基于AD9850的信號發(fā)生器畢業(yè)論文

1、課題名稱 基于ad9850的信號發(fā)生器 摘要基于ad9850的正弦信號發(fā)生器主要包括 dds頻率合成器(ad9850)和 spce061a。正弦信號發(fā)生器利用最新的頻率合成技術，實現(xiàn)了1khz10mhz的正弦波輸出，可以輸出調制度可調的am信號，fm信號， psk，ask信號。采用了超寬帶、超低噪聲的高速運放，提高了輸出電壓的幅度。整個系統(tǒng)以spce061a為控制中心，有很高的精確度和穩(wěn)定度。在軟件設計中，通過spce061a對頻率控制字的設置，可以實現(xiàn)相應頻率的信號。輸出信號頻率穩(wěn)定，無明顯失真。關鍵字：dds 數(shù)字頻率合成 spce061a 信號發(fā)生器 abstractthe sine s

2、ingle generator mainly consists of dds frequency synthesizer(ad9850)，spce061a and man-machine-interface module(including keybroad and led). this sine single generator, based on the dds new technique, can generate a sine wave with a frequency ranging from 1khz to 10mhz. the system can also output an

3、am signal with fm signal ，psk or ask signals. applying the low noise, high speed ,wide pass band op amp, the output voltage amplitude is increased. in the whole system, spce061a is controller center, which provides a high precision and stabilization. in software design, by seting frequency control c

4、odes with spce061a, relevant frequency single can be produced. the output single frequency is stable and has little distortion. keyword: dds spce061a single generator 目 錄 摘要iii目 錄v第一章 緒論11.1課題背景11.2信號發(fā)生器的發(fā)展11.3信號發(fā)生器的分類21.4 基本性能2第二章 主要器件簡介32.1 dds技術32.1.1 概述32.1.2 dds技術的發(fā)展現(xiàn)狀32.1.3 具體運行32.1.4 ad9850簡介

5、42.1.5 ad9850各引腳功能52.2 spce061a簡介6第三章：方案論證83.1 主控制器的選擇83.2 正弦信號的產生83.3 輸出電壓放大93.4 fm調頻電路93.5 am調幅電路103.6 二進制psk和ask信號的產生103.7硬件與軟件接口方案103.8 軟件控制功能方案11第四章 硬件電路設計134.1正弦信號產生134.2 帶負載輸出144.3 正弦調制信號的產生144.4 am調幅信號的產生144.5 ask、psk的產生15第五章 軟件設置165.1軟件功能的實現(xiàn)165.2軟件流圖175.2.1 主程序175.2.2 fm信號的實現(xiàn)185.2.3 鍵盤掃描流程圖

6、185.3 信號頻率控制字196.1測試儀器與方法216.1.1 測試儀器216.1.2 測試方法：216.1.3 指標測試216.2 波形顯示236.3 結論23參考文獻24謝辭25附錄a26附錄b27附錄c28第一章 緒論1.1課題背景在信號發(fā)生器中,常常需要輸出頻率可預置、步長可變、步進可調的信號。所以常常需要用到頻率合成技術。常用的頻率合成技術（fs，frequency systhesis）有模擬鎖相環(huán)、數(shù)字鎖相環(huán)，小數(shù)分頻鎖相環(huán)等，而直接數(shù)字頻率合成技術（dds）是隨著數(shù)字集成電路和微電子技術的發(fā)展而出現(xiàn)的新的合成技術。它從相位的概念出發(fā)進行頻率合成，采用了數(shù)字采樣存儲技術，具有相位

7、精確、頻率分辨力高、轉換時間短等優(yōu)點，是近年來新的fs技術，dds專用芯片在從測量設備到無線和衛(wèi)星通信等領域得到了廣泛的應用，它使用一個內置高性能數(shù)模轉換器(dac)以將參考頻率轉換成受極精細頻率控制的采樣正弦波。在參考時鐘的控制下，相位累加器對頻率控制字進行線性累加，得到的相位碼對波形存儲器尋址，使之輸出相應的幅度碼，經過數(shù)模轉換器得到相對應的階梯波，最后經低通濾波器得到連續(xù)變化的所需頻率的波形。其采用全數(shù)字式實現(xiàn)頻率合成。直接對參考時鐘進行抽樣和數(shù)字化，然后通過數(shù)字計算技術進行頻率合成。因此它具有轉換速度快，頻率分辨率高，輸出相位持續(xù)，可編程、體積小易于集成、功耗低等優(yōu)點，是其他頻率合成技

