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正弦信号发生器原理

为了精确地输出正弦波、调幅波、调频波、PSK及ASK等信号,并依据直接数字频率合成(Direct Digital FrequencySvnthesizer,简称DDFS)技术及各种调制信号相关原理,设计了一种采用新型DDS器件产生正弦波信号和各种调制  ---查看全文 >>

关键字:正弦信号发生器 

正弦信号发生器原理

正弦信号发生器原理

       为了精确地输出正弦波调幅波调频波PSKASK等信号,并依据直接数字频率合成(Direct Digital FrequencySvnthesizer,简称DDFS)技术及各种调制信号相关原理,设计了一种采用新型DDS器件产生正弦波信号和各种调制信号的设计方法。采用该方法设计的正弦信号发生器已广泛用于工程领域,且具有系统结构简单,界面友好等特点。
       正弦信号源在实验室和电子工程设计中有着十分重要的作用,而传统的正弦信号源根据实际需要一般价格昂贵,低频输出时性能不好且不便于自动调节,工程实用性较差。本文的设计以较低的成本制作正弦信号发生器,可用作核磁共振中引发磁场测量仪的激励一般的正弦信号,也可作为调制用的教学演示信号源。
    正弦信号发生器主要由两部分组成:正弦波信号发生器和产生调幅、调频、键控信号。正弦波信号发生器采用直接数字频率合成DDS技术,在CPLD上实现正弦信号查找表和地址扫描,经D/A输出可得到正弦信号。具有频率稳定度高,频率范围宽,容易实现频率步进100 Hz。全数字化结构便于集成,输出相位连续,频率、相位和幅度均可实现程控。
    调幅、调频、键控信号的产生可采用调频、调幅专用芯片能分剐实现,但是该方法实现的调频调幅功能,对于某一特定频率和特定的调制度、频偏效果较好,在载波频率可变和调制度、频偏要求任意设定的情况下难以实现。本文利用CPLD和单片机AT89S52不仅可以实现频率范围可调的正弦波信号,而且在CPLD内部加上相应的数字控制算法就能方便地实现调频FM,调幅AM和键控PSK、ASK数字调制功能有利于提高系统的整体性能和工作可靠性。正弦信号产生部分可在一片CPLD(EP1K30)中实现,大大地简化了硬件电路,便于功能扩展,并为进一步实现系统集成创造了条件。

        如图1. 它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面,并具有极高的性价比。

  2.调幅电路:用增益可变运放AD603,其传输带宽高达90MHZ,完全可以满足输出信号频率的要求。

  3.调频电路 :压控振荡器

  压控振荡器的输出频率是随着输入电压的改变而改变的,鉴于此,如果用调制信号来控制压控振荡器的输入电压,即可实现调频。这样显然简单而容易控制,且精度较高。

  4.显示模块:采用液晶(LCD)显示,界面形象清晰,内容丰富,可显示复杂字符,易于和单片机接口,且耗电少,故优先采用。

  5.A/D转换模块:用8位串行A/D转换器TLC549实现,TLC549(TLC548)是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器,它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换,其转换速度小于17us,它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接,构成各种廉价的测控应用系统,且读写TLC549比读写ADC0809简单。


模块说明

  (1)用单片机控制AD9851产生频率为1K至10MHZ的正弦波,自动增益控制实现增益自动调节,当输出幅度过大或偏小时,单片机通过检波电路和A/D 采样调节增益大小。放大级对已调信号进行幅度放大,然后输出至负载。

  (2)检波电路对输出信号采样,经过A/D转换送给单片机处理。

  (3)显示模块对输出信号动态显示

  (4)单片机控制压控振荡器产生频0率随调制信号变化的信号,并把已调信号送到AD9851,作为AD9851的时钟频率,从而实现对载波信号的调频。

  (5)模数转换用8位串行A/DTLC549即可实现。

  (6)二进制数字基带信号用单片机直接产生,这种方式简便,快捷,而且稳定度很好

  理论分析与参数计算

  (1)正弦信号发生器

  DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源,通过精密的相位累加器和数字信号处理,通过高速D/A变换器产生所需的数字波形(通常是正弦波形),这个数字波经过一个模拟滤波器后,得到最终的模拟信号波形。如图2所示,通过高速DAC产生数字正弦数字波形,通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号,最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外,DDS的固有特性还包括:相当好的频率和相位分辨率(频率的可控范围达μHz级,相位控制小于0.09°),能够进行快速的信号变换(输出DAC的转换速率300百万次/秒)。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。

  本系统采用了美国模拟器件公司采用先进DDS直接数字频率合成技术生产的高集成度产品AD9851芯片。AD9851是在AD9850的基础上,做了一些改进以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相对于AD9850的内部结构,只是多了一个6倍参考时钟倍乘器,当系统时钟为180MHz时,在参考时钟输入端,只需输入30MHz的参考时钟即可。如图4(AD9851内部结构)所示,AD9851是由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片、10位的模/数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。其中具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A变换器以及低通滤波器集成到一起。这个高速DDS芯片时钟频率可达180MHz, 输出频率可达70 MHz,分辨率为0.04Hz。

  为了实现调频,DDS的基准信号源采用压控振荡器输出的30 M频率作为基准信号源由于AD9851是贴片式的体积非常小,引脚排列比较密,焊接时必须小心,还要防静电击穿,焊接不好就很容易把芯片给烧坏。还有在使用中数据线、电源等接反或接错都很容易损坏芯片。所以在AD9851外围采用了电源、输入、输出、数据线的保护电路。为了不受外界干扰,添加了不少的滤波电路,显得整个电路更完美。详细电路图如图


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