路元件（如變?nèi)莨芑虼判揪€圈）來實現(xiàn)掃頻振蕩；在微波段早期采用電壓調(diào)諧掃頻，用改變返波管螺旋線電極的直流電壓來改變振蕩頻率，后來廣泛采用磁調(diào)諧掃頻，以YIG鐵氧體小球作微波固體振蕩器的調(diào)諧回路，用掃描電流控制直流磁場改變小球的諧振頻率。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠控等工作方式。 2.1.7 頻率合成式信號發(fā)生器 這種發(fā)生器的信號不是由振蕩器直接產(chǎn)生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標準頻率源，利用頻率合成技術(shù)形成所需之任意頻率的信號，具有與標準頻率源相同的頻率準確度和穩(wěn)定度。輸出信號頻率通?？砂词M位數(shù)字選擇，最高能達11位數(shù)字的極高分辨力。頻率除用手動選擇外還可程控和遠控，也可進行步級式掃頻，適用于自動測試系統(tǒng)。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，變換頻率迅速但電路復(fù)雜，最高輸出頻率只能達1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標準頻率源通過鎖相環(huán)控制電調(diào)諧振蕩器（在環(huán)路中同時能實現(xiàn)倍頻、分頻和混頻），使之產(chǎn)生并輸出各種所需頻率的信號。這種合成器的最高頻率可達26.5吉赫。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調(diào)制功能（調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相），加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構(gòu)成一種新型的高性能、可程控的合成式信號發(fā)生器，還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。2.2 直接數(shù)字頻率合成器2.2.1 DDS的基本結(jié)構(gòu)DDS包括數(shù)字器件與模擬器件兩部分，主要由頻率控制字、相位累加器、正弦查詢表、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器和低通濾波器組成，其基本框圖如圖2-1所示。 圖2-1 DDS組成框圖其中參考時鐘為高穩(wěn)定度的晶體振蕩器，其輸出用于同步DDS各組成部分的工作。DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，它由N位加法器與N位相位寄存器構(gòu)成，類似于一個簡單的計算器。每來一個時間脈沖，相位寄存器的輸出就增加一個步長的相位增量值，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與累加寄存器輸出的累加相位數(shù)據(jù)相加，把相加結(jié)果送至累加寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位累加器進入線性相位累加，累加至滿量程時產(chǎn)生一次計數(shù)溢出，這個溢出頻率即為DDS的輸出頻率。正弦查詢表是一個可編程只讀存儲器(PROM)，存儲的是以相位為地址的一個周期正弦信號的采樣編碼值，包含一個周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)于正弦波中0360范圍的一個相位點。將相位寄存器的輸出與相位控制字相加，得到的數(shù)據(jù)作為一個地址對正弦查詢表進行尋址，查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，驅(qū)動DAC，輸出模擬信號。低通濾波器平滑并濾除不需要的取樣分量，以便輸出頻譜純凈的正弦波信號。2.2.2 DDS的基本原理 以產(chǎn)生正弦信號的DDS技術(shù)來闡述DDS的基本原理。一個正弦信號可以由振幅、頻率及初始相位惟一確定。正弦信號S(t)的表達式為： （2-1）在用數(shù)字合成方式合成一個正弦信號時，只要產(chǎn)生相應(yīng)的振幅A、頻率f及初始相位0即可，實際應(yīng)用中與初始相位0無關(guān)，振幅更是容易控制。為更好地分析起見，這里設(shè)振幅A為1、初始相位0為0。