8、術無法比擬的。 目前傳統(tǒng)的方法往往采取壓控振蕩器或分立模塊組成的“直接數(shù)字頻率合成器”(簡稱dds) 等方式產生,這些方式存在的缺點是頻率準確度不高、頻率范圍較窄、調整不方便、電路復雜，可靠性也差。而今由于大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，已有多種dds芯片可供選擇。為此,本文介紹了用美國analog devices公司的ad9850芯片，設計實用信號源的方法本次設計一個正弦信號發(fā)生器，使用凌陽公司的spce061a單片機作為cpu，同時又結合dds芯片ad9850技術，產生1k10mkhz頻率可調的正弦信號,正弦信號頻率設定值可斷電保存；采用寬頻放大技術，產生載波頻率可設定的fm和am信號；調制信號

9、為1khz的正弦波，調制信號的產生采用dds技術，利用二進制基帶序列碼，在固定載波頻率下進行數(shù)字鍵控，產生ask，psk信號。系統(tǒng)操作簡單，快捷，且系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性高。能產生任意波形并達到很高的頻率。但成本較高。1.2信號發(fā)生器的發(fā)展信號發(fā)生器是一種最悠久的測量儀器，早在20年代電子設備剛出現(xiàn)時它就產生了。隨著通信和雷達技術的發(fā)展，40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機的標準信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器從定性分析的測試儀器發(fā)展成定量分析的測量儀器。同時還出現(xiàn)了可用來測量脈沖電路或用作脈沖調制器的脈沖信號發(fā)生器。由于早期的信號發(fā)生器機械結構比較復雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展速度比較慢。直到

10、1964年才出現(xiàn)第一臺全晶體管的信號發(fā)生器。自60年代以來信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，這個時期的信號發(fā)生器多采用模擬電子技術，由分立元件或模擬集成電路構成，其電路結構復雜，且僅能產生正弦波、方波、鋸齒波和三角波等幾種簡單波形，由于模擬電路的漂移較大，使其輸出的波形的幅度穩(wěn)定性差，而且模擬器件構成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產生較為復雜的信號波形則電路結構非常復雜。自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器、模數(shù)轉換器和數(shù)模轉換器，硬件和軟件使信號發(fā)生器的功能擴大，產生比較復雜的波形。這時期的信號發(fā)生器多以軟件為主，實質是采用微處理器對dac的程序控制，就可以

11、得到各種簡單的波形。軟件控制波形的一個最大缺點就是輸出波形的頻率低，這主要是由cpu的工作速度決定的，如果想提高頻率可以改進軟件程序減少其執(zhí)行周期時間或提高cpu的時鐘周期，但這些辦法是有限度的，根本的辦法還是要改進硬件電路。隨著現(xiàn)代電子、計算機和信號處理等技術的發(fā)展，極大促進了數(shù)字化技術在電子測量儀器中的應用，使原有的模擬信號處理逐步被數(shù)字信號處理所代替，從而擴充了儀器信號的處理能力，提高了信號測量的準確度、精度和變換速度，克服了模擬信號處理的諸多缺點，數(shù)字信號發(fā)生器隨之發(fā)展起來。1.3信號發(fā)生器的分類研究或調整電子電路及設備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應、噪聲系數(shù)，為電壓表定度

12、等，都要求提供符合所定技術條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設備的激勵信號。當要求進行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。當測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出信號的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內進行精確調整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。信號發(fā)生器的應用非常廣泛，種類繁多。首先，信號發(fā)生器可以分通用和專用兩大類，專用信號發(fā)生器主要為了某種特殊的測量目的而研制的，如電視信號發(fā)生器、脈沖編碼信號發(fā)生器等。這種發(fā)生器的特性是受測量對象的要求所制約的。其次，信號發(fā)生器按輸出波形又可分為正弦波信號

13、發(fā)生器、脈沖波信號發(fā)生器、函數(shù)發(fā)生器和任意波發(fā)生器等。再次，按其產生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般傳統(tǒng)的信號發(fā)生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來產生正弦振蕩，獲得所需頻率。但也可以通過頻率合成技術來獲得所需頻率。利用頻率合成技術制成的信號發(fā)生器，通常被稱為合成信號發(fā)生器。 信號源可以根據(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)生器等四大類。正弦信號是使用最廣泛的測試信號。這是因為產生正弦信號的方法比較簡單，而且用正弦信號測量比較方便。正弦信號源又可以根據(jù)工作頻率范圍的不同劃分為若干種。1.4 基本性能（1） 可以產生輸出頻率范

14、圍為1khz10mhz的正弦波（2） 輸出信號頻率穩(wěn)定度：優(yōu)于10-4；（3） 輸出電壓幅度：在50歐姆負載電阻上的電壓峰-峰值vopp1v。（4） 失真度：用示波器觀察時無明顯失真。 第二章 主要器件簡介2.1 dds技術2.1.1 概述一個基本的dds電路包括電子控制器、隨機訪問存儲器（ram）、頻率參考源（通常是晶振）、計數(shù)器和數(shù)模轉換器（dac）。要使dds系統(tǒng)工作需要兩個操作階段：我們稱之為編程和運行。 本次設計采用spce061a實現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成技術（dds）產生出所需要的信號波形,不僅大大提高信號源的分辨率，而且可以有效的降低了制造成本和縮小了產品體積。2.1.2 dds技術

