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摘要：以混合信號單片機 C8051F020及 DDS芯片 AD9834為核心，采用直接數字合成（DDS）技術完成多功能高頻正弦信號發生器的設計。該正弦信號發生器可輸出可調頻穩定正弦信號，頻率最高可達 15MHz，頻率步進為 100Hz、1KHz、10KHz三級步進，在 50歐姆電阻負載情況下輸出電壓峰峰值在 2.54V至 10.40V之間；同時可以產生模擬調幅（ AM）信號、模擬調頻（FM）信號、二進制ASK、PSK、FSK信號。其中：AM信號的調制度可以 10%步進調節，FM信號最大頻偏可以在 5 KHz/10KHz之間選擇。 1 引言 正弦信號應用極為廣泛，通常作為標準信號，用于電子學性能實驗及參數測量，故要求正弦波信號發生器輸出波形具有較高的精度、穩定度及低失真度。產生正弦信號的方法很多，可以采用函數發生器 MAX038或 ICL8038集成芯片外接分立元件來實現，通過調節外接電容或電阻來設置輸出信號頻率。但輸出信號受外部分立器件參數影響很大，且輸出信號頻率不能太高，同時無法實現頻率步進調節。另外，采用 FPGA+D/A可實現正弦信號發生器的設計，同時可實現頻率步進調節，但當輸出高頻信號時，需要高速D/A來配合工作。 本文采用直接數字合成（DDS）技術，采用專用集成芯片 AD9834作為正弦波產生模塊，由 C8051F020作為控制器來完成整個系統的設計。實驗結果顯示：輸出信號頻率在 1 KHz 至15 MHz，且無明顯失真，輸出信號頻率實現 100Hz、1KHz、10KHz三級步進調節；在 50歐姆電阻負載情況下，輸出電壓峰峰值在 2.35V至 10.45V之間；同時可實現模擬調幅信號（AM）、模擬調頻信號（ FM）、二進制幅移鍵控信號（ ASK）、二進制頻移鍵控信號（ FSK）及二進制相移鍵控信號（PSK）的輸出； AM信號的調制度以 10%步進調節； FM信號最大頻偏為 5KHz/10KHz可選。 2 系統設計 系統總體框圖如圖 1所示。系統選取集成混合信號 C8051F020單片機作為主控制器，通過鍵盤與顯示控制芯片 7279來接收功能選擇、參數設置等信息，并將輸出信號頻率等信息實時送往數碼管顯示。同時，控制器將讀取的按鍵信息轉換成控制命令通過串行接口送給 AD9834，由 AD9834產生正弦信號、 ASK、PSK、FSK及 FM信號。而 AM信號的產生則由輸出的正弦信號與 1KHz的帶偏置正弦信號相乘來實現，通過調節直流分量來調節 AM信號調制度。 2.1 正弦信號發生模塊 直接數字合成（DDS）技術具有輸出信號精度高、變頻速度快、輸出信號連續、控制方便及性價比高等諸多優點，因而適用于高頻、高精度正弦信號發生器的設計。本系統選取AD9834，其工作原理示意圖如圖 2所示。它由頻率字寄存器、相位字寄存器、相位累加器、加法器、正弦 ROM表及DAC組成。在控制時鐘信號作用下，累加器將與輸出信號頻率對應的頻率字進行累加，然后與相位字相加以形成最終相位信息。正弦 ROM表則將相位信息轉化為幅值信息，然后由 DAC生成正弦信號 。 輸出信號頻率精度主要由基準頻率精度決定。為增大 AD9834輸出信號幅值，采用高頻運放 AD811進行信號放大。但考慮到輸出信號幅值隨頻率增大而減小的不足，系統采用數控電位計 X9C102來實現可變增益放大，即依據輸出信號頻率的不同來改變數控電位計的值，以改變增益[8]。可變增益放大器原理示意圖如圖 3所示。 