則正弦信號S(t)可表示為： （2-2） 令，則，那么只要確定了就確定了。由的表達式，可知不同頻率在相同時間T內(nèi)的相位增量是不同的，且它們是一一對應(yīng)的關(guān)系。因此推導(dǎo)出下面公式： (2-3)這一公式放映出在相位-時間平面構(gòu)造中對應(yīng)于時間間隔T的均勻相位增量時等效為在幅度-時間平面內(nèi)合成頻率的正弦波，這正是DDS技術(shù)的基本理論。 對于計數(shù)容量為2N相位累加器和具有M個相位取樣點的正弦波波形存儲器，若頻率控制字為K，輸出信號頻率為，參考時鐘頻率為，則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率為： 輸出信號頻率的頻率分辨率為 （2-4）由奈奎斯特采樣定理可知，DDS輸出的最大頻率為 （2-5）頻率控制字可由以上公式推出： （2-6）通常，相位累加器位數(shù)較大，例如N=32或48，故用DDS技術(shù)能得到較高的頻率分辨率。 2.2.3 DDS的性能特點 DDS完全不同于傳統(tǒng)的頻率合成方式，它是一種全數(shù)字結(jié)構(gòu)形式。它的特點主要有以下幾點： 1 DDS可以產(chǎn)生極高的頻率 DDS工作在300MHz的時鐘下，根據(jù)采樣定理，DDS的最高輸出頻率應(yīng)小于采樣時鐘頻率的1/2，在實際應(yīng)用中，考慮到低通濾波器的非線性影響，因此，一般能達到的40，頻率很高，完全能滿足設(shè)計要求中的高頻率要求。 2 DDS具有極高的頻率分辨率 DDS最主要的特點之一，就是它可以實現(xiàn)極高的頻率分辨率。由公式 (2-7)可推導(dǎo)出DDS的分辨率決定于相位累加器的字長和參考時鐘頻率，只要相位累加器的字長M足夠長，DDS的分辨率可以達到足夠高。例如：時鐘頻率為100MHz、相位累加器字長為32比特時，最小頻率分辨率為：108/232=0.02328 Hz當時鐘頻率為100MHz、相位累加器字長為48比特時，最小頻率分辨率為：108/248=0.0000003553Hz ，這樣的頻率分辨率是傳統(tǒng)的頻率合成方法絕不可能達到的，完全能滿足設(shè)計要求中高精度的分辨率。 3 DDS具有極短的頻率轉(zhuǎn)換時間 DDS是一個開環(huán)系統(tǒng)，無任何反饋環(huán)節(jié)，頻率轉(zhuǎn)換時間主要由LPF附加的時延來決定。如，轉(zhuǎn)換時間即為100 ns，若時鐘頻率升高，轉(zhuǎn)換時間將縮短，但不可能少于數(shù)字門電路的延遲時間。目前，DDS的調(diào)諧時間一般在ns量級，比使用其它的頻率合成方式都要短幾個數(shù)量級。 4輸出頻率的相對帶寬很寬 當頻率控制字K=0時，輸出頻率=0Hz，即DDS的輸出下限頻率為0。根據(jù)奈奎斯特定理，理論上DDS輸出的上限頻率為，fc是參考時鐘頻率，即采樣頻率。但由于外接低通濾波器的非理想性，實際工程中，DDS的輸出頻率的上限一般為： （2-8） 完全能滿足設(shè)計中帶寬要求。 5DDS具有相位連續(xù)性變化 DDS工作時，改變頻率控制字K，就可以改變它的輸出頻率，但從其工作原理來看，改變K的實質(zhì)是改變了信號的相位增長速率，而輸出信號的相位是連續(xù)的。 6易于集成，易于調(diào)整DDS中幾乎所有的部件都屬于數(shù)字信號處理器件，除DAC和濾波器外，無需任何調(diào)整，從而降低了成本，簡化了生產(chǎn)設(shè)備。 2.2.4 DDS的應(yīng)用 DDS問世之初，構(gòu)成DDS元器件的速度的限制和數(shù)字化引起的噪聲，這兩個主要缺點阻礙了DDS的發(fā)展與實際應(yīng)用。近幾年超高速數(shù)字電路的發(fā)展以及對DDS的深入研究，DDS的最高工作頻率以及噪聲性能已接近并達到鎖相頻率合成器相當?shù)乃健ｋS著這種頻率合成技術(shù)的發(fā)展，其已廣泛應(yīng)用于通訊、導(dǎo)航、雷達、遙控遙測、電子對抗以及現(xiàn)代化的儀器儀表工業(yè)等領(lǐng)域。 1實時模擬仿真的高精密信號 在DDS的波形存儲器中存入正弦波形及方波、三角波、鋸齒波等大量非正弦波形數(shù)據(jù)，然后通過手控或用計算機編程對這些數(shù)據(jù)進行控制，就可以任意改變輸出信號的波形。利用DDS具有的快速頻率轉(zhuǎn)換、連續(xù)相位變換、精確的細調(diào)步進的特點，將其與簡單電路相結(jié)合就構(gòu)成精確模擬仿真各種信號的最佳方式和手段。