15、的發(fā)展現(xiàn)狀隨著無線電技術迅速發(fā)展，雷達、導航、宇宙飛行、導彈及空間探索工作的開展，需要高精度、高穩(wěn)定的頻率標準源。目前，作為頻率標準源的有石英晶體振蕩器、氫原子振蕩器等。近幾十年來，頻率標準源的準確度和穩(wěn)定度有很大提高，但原子頻標造價昂貴，石英晶體也是稀有金屬，并且這些頻率標準基本上都只能輸出單一頻率，而目前生產實踐和科學研究中，往往需要獲得大量的高穩(wěn)定度頻率。如果大量高穩(wěn)定頻率都用原子標頻或石英晶體，不但造價驚人，而且體積龐大，在實際應用中極不方便。因此在實踐中，人們利用各種頻率合成技術產生出了符合實際生產需要的各種頻率的信號。直接數(shù)字頻率合成（dds）是近年來發(fā)展起來的一種新的數(shù)字式頻率合

16、成技術。它是1971年美國學者j.tierncy，c.m.rader和b.gold提出來的從相位概念出發(fā)合成所需波形的一種新的全數(shù)字頻率合成技術。近20年間，隨著技術和器件水平的提高，其優(yōu)勢日益明顯，dds技術得到了飛速的發(fā)展。dds技術的主要優(yōu)點是相對帶寬很寬、頻率轉換時間極短（可小于20ns）、頻率分辨率很高、全數(shù)字化結構便于集成、輸出相位連續(xù)、頻率、相位和幅度均可實現(xiàn)程控。因此，能夠與計算機緊密結合在一起，充分發(fā)揮軟件的作用。作為應用，現(xiàn)在已有dds產品用于接收機本振、信號發(fā)生器、通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、跳頻通信系統(tǒng)等。自80年代以來各國都在研制dds產品，隨著基礎電路制造工藝的逐步提高，通

17、過采用先進的工藝和低功耗的設計，dds的工作速度已經有了很大提高并廣泛地應用于各個領域。其中以ad公司的產品比較有代表性。如ad7008,ad9850,ad9851,ad9858,ad9953等，其系統(tǒng)的時鐘頻率從30mhz到1ghz不等。這些芯片還具有調制功能，如ad7008可以產生正交調制信號，ad9852也可以產生ask,psk，線性調頻以及調幅信號。芯片內部采用了優(yōu)化設計，大多采用了流水技術，提高了相位累加器的工作頻率，進一步提高了dds芯片的輸出頻率。通過利用流水技術在保證相位累加器工作頻率的前提下，相位累加器的字長可以設計得更長，如ad9953的相位累加器達到了32位。同時為了抑制

18、雜散，這些芯片大多采用了隨機抖動法提高無雜散動態(tài)范圍。雖然dds技術的應用日益廣泛，但是目前可以產生多通信信號的儀器數(shù)量很少而且價格非常昂貴，在現(xiàn)代的通信對抗和無線電監(jiān)測研究中，人們多使用的是基于dds技術的任意波形發(fā)生器，使用前需將所需波形的數(shù)據(jù)輸入儀器，過程非常繁瑣，信號參數(shù)改變時需重新產生和輸入數(shù)據(jù)，操作也不很方便，使dds技術的使用受到了限制。2.1.3 具體運行a).編程在編程這一階段里，電子控制器把數(shù)據(jù)載入至存儲器中。數(shù)據(jù)的每一個單元是一個用來表示當前時刻信號幅度的二進制數(shù)。存儲器中這些數(shù)據(jù)的排列（數(shù)組）構成一張振幅表，表示每一時刻當前波形的振幅。舉個例子，在一張振幅表中，前一半的

19、數(shù)全為0，后一半全為波形振幅的最大值（100%），這些數(shù)據(jù)就表示“方波”了。任何波形都可以通過簡單地改變這些數(shù)據(jù)來產生。b). 運行在運行這一階段中，計數(shù)器（可以稱之為相位累加器）受頻率參考源的指示，每一個脈沖自增。相位累加器的輸出（相位）通常就是數(shù)組中依次輸出的各個數(shù)據(jù)。最后會被dac依次轉換成模擬波形。為了產生周期波形，電路被設計成每一個波形周期的時間片讀取振幅表中的一個數(shù)據(jù)。舉個例子，如果參考頻率是1mhz，而且振幅表中包含1000個數(shù)據(jù)，以自增1的方式讀完整個振幅表需要1000 / 1 mhz = 1 ms，所以最后輸出波形的頻率為1/(1 ms) = 1 khz。系統(tǒng)能產生更高的輸出