圖中：R1為數控電位計 X9C102的等效電阻值。 2.2 PSK、FSK、ASK信號的產生 AD9834有兩個相位字寄存器 PHASE0、PHASE1，可通過片外引腳 PSELECT或片內控制寄存器相關位來選擇 PHASE0或 PHASE1中的值作為輸出信號的初始相位字。據此，向 PHASE0和 PHASE1分別寫入 0和 π所對應的數值（ 000H和 800H），由控制器 C8051F020產生 10kbps的二進制基帶序列接到端口 PSELECT上，輸出端便可得到二進制 PSK信號。 同樣，AD9834有兩個頻率字寄存器 FREQ0、FREQ1，可通過片外引腳 FSELECT或片內控制寄存器相關位來選擇 FREQ0、FREQ1中的值作為輸出信號的頻率字。向 FREQ0和 FREQ1分別寫入兩不同頻率所對應的數值，并由控制器 C8051F020產生 10kbps的二進制基帶序列接到端口 FSELECT上，輸出端便可得到二進制 FSK信號。 而 ASK信號的生成方法與 FSK的生成方法類似，唯一不同的是：須將一個頻率字寄存器中寫入 0Hz所對應的數值。 2.3 模擬調頻（ FM）信號、模擬調幅（ AM）信號的產生 本模塊用一個按鍵實現最大偏頻為 5KHz/10KHz二級程控的選擇。用 8038產生一個頻率為 1kHz、峰峰值為 2V的正弦波作為調制信號，依據按鍵信息判斷是 5K偏頻還是 10K偏頻，然后單片機 F020的 A/D采集調制信號，利用公式 2把頻率轉換成數字量寫入 AD9834的頻率字寄存器中，從而實現模擬調頻。 將 8038產生的頻率為 1kHz的正弦信號作為調制信號，而控制器 C8051F020的 D/A模塊產生直流信號，兩信號通過加法電路形成有偏置的正弦調制信號。此信號與 AD9834產生的正弦信號（載波）經乘法器 AD534產生模擬調幅波。通過調節直流信號大小可以改變模擬調幅信號的調制度。 2.4 按鍵與顯示模塊 該模塊選用鍵盤顯示管理芯片 7279來實現。7279可以自動掃描按鍵陣列，并將按鍵信息存儲。控制器可以通過串行接口讀取按鍵信息，并可將要顯示的信息送入 7279，由 7279自動完成數碼管的掃描顯示。這種設計既簡化硬件連接，又便于軟件處理。 2.5 系統軟件設計 系統軟件設計的總體思想是：控制器讀取鍵盤信息，如果是功能鍵按下，則根據功能選擇執行相應的功能程序段；如果是調節鍵按下，則暫停信號輸出，直至參數設置完畢后，再根據功能選擇項輸出相應信號。 3 測試結果對本系統最終結果進行了實驗測定，結果如表 1所示： 4 結論 本文采用高性能混合信號 C8051F020單片機和 DDS芯片 AD9834實現高頻正弦信號發生器的設計，克服了傳統方法中輸出信號受外界元件參數影響的缺點，同時 AD9834內部集成有高速 A/D，可直接輸出正弦信號，避免外接 A/D，簡化系統硬件結構，提高了系統穩定性；基于 AD9834頻率字及相位字可選的特點，外接部分電路即可產生 AM、FM、ASK、 PSK、FSK等調制信號；AD9834輸出正弦信號精度高、穩定性好、輸出信號連續、控制方便。將基于上述優點的信號發生器應用于工程實踐中，可以提高系統性價比，創造良好的經濟效益。同時，基于 DDS技術的信號發生器將獲得廣泛的應用。 本文作者創新點：利用乘法器將帶偏置的正弦調制信號與載波信號相乘以產生 AM信號，通過調節直流分量的大小以調節 AM信號調制度；通過 A/D采集調制信號，依據調制信號幅值信息來改變輸出信號頻率，從而實現 FM信號的產生。 |