這是其它頻率合成方法不能與之相比的。例如它可以模擬各種各樣的神經(jīng)脈沖之類的波形，重現(xiàn)由數(shù)字存儲示波器（DSO）捕獲的波形。 2實現(xiàn)各種復(fù)雜方式的信號調(diào)制 DDS也是一種理想的調(diào)制器，因為合成信號的三個參量：頻率、相位和幅度均可由數(shù)字信號精確控制，因此DDS可以通過預(yù)置相位累加器的初始值來精確地控制合成信號的相位，從而達到調(diào)制的目的。 現(xiàn)代通信技術(shù)中調(diào)制方式越來越多，BPSK、QPSK、MSK都需要對載波進行精確的相位控制。而DDS的合成信號的相位精度由相位累加器的位數(shù)決定。一個32位的相位累加器可產(chǎn)生43億個離散的相位電平，而相位精度可控制在810-3度的范圍內(nèi)，因此，在轉(zhuǎn)換頻率時，只要通過預(yù)置相位累加器的初始值，即可精確地控制合成信號的相位，很容易實現(xiàn)各種數(shù)字調(diào)制方式。 3實現(xiàn)頻率精調(diào)，作為理想的頻率源 DDS能有效地實現(xiàn)頻率精調(diào)，它可以在許多鎖相環(huán)（PLL）設(shè)計中代替多重環(huán)路。在一個PLL中保持適當?shù)姆诸l比關(guān)系，可以將DDS的高頻率分辨率及快速轉(zhuǎn)換時間特性與鎖相環(huán)路的輸出頻率高、寄生噪聲和雜波低的特點有機地結(jié)合起來，從而實現(xiàn)更為理想的DDSPLL混合式頻率合成技術(shù)。4輸出波形的靈活性 只要在DDS內(nèi)部加上相應(yīng)控制如調(diào)頻控制FM、調(diào)相控制PM和調(diào)幅控制AM，即可以方便靈活地實現(xiàn)調(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅功能，產(chǎn)生FSK、PSK、ASK和MSK等信號。另外，只要在DDS的波形存儲器存放不同波形數(shù)據(jù)，就可以實現(xiàn)各種波形輸出，如三角波、鋸齒波和矩形波甚至是任意的波形。當DDS的波形存儲器分別存放正弦和余弦函數(shù)表時，既可得到正交的兩路輸出。5其他優(yōu)點由于DDS中幾乎所有部件都屬于數(shù)字電路，易于集成，功耗低、體積小、重量輕、可靠性高，且易于程控，使用相當靈活，因此性價比極高。 2.2.5 Error! Reference source not found.DDS芯片的簡單介紹一塊DDS芯片中主要包括頻率控制寄存器、高速相位累加器和正弦計算器三個部分（如Q2220）。頻率控制寄存器可以串行或并行的方式裝載并寄存用戶輸入的頻率控制碼；而相位累加器根據(jù)頻率控制碼在每個時鐘周期內(nèi)進行相位累加，得到一個相位值；正弦計算器則對該相位值計算數(shù)字化正弦波幅度（芯片一般通過查表得到）。DDS芯片輸出的一般是數(shù)字化的正弦波，因此還需經(jīng)過高速D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器才能得到一個可用的模擬頻率信號。另外，有些DDS芯片還具有調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相等調(diào)制功能及片內(nèi)D/A變換器（如AD7008）。圖2-1 AD7008內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖2.2.6 DDS主要芯片表 4-1 AD公司的常用DDS芯片選用列表2.3 正弦波調(diào)制信號發(fā)生器的總體設(shè)計根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由主控制器模塊、正弦信號發(fā)生模塊、AM調(diào)幅電路模塊、FM調(diào)頻電路模塊、放大模塊、和人機界面模塊構(gòu)成。如圖2-2 所示。輸出FMSPCE061A單片機倒向器乘法器AD98504051（1）輸出正弦波顯示鍵盤放大器輸出AMASK/PSK4051（2）10kbps1 KHz調(diào)制信號 圖2-2 系統(tǒng)模塊框圖 系統(tǒng)工作時，單片機按照用戶要求輸出不同的命令控制字，控制AD9850 產(chǎn)生不同的正弦波（1KHz10MHz），經(jīng)放大后輸出正弦波。