20、頻率通過簡單地增加相位自增速度，從而使計數(shù)器能更快地讀完一遍振幅表。在上面的那個例子中，相位自增的幅度是1，所以如果自增的幅度設為2，則輸出波形的頻率將提高一倍。為了能較好地控制頻率，可將標準的相位自增幅度設為10。這樣微調輸出頻率。舉個例子，如果將相位自增幅度提至11則會增加10%的輸出頻率。當將相位自增幅度減至9時，輸出頻率會相應地減小。為了獲得更加精確的輸出頻率，需用計數(shù)器和dac擁有較多的位數(shù)。c).執(zhí)行細節(jié)實際執(zhí)行中通常在32位的相位累加器和相位自增中設置查找表在大小為2的n次方。通常計數(shù)器的高位8或10比特用作查找表的索引（查找表的大小通常為256或1024）。剩余的低位比特可被作

21、為參數(shù)或索引，用來竄改查找表中鄰近的數(shù)據(jù)。經常用線性插值法來實現(xiàn)。頻率源通常由一個1mhz至100mhz的晶振產生。 最高頻率產生的方式取決于查找表的大小和（頻率源的）頻率。為了能產生清晰的波形，（查找表中）必須擁有最少的采樣點。如果相位自增幅度太大，計數(shù)器閱遍查找表太快從而導致輸出信號的失真。 dds的實現(xiàn)有軟件與硬件兩種。由于dds的實時性，軟件的實現(xiàn)通常只用于聲音頻率的產生。2.1.4 ad9850簡介ad9850 采用先進的cmos 工藝, 其功耗在3.3v 供電時僅為155mw,溫度范圍為-4080, 采用28 腳ssop 表面封裝形式。圖中層虛線內是一個完整的可編程dds系統(tǒng),外層

22、虛線內包含了ad9850的主要組成部分。ad9850內含可編程dds系統(tǒng)和高速比較器,能實現(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, 它由一個加法器和一個n位相位寄存器組成，n為32；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, 然后驅動dac 以輸出模擬量。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, 相應地正弦查詢表每經過一個循環(huán)也回到初始位置, 從

23、而使整個dds系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出的正弦波周期to = tc2n/m，頻率fout = mfc/2n ，tc、fc 分別為外部參考時鐘的周期和頻率。ad9850采用32位的相位累加器將信號截斷成14 位輸入到正弦查詢表,查詢表的輸出再被截斷成10 位后輸入到dac， dac輸出兩個互補的電流。dac滿量程輸出電流通過一個外接電阻rset調節(jié), 調節(jié)關系為iset = 32 (1.248v/ rset) , rset的典型值是3.9k。ad9850在接上精密時鐘源和寫入頻率相位控制字之后就可產生一個頻率和相位都可編程控制的模擬正弦波輸出, 此正弦波可直接用作頻率信號源或經內部的高速比較器轉換

24、為方波輸出。在125mhz 的時鐘下, 32 位的頻率控制字可使ad9850 的輸出頻率分辨率達0.0291hz；并具有5位相位控制位,而且允許相位按增量180、90、45、22.5、11.25或這些值的組合進行調整。 圖1 dds應用模塊實物圖 圖2 ad9850組成框圖2.1.5 ad9850各引腳功能ad9850的封裝形式如圖3所示d0d7：8位數(shù)據(jù)輸入口，可給內部寄存器裝入40位控制數(shù)據(jù)。w-clk：字裝入信號，上升沿有效。fq-ud；頻率更新控制信號，時鐘上升沿確認輸入數(shù)據(jù)有效。 圖3 ad9850引腳圖l agnd: 模擬地。l avdd：模擬電源（+5v）l dgnd: 數(shù)字地。

25、l dvdd：數(shù)字電源（+5v）l rset，dac：外部復位連接端。l voutn: 內部比較器的負向輸出端。l voutp:內部比較器的正向輸出端。l vinn:內部比較器的負向輸入端。l vinp:內部比較器的正向輸入端。l dacbp:dac旁路連接端。l ioutb:“互補”dac輸出。l iout:內部dac輸出端。l reset:復位端。2.2 spce061a簡介 隨著單片機功能集成化的發(fā)展，其應用領域也逐漸地由傳統(tǒng)的控制，擴展為控制處理以及數(shù)字信號處理等領域。為此，凌陽最新推出了16位單片機，如圖所示圖4 61板功能圖spce061a的cpu為16位微處理器，其內部含有8個寄

26、存器，4個通用寄存器r1r4，1個程序計數(shù)器pc，1個堆棧指針sp，1個基址指針bp，1個段寄存器sr，通用寄存器r3和r4結合組成一個32位寄存器mr，mr可以作為乘法運算和內積運算的目標寄存器。內嵌2kb的sram和32kb閃存flash rom。系統(tǒng)時鐘由鎖相環(huán)（pll）振蕩器為系統(tǒng)提供一個實時時鐘的基頻（32768hz），然后將基基頻進行倍頻，調整至49.152mhz，40.96mhz，32.768mhz，24.576mhz或20.480mhz。系統(tǒng)時鐘頻率（fosc）和cpu時鐘頻率（cpuclk）可通過編程來控制。默認的fosc，cpuclk分別為24.576mhz和fosc/8.