AD9850產(chǎn)生的載波信號和經(jīng)單片機控制的4051(1)選通的1 KHz的調(diào)制信號加載到乘法器，從而輸出輸出AM信號。FM信號由單片機實現(xiàn)。AD9850產(chǎn)生的正弦波引出兩路，一路直接輸入4051(2)，另一路經(jīng)倒向器輸出4051(2)，根據(jù)由單片機控制的10kbps的碼元選通4051(2)不同的通道輸出ASK信號和PSK信號。天津工業(yè)大學本科畢業(yè)論文第三章 第三章 正弦波調(diào)制信號發(fā)生器的硬件設(shè)計本設(shè)計以凌陽SPACE061A和AD9850為核心器件，按照從上到下的方法，設(shè)計出正弦波調(diào)制信號發(fā)生器，首先設(shè)計總體結(jié)構(gòu)，然后再逐層深入，直至進行每一個模塊的設(shè)計。主要由主控制器模塊、正弦信號發(fā)生模塊、AM調(diào)幅電路模塊、FM調(diào)頻電路模塊、輸出放大模塊和人機界面模塊構(gòu)成。3.1 主控制器采用凌陽公司的16位單片機SPCE061A作為主控制器。SPCE061A 是繼nSP系列產(chǎn)品SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一個16位結(jié)構(gòu)的微控制器。與SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調(diào)試等功能，SPCE061A里只內(nèi)嵌32K字的閃存（FLASH）。較高的處理速度使nSP能夠非常容易地、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號。因此，與SPCE500A相比，以nSP為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語音識別應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)品的一種經(jīng)濟的選擇。 1 性能： u 16位nSP微處理器； u 工作電壓(CPU) VDD為2.43.6V (I/O) VDDH為2.45.5V u CPU時鐘：0.32MHz49.152MHz ； u 內(nèi)置2K字SRAM； u 內(nèi)置32K FLASH； u 可編程音頻處理； u 晶體振蕩器; u 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))，耗電僅為2A3.6V； u 2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)； u 2個10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道； u 32位通用可編程輸入/輸出端口； u 14個中斷源可來自定時器A / B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒； u 具備觸鍵喚醒的功能； u 使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)； u 鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號； u 32768Hz實時時鐘； u 7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器； u 聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能； u 具備串行設(shè)備接口； u 具有低電壓復(fù)位(LVR)功能和低電壓監(jiān)測(LVD)功能； u 內(nèi)置在線仿真電路ICE（In- Circuit Emulator）接口； u 具有保密能力； u 具有WatchDog功能。 2結(jié)構(gòu)概覽 圖3-1 SPCE061A的結(jié)構(gòu)圖 3.芯片的引腳說明 SPCE061A有PLCC84和QFP80兩種封裝。封裝形式為PLCC84的共有84個引腳，其中包括空腳15個，其余管腳功能說明如表3-1所示。QFP80封裝的在引腳方面只是比PLCC84封裝的少了4個空腳。需要更加詳細的資料可以查看SPCE061A的data sheet。 