27、透過對32768hz實時時鐘源分頻而提供了多種實時時鐘中斷源。低電壓監(jiān)測和低電壓復位低電壓監(jiān)測功能可以提供系統(tǒng)內電源電壓的使用情況?？梢酝ㄟ^編程來控制，系統(tǒng)默認的電壓監(jiān)測低限為2.4v。4極電壓監(jiān)測底限：2.4v,2.8v,3.2v和3.6v。spce061a具有2種中斷方式：快速中斷請求fiq中斷和中斷請求irq中斷。中斷控制器可處理3種fiq中斷和14種irq中斷，以及1個由指令break控制的軟中斷。系統(tǒng)有兩個可編程口：a口和b口。a口既是具有可編程喚醒功能的普通i/o口，又可與adc的多路linein輸入公用，b口除了具有普通i/o口的功能外，在特定的管腳上還可以完成一些特殊的功能。i

28、/o口兼容5vttl邏輯電平。spce061a提供2個16位的定時器/計數(shù)器：timera和timerb。timera為通用寄存器；timerb為多功能計數(shù)器。時基信號，來自于32768hz實時時鐘，通過頻率選擇組合而成。此外，時基信號發(fā)生器還可以直接生成2hz，4hz，1024hz，2048hz以及4096hz的時基信號，為中斷系統(tǒng)提供各種實時中斷源信號。圖5 spce061a封裝引腳圖spce061a有8個10位模數(shù)轉換通道，其中7個通道用于將模擬量信號轉換為數(shù)字量信號，可直接通過（ioa0-6）輸入。另外有一個通道只作為語音輸入通道，通過內置有自動增益控制放大器的麥克風通道（mic in

29、）輸入。spce061a為音頻輸出提供了2個10位的模數(shù)轉換器（輸出為電流型），即dac1和dac2。dac1,dac2轉換輸出的模擬量電流信號分別通過aud1和aud2管腳輸出。串行設備接口串行輸入輸出sio提供了1個1位的串行接口，用于與其他設備進行數(shù)據(jù)通訊。在spce061a內通過iob0和iob1這兩個端口實現(xiàn)與設備進行串行數(shù)據(jù)交換功能。更為可貴的是，廠家提供的開發(fā)環(huán)境支持c語言和匯編語言程序設計，以及c語言和匯編語言的混合編程，大大方便了用戶的程序設計，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率，降低了開發(fā)成本。第三章 方案論證根據(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、輸出電壓放大模塊、fm

30、調頻電路模塊、am調幅電路模塊和人機界面模塊構成。如下圖圖6 系統(tǒng)模塊框圖3.1 主控制器的選擇方案一：采用通用的51單片機at89s52作為主控制器，完成數(shù)據(jù)處理，dds的頻率輸出控制，鍵盤的掃描及液晶顯示器的顯示控制等。由于51單片機內部的ram和rom都比較小，考慮到實現(xiàn)本系統(tǒng)需要大量的數(shù)據(jù)處理及液晶顯示需占用大量的rom資源等，用51單片機實現(xiàn)本系統(tǒng)就需外擴ram和rom，實現(xiàn)起來比較麻煩。而且本系統(tǒng)需要用a/d轉換器采樣調制信號實現(xiàn)調頻信號的輸出，使用51單片機就需外擴一片a/d轉換芯片，實現(xiàn)也比較麻煩。而且基于整個系統(tǒng)的速度要求，51單片機也不能滿足要求。方案二：采用凌陽公司的16

31、位單片機spce061a作為主控制器。由于spce061a內置有2k字的sram和32k字的內存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)轉換器adc，可以滿足系統(tǒng)采樣調制信號的要求；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)互相調用，使其開發(fā)更加容易，實現(xiàn)整個系統(tǒng)更加簡單?；诖?，本系統(tǒng)采用方案二，利用凌陽的16位單片機spce061a作為主控

32、制器。3.2 正弦信號的產生方案一：采用反饋型lc振蕩原理，選擇合適的電容、電感就能產生相應的正弦信號。此方案器件比較簡單，但是難以達到高精度的程控調節(jié)，而且穩(wěn)定度不高，故不采用。方案二：采用dds技術的基本原理。dds技術是基于 nyquist 采樣定理，將模擬信號進行采集，經量化后存入存儲器中（查找表），通過cpld或者fpga進行尋址查表輸出波形的數(shù)據(jù)，再經d/a 轉換濾波即可恢復原波形。根據(jù) nyquist 采樣定理知，要使信號能夠恢復，必須滿足采樣頻率大于被采樣信號最高頻率的2倍，否則將產生混疊，經d/a 不能恢復原信號。此方案產生的波形比較穩(wěn)定，在高頻輸出時會產生失真，而且電路比較