圖3-2 SPCE061A LQFP80封裝引腳排列圖 表3-1 SPCE061A管腳描述管腳名稱 管腳編號 類型 描述 IOA15:8 4639 輸入輸出 IOA15:8：雙向IO端口 IOA7:0 3427 輸入輸出 IOA7:0：通過編程，可設(shè)置成喚醒管腳 IOA6:0：與ADC Line_In輸入共用 IOB15:11 IOB10 IOB9 IOB8 IOB7 IOB6 IOB5 IOB4 IOB3 IOB2 IOB1 IOB0 5054 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 輸入輸出 IOB15:11 ：雙向IO端口。IOB100除用作普通的IO端口，還可作為： IOB10：通用異步串行數(shù)據(jù)發(fā)送管腳Tx IOB9：TimerB脈寬調(diào)制輸出管腳BPWMO IOB8：TimerA脈寬調(diào)制輸出管腳APWMO IOB7：通用異步串行數(shù)據(jù)接收管腳Rx IOB6：雙向IO端口 IOB5：外部中斷源EXT2的反饋管腳 IOB4：外部中斷源EXT1的反饋管腳 IOB3：外部中斷源EXT2 IOB2：外部中斷源EXT1 IOB1：串行接口的數(shù)據(jù)傳送管腳 IOB0：串行接口的時鐘信號 DAC1 12 輸出 DAC1數(shù)據(jù)輸出管腳 DAC2 13 輸出DAC2數(shù)據(jù)輸出管腳X32I 2 輸入 32768Hz晶振輸入管腳 X32O 1 輸出 32768Hz晶振輸出管腳 VCOIN 70 輸入 PLL的RC濾波器連接管腳 AGC 16 輸入 AGC的控制管腳 MICN 19 輸入 麥克風負向輸入管腳 MICP 21 輸入 麥克風正向輸入管腳 V2VREF 14 輸出 電壓源2.0V產(chǎn)生5mA的驅(qū)動電流，可用作外部ADC Line_In通道的最高參考輸入電壓，不可作為電壓源使用 MICOUT 18 輸出 麥克風1階放大器輸出管腳，管腳外接電阻決定AGC增益倍數(shù) OPI 17 輸入 麥克風2階放大器輸入管腳 VEXTREF 23 輸入 ADC Line_In通道的最高參考輸入電壓管腳 VMIC 25 輸出 麥克風電源 VADREF 22 輸出 AD參考電壓(由內(nèi)部ADC產(chǎn)生) VDD 5,69 輸入 邏輯電源的正向電壓 VSS 10,26,71 輸入 邏輯電源和IO口的參考地 VDDIO 37,38,56 輸入 IO端口的正向電壓管腳 VSSIO 35,36,48 輸入 IO端口的參考地 AVDD 24 輸入 模擬電路（A/D、D/A和2V穩(wěn)壓源）正向電壓 AVSS 15 輸入 模擬電路（A/D、D/A和2V穩(wěn)壓源）參考地 RESET 68 輸入 低電平有效的復(fù)位管腳 SLEEP 49 輸出 睡眠模式(高電平激活) ICE 7 輸入 激活I(lǐng)CE(高電平激活) ICECLK 8 輸入 ICE串行接口時鐘管腳 ICESDA 9 輸入輸出 ICE串行接口數(shù)據(jù)管腳 TEST 3 輸入 測試模式時接高電平，正常模式時接地GND或懸浮 ROMT 47 輸入 測試閃爍存儲器，正常模式時懸浮 N/C 55 輸入 正常使用時接地 N/C 4 輸入 正常使用時接地 N/C 6 輸入 正常使用時接地 PFUSE,PVIN20,11 輸入 程序保密設(shè)定腳。用戶慎重使用。 由于SPCE061A內(nèi)置有2K字的SRAM和32K字的內(nèi)存FLASH，能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理及液晶顯示所需數(shù)據(jù)的存儲要求CPU時鐘頻率高達49.152MHz，能滿足速度要求；集成有7通道10位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC，可以滿足系統(tǒng)采樣調(diào)制信號的要求；一片凌陽SPCE061A單片機就可以完成整個系統(tǒng)的主要功能，基本不需要擴展其他器件，不僅體積小而且可靠性高。而且凌陽單片機具有C語言風格的匯編語言，有與標準C兼容的C語言，C語言函數(shù)可以與匯編函數(shù)互相調(diào)用，使其開發(fā)更加容易，實現(xiàn)整個系統(tǒng)更加簡單。3.2 正弦信號發(fā)生器采用了直接數(shù)字頻率合成技術(shù)，可采用ADI公司的DDS集成芯片AD9850。 AD9850是AD公司生頻率合成器，主要由可編程DDS系統(tǒng)、產(chǎn)的最高時鐘為125 MHz、采用先進的CMOS技術(shù)的直接高性能模數(shù)變換器（DAC）和高速比較器3部分構(gòu)成，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。 圖3-3 AD9850的原理框圖AD9850內(nèi)含可編程DDS系統(tǒng)和高速比較器，可實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器，由一個加法器和一個N位相位寄存器組成，N一般為2432。每來一個外部參考時鐘，相位寄存器便以步長M遞加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個正弦波周期的數(shù)字幅度信息，每一個地址對應(yīng)正弦波中0360范圍的一個相位點。查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號，然后驅(qū)動DAC輸出模擬量。相位寄存器每過2N/ M 個外部參考時鐘后返回到初始狀態(tài)一次，相應(yīng)地正弦查詢表。 每經(jīng)過一個循環(huán)也回到初始位置，從而使整個DDS系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出的正弦波頻率為： （3-1）為外部參考時鐘頻率。 AD9850有40位控制字，32位用于頻率控制（低32位），5位用于相位控制，1位用于電源休眠( Powerdown) 控制，2位用于選擇工作方式。這40 位控制字可通過并行或串行方式輸入到AD9850。在并行裝入方式中，通過8 位總線D0-D7將數(shù)據(jù)輸入到寄存器，在W- CLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個輸入寄存器，在重復(fù)5次之后再在FQ-UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器(更新DDS 輸出頻率和相位) ，同時把地址指針復(fù)位到第一個輸入寄存器。AD9850的復(fù)位(RESET) 信號為高電平有效，且脈沖寬度不小于5 個參考時鐘周期。AD9850的參考時鐘頻率一般遠高于單片機的時鐘頻率（本人所用為單片機89C51，使用12M晶振），因此AD9850 的復(fù)位(RESET)端可與單片機的復(fù)位端直接相連。 圖3-4 AD9850引腳圖AD9850系統(tǒng)時鐘的最高頻率可達180MHz。為了提高系統(tǒng)的電磁兼容能力，AD9850內(nèi)部集成了一個6倍頻器，降低了所需外接時鐘頻率。若外部介入的參考頻率選用20MHz，則經(jīng)AD9850內(nèi)部6倍頻后，系統(tǒng)時鐘頻率相當于120MHz。由頻率合成公式可計算出，在此時鐘下的輸出頻率分辨率為： Hz=0.0279 （3-2）最大輸出頻率為系統(tǒng)時鐘頻率120MHz，遠超出本題100Hz的步進值，1kHz10MHzs的要求。AD9851內(nèi)部有5個8位輸入數(shù)據(jù)寄存器，其中32位用于裝載頻率控制字FSW。時序通過對32位控制字的賦值可精確控制最終合成的信號頻率fo。FSW與fo之間的轉(zhuǎn)換公式為： （3-3）其中方波信號可由AD9850芯片產(chǎn)生的正弦信號經(jīng)內(nèi)部高速比較器便可得到，至于三角波信號可由方波信號經(jīng)積分器積分后即可得到。圖 3-5 AD9850的組成框圖本設(shè)計中40 位控制字通過串行方式送入AD9850。系統(tǒng)工作時，單片機按照用戶要求輸出不同的命令控制字，控制AD9850產(chǎn)生不同的正弦波（1KHz-10MHz），經(jīng)放大后輸出正弦波。串行輸入時AD9850 40 位控制字的產(chǎn)生方法：每一個CLK 時鐘上升沿，由控制字輸入口的第8位（25 管腳）移入1 位控制位（低位先移入），40個W-CLK 移位時鐘后，F(xiàn)Q-UD 脈沖的上升沿更新輸出頻率，頻率控制字由下式?jīng)Q定 (3-4) 其中fOUT 為AD9850 輸出的頻率， 為32b 的頻率控制字，fCLK 為系統(tǒng)時鐘頻率。3.3 AM/FM調(diào)制模塊 調(diào)制：用信號m(t)去控制載波s(t)的某一個(或幾個)參數(shù)，使之按m(t) 的規(guī)律而變化調(diào)制：用信號m(t)去控制載波s(t)的某一個(或幾個)參數(shù)，使之按m(t) 的規(guī)律而變化。