33、復雜，故不采用。方案三：直接采用dds集成芯片。ad9850是ad公司生產的dds芯片，帶并行和串行加載方式，ad9850 內含可編程dds 系統(tǒng)和高速比較器,能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成。由于dds集成芯片能達到要求，而且節(jié)省硬件電路，程控調節(jié)能夠方便實現(xiàn)，本設計采用方案三，作為1k10mhz正弦信號發(fā)生。綜上所述，選擇方案三，用專用dds芯片ad9850產生正弦波。ad9850是采用dds技術、高度集成化的器件，當它在并行工作方式時，有8根數(shù)據(jù)線、3根控制線與單片機相連。ad9850的頻率控制字為： （公式1）其中為頻率控制字，為要輸出的正弦的頻率，為系統(tǒng)時鐘的頻率，由晶振產生。3.3

34、輸出電壓放大方案一：采用高頻三極管做功率放大。選擇恰當?shù)碾娮韬碗娙輥韺崿F(xiàn)符合題目要求的放大倍數(shù)。但是使用三極管放大時，信號放大的穩(wěn)定性不高，很難滿足題目的要求。故不采用。方案二：采用寬頻運算放大器做前級電壓放大，ad8056可以達到300m的帶寬，而且頻率穩(wěn)定性好。在后級加上互補對稱的推挽式輸出電路做電流放大作用。所以在本設計中采用了方案二。3.4 fm調頻電路方案一：使用變容二極管直接調頻。變容二極管是根據(jù)pn結的結電容隨反向電壓改變而變化的原理設計的一種二極管。加反向偏壓時，變容二極管呈現(xiàn)一個較大的結電容。變容二極管要并接在產生中心頻率振蕩的選頻網絡的兩端，并加上調制信號，使中心頻率隨調制

35、信號的幅值的改變而改變，從而達到調頻作用。但是本方案會使電路產生的頻偏不穩(wěn)定，容易產生中心頻率偏移。方案二：采用鎖相環(huán)進行調制，采用鎖相環(huán)路調頻，能夠達到中心頻率高度穩(wěn)定的調頻信號。由于鎖相環(huán)能跟蹤并鎖定中心頻率。從而使中心頻率有足夠高的穩(wěn)定度。而調制信號就加在vco（壓控振蕩器）的輸入端，從而使中心頻率隨調制信號的幅值的改變而改變。本方案比較直觀，而且中心頻率和頻偏都比較準確，但是電路復雜，故不采用。方案三：凌陽的單片機芯片spce061a內部集成有10位adc。可先將調制信號離散化，當采集完一個周期（1ms）的數(shù)據(jù)后，計算出每相鄰兩個抽樣點的偏移量，這樣就可以根據(jù)偏移量控制改變dds的輸出

36、頻率，從而達到調頻效果，而且硬件設計簡單。本設計使用方案三。圖7鎖相環(huán)框圖3.5 am調幅電路方案一：采用單二極管開關狀態(tài)調幅電路,使二極管近似處于一種理想的開關狀態(tài)下,在兩個不同頻率電壓作用下進行頻率交換。方案二：采用二極管平衡調幅電路,它是利用二極管的開關狀態(tài)和平衡抵消的措施,經調幅后通過帶通濾波器就可以得到調幅信號。前面兩種方案電路實現(xiàn)比較復雜,而且由于采用分立元件，穩(wěn)定性比較差，調試困難。方案三：采用模擬乘法器調幅電路，它是一種完成兩個模擬信號相乘作用的電路，起到頻率搬移的作用，若采用專門的模擬乘法器芯片，電路實現(xiàn)簡單，穩(wěn)定性比較好，功能實現(xiàn)容易，符合題目要求?；诖?，本系統(tǒng)采用方案三

37、，選用集成模擬乘法器mc1496實現(xiàn)am的模擬調幅。3.6 二進制psk和ask信號的產生方案一：直接采用dds實現(xiàn)ask和psk，用程序直接控制dds輸出二進制psk和ask信號，根據(jù)碼序列中的0或1直接控制dds的相移，便可以實現(xiàn)psk調制功能，而控制dds開和關即可實現(xiàn)ask調制。本方案直接用軟件來實現(xiàn)產生二進制ask，psk信號，基本不用硬件電路,比較方便,但經過試驗,輸出的信號不穩(wěn)定。故不采用。方案二：采用數(shù)字鍵控的方法來實現(xiàn)，采用模擬開關，利用基帶信號控制模擬開關的選通或關閉來實現(xiàn)ask調制。實現(xiàn)psk調制時，把100k的載波信號分接成兩路，其中一路接增益為-1的運放電路，將載波信

38、號移相180度。本方案硬件設計也比較簡單,輸出的信號比較穩(wěn)定，各種指標符合題目要求?；诖吮鞠到y(tǒng)采用了方案二實現(xiàn)產生二進制psk，ask信號。3.7硬件與軟件接口方案系統(tǒng)采用凌陽spce061a十六位單片機控制dds芯片，軟件采用了凌陽公司的minios實時操作系統(tǒng)，并采用了事件驅動的編程思想。主任務就是一個消息驅動的線程，等待任務和其他中斷發(fā)出事件請求來完成各種功能。具體功能為各種參數(shù)的設定；頻率步進等?？刂颇K主要為凌陽單片機spece06a。信號生成采用數(shù)字方式在單片機中實現(xiàn)，因此信號產生模塊是整個系統(tǒng)的核心，包含基本的下載、調試和io等功能。軟件編程主要是根據(jù)ad9850的控制字方式,

39、把具有不同功能的控制字寫入到芯片內部。以并行輸入方式為例,對ad9850操作的40 位控制字各位的功能如表1 所列。在這種方式下當外部參考時鐘頻率為10mhz 的情況下,如果要滿足以下幾種技術要求:l 相位置于180;l 選擇powerup 模式;l 輸出信號頻率為10mhz。根據(jù)表1 控制數(shù)據(jù)格式及式(1) 給出的輸出頻率和輸出相位計算公式,可知40 位控制數(shù)據(jù)應按如下給出:w0 = 10000001 ;w1 = 00110101 ;w2 = 01010101;w3 = 01010101;w4 = 01010101 。由以上數(shù)據(jù)并根據(jù)芯片相應的控制方式,在ad9850 復位后,由單片機給出合

40、適的w- cl k 和fq - ud 信號,即可通過簡單的操作完成預期的功能。 圖8 單片機與ad9850連接圖 表1 ad9850控制字（2）并行接口方式并行接口電路比較簡單，但是占用單片機資源相對較多，ad9850的數(shù)據(jù)線d0d7和fq-ud、w-clk與iob口相連，所有的時序關系均可通過軟件控制實現(xiàn)。將dds控制從高至低存放于低，并準備下一字節(jié)的發(fā)送，連續(xù)發(fā)送5個字節(jié)后，須將fq-ud再次置高，以使ad9850根據(jù)剛輸入的控制字更改頻率和相位輸出，隨后再置fq-ud為低，準備下一組發(fā)送。3.8 軟件控制功能方案ad9850有兩種與微機并行打印機相連的評估版，并配有windows下運行的

41、軟件，可以作為應用參考，但運用單片機實現(xiàn)對dds的控制與微機實現(xiàn)的控制相比，具有編程控制簡便和接口簡單等優(yōu)點，因此，本系統(tǒng)采用凌陽spce061a單片機作為控制核心來向ad9850發(fā)送控制字。單片機與ad9850的接口既可以采用并行方式，也可以采用串行方式，但為了充分發(fā)揮芯片的高速性能，應在單片機資源允許的情況下，盡可能選用并行方式。并行工作方式時，有8根數(shù)據(jù)線、3根控制線與單片機相連。ad9850的頻率控制字可根據(jù)公式（1）進行計算，然后將計算出的控制字寫入單片機，再由單片機向ad9850發(fā)送相應的數(shù)據(jù)，便可以產生相應頻率的波形。以模擬頻率調制方案為例，我們采用軟件調頻的方案，通過中斷單片機

42、采樣調制信號，然后通過線性運算把采樣得到的電壓值轉換成對應的頻偏值，然后與當前設置的中心頻率相加，換算成頻率控制字送到dds，這樣就實現(xiàn)了fm，如圖 9（a）。但是根據(jù)題目要求，調制信號為固定的1khz正弦，所以，我們就去掉了繁雜的采集和運算，直接把對應于1khz正弦信號的頻偏控制字存儲為一個表，然后通過中斷把這個表里的頻偏控制字和當前中心頻率控制字相加送出。當前中心頻率和頻偏表里的每一個元素分別做這樣一次運算之后得到頻率控制字表并存儲。之后打開32khz的中斷，從這個表里依次取值送出。這個中斷服務過程中單片機沒有一點運算。此過程見圖9（b） (a) (b)圖9 頻率調制實現(xiàn)框圖第四章 硬件電

43、路設計4.1正弦信號產生基于ad9850的正弦信號發(fā)生器以凌陽spce061a單片機和ad9850為核心，包括鍵盤和顯示模塊，電壓放大模塊，am調幅模塊，psk/ask鍵控模塊。信號的產生與控制部分電路由dds芯片與spce061a單片機組成，用戶通過鍵盤輸入信號要求被spce061a接受，并經過處理后將計算出的數(shù)據(jù)傳送給ad9850，由ad9850產生頻率幅度可控的信號。系統(tǒng)總體框圖如下圖所示圖10 系統(tǒng)總體框圖因為要考慮到fm調頻，本系統(tǒng)使ad9850工作于并行方式接線，以提高頻率的切換速度。從而達到調制1k正弦波的要求。參考時鐘使用42m晶振，設計低通濾波器時，就要去掉42m的高頻干擾。