調(diào)制的目的是提高頻率以便發(fā)射、提高系統(tǒng)的性能、有效利用頻帶。圖3-6 調(diào)制過程圖1. AM調(diào)制 定義:用信號m(t)去控制載波s(t)的振幅，使已調(diào)波的包絡(luò)按照m(t)的規(guī)律線性變化。 (3-5) 其中A0是載波振幅，是載波角頻率，是載波起始相位。AM信號表達式：已調(diào)波為 (3-6) 載波 調(diào)制信號 已調(diào)波圖3-7 AM調(diào)制過程圖 圖3-8 AM產(chǎn)生的數(shù)學模型2. FM調(diào)制用調(diào)制信號m(t)去控制載波s(t)的頻率， 頻率調(diào)制就是載波的振幅保持不變，瞬時頻率與調(diào)制信號呈線性關(guān)系 (3-7)式中為未調(diào)載波頻率；KF為為調(diào)頻靈敏度。得FM波的時域表示式為 (3-8)若調(diào)制信號為單一頻率的正弦波，即 (3-9)則FM波的表示式為 (3-10) 本設(shè)計中，AM 信號采用模擬調(diào)制。將AD9850 產(chǎn)生的載波信號和由文氏電橋產(chǎn)生的1kHz調(diào)制信號加到乘法器上。單片機根據(jù)外部調(diào)制度ma，給出不同的地址值，使4051(1)選通不同的通道，接通不同阻值與R0 構(gòu)成分壓電路，從而改變載波的電壓幅值，產(chǎn)生AM 信號。圖3-9 調(diào)制度ma的實現(xiàn) 調(diào)制度ma 參數(shù)計算： 若文氏電橋產(chǎn)生的電壓幅值為3.5V，AD9850為500mv。則調(diào)制度的計算公式如下：ma=（Vs/2）/（V0/2）= Vs / V0=Vs/500 mv （3-11）Vs= ma500 mv=R0/(R0 +R)3.5 V （3-12）其中：Vs 為輸入信號幅值，V0 為載波的幅值。1kHz調(diào)制信號由文氏電橋產(chǎn)生的，其電路圖如圖3-10所示。圖3-10 1KHz正弦信號發(fā)生器電路圖 電路中，R1,C1組成電橋的一個臂。R3,D1,D2與W1組成電橋的另外兩臂，起穩(wěn)定作用。適當?shù)恼{(diào)節(jié)W1，可以得到波形失真小，且工作穩(wěn)定的輸出波形。R3是為了克服二極管死區(qū)而設(shè)的。由于振蕩器的輸出阻抗比較高，直接連在負載上會影響它的正常工作。圖中A2作為同相放大器接到振蕩器的輸出端，振蕩信號從A2的輸出端引出，輸出信號幅度由W2調(diào)整。 FM信號由單片機實現(xiàn)?；贔M原理，根據(jù)調(diào)頻信號變化的規(guī)律采用數(shù)字方式控制DDS正弦波發(fā)生器的頻率控制字，直接作用于輸出波形的頻率值，即實現(xiàn)了對載波的頻率的調(diào)制，該方式下，DDS調(diào)制信號輸出波形頻率與調(diào)制信號頻率控制字成正比，而載波信號頻率控制字又隨調(diào)制信號成正比例變化。利用單片機內(nèi)部2kHZ 的時基中斷，每兩個中斷為一個周期（1kHZ），第1個中斷輸出載頻（100kHZ10MHZ），第2個中斷促使AD9850 輸出載頻減去頻偏的值，便獲得FM信號。其中載波的頻率通過鍵盤進行設(shè)置，頻率控制字的二進制碼事先算好并存儲，用來FM信號直接調(diào)用。調(diào)制信號頻率控制字調(diào)制信號調(diào)制后的頻率控制字FM已調(diào)DDS載波信號控制字產(chǎn)生器DDS調(diào)制信號載波信號頻率控制字圖3-11 FM調(diào)頻原理框圖3.4 基帶序列產(chǎn)生模塊由單片機產(chǎn)生的脈沖信號送入74LS165時鐘輸入端，再由它本身帶預(yù)置功能的移位寄存器循環(huán)移位即可獲得10Kbps二進制基帶序列信號。3.5 ASK、PSK信號產(chǎn)生模塊 ASK、PSK采用數(shù)字鍵控的產(chǎn)生方法，圖3-12和圖3-13分別是他們實現(xiàn)的原理框圖。ASKCOSwtS(t）圖3-12 ASK信號調(diào)制原理框圖COSwtPSK1800移相S(t）圖 3-13 PSK信號調(diào)制原理框圖 ASK/PSK 信號由圖3-14所示電路原理圖產(chǎn)生。工作時將AD9850 產(chǎn)生的正弦波信號引出兩路，一路直接輸入4051（2），另一路經(jīng)倒相器后輸入4051(2)，根據(jù)10kbps的碼元選通4051不同的通道以輸出ASK信號。輸出ASK信號時一路接收AD9850 產(chǎn)生的正弦波信號，一