44、dds輸出的帶寬比較高，低通濾波器要采用lc做成7階切貝雪夫低通濾波。4.2 帶負載輸出要達到6v1v的帶負載輸出，我們先使用寬頻運放ad8056做前級放大，為了達到合適的電壓增益，我們使用了兩級放大切換，改變放大的級數(shù)以便適應增益要求；經運放輸出的電壓電流較弱，帶負載能力不強，所以要在運放的后級加上一級推挽輸出，提高輸出電流。在推挽輸出端接上了50電阻，輸出幅度能達到題目的要求。圖11 寬頻放大電路4.3 正弦調制信號的產生1k正弦調制信號的產生采用dds技術。 dds技術采用全數(shù)字技術實現(xiàn)頻率合成，和其它一般的頻率合成技術相比，有一些突出的優(yōu)點和獨特的性能：dds 在相對帶寬、頻率轉換時間

45、、頻率分辨率、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術所能達到的水平，為本系統(tǒng)實現(xiàn)am，fm調制提供了穩(wěn)定的正弦調制信號。dds 技術的實現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件?？删幊踢壿嬈骷云渌俣雀?、規(guī)模大、可編程，以及有強大eda 軟件支持等特性，十分適合實現(xiàn)頻率的合成。4.4 am調幅信號的產生幅度調制是正弦波或脈沖序列的幅度隨調制信號線形變化的過程,標準調幅信號可表示為：其中：其中為外加直流，固定，為調制信號，改變就可以控制調制度。 在am 調幅中, 輸出已調信號的包絡與輸入調制信號成正比,基于此我們采用控制輸入調制信號的幅度來改變調制度, 使其可在10%

46、100%之間程控調節(jié)，步進量10%.圖12 am調幅電路實物圖4.5 ask、psk的產生ask、psk一般采用數(shù)字鍵控的產生方法，選用模擬開關cd4052來實現(xiàn)數(shù)字鍵控。要實現(xiàn)psk還要增加一級放大增益為-1的運算放大電路，使載波信號產生一路的180度相移。 其原理圖如下：圖13 ask 電路圖 圖14 psk電路圖圖15 askpsk鍵控實物圖第五章 軟件設置5.1軟件功能的實現(xiàn)系統(tǒng)軟件部分主要包括了操作菜單，各種信號的設置和控制。正弦波產生過程為：頻率設置，數(shù)據(jù)處理，然后控制dds芯片完成各種頻率的正弦波產生；調幅波產生過程為：通過調制系數(shù)的設置，控制d/a轉換器輸出，可得到不同幅值的調

47、制波，與載波相乘來實現(xiàn)調幅波的產生；psk、ask產生：通過mcu對模擬開關的控制來完成psk、ask的產生。調頻信號產生過程：通過a/d轉換器采集調制信號，然后根據(jù)調制信號的幅度計算出頻偏，把頻偏數(shù)據(jù)下載到dds即可實現(xiàn)調頻信號的產生。 圖16 系統(tǒng)總體設計框圖軟件采用了凌陽公司的minios實時操作系統(tǒng)，并采用了事件驅動的編程思想。主任務就是一個消息驅動的線程，等待鍵盤任務和其他中斷發(fā)出事件請求來完成各種功能。具體功能有：圖形化的操作界面；各個功能的切換；各種參數(shù)的設定；頻率步進等。利用消息驅動機制實現(xiàn)了圖形動態(tài)菜單。使操作界面更加直觀，更加人性化，操作更簡單。消息驅動的簡單數(shù)據(jù)結構：un

48、ion _event_flag_struct _bit_flagunsigned char intosubmenu :1;unsigned char returnminmenu :1;unsigned char cannel :1;unsigned char ok :1;unsigned char ask :1;unsigned char psk :1;unsigned char am :1;unsigned char fm :1;unsigned char sine :1;unsigned char reserve :9;/保留bit;unsigned char value;my_event

49、=0x0000; 里面包括七個事件標志變量，被定義為_event_flag_的共用體。當my_event的具體位被置為1的時候就表示相應的事件發(fā)生，并請求消息處理任務對事件進行處理。復雜的消息驅動機制還需要相應的消息隊列，郵箱等等。圖17 事件處理任務流程圖5.2軟件流圖5.2.1 主程序主程序可控制整個系統(tǒng)，包括控制系統(tǒng)的初始化、運算、頻率控制等子程序，其主程序流程如圖所示。 圖 18 具體程序流程圖 圖19 主程序流程圖初始化可將系統(tǒng)設定為默認工作狀態(tài)，通過判斷各功能標志位來確定應完成的功能當執(zhí)行完后掃描程序并以此循環(huán)，等待下一次命令輸出，從而實現(xiàn)各種功能。5.2.2 fm信號的實現(xiàn)fm信

50、號的實現(xiàn)是通過中斷把1khz頻率控制字表里，頻率控制表里的頻寬控制字和當前中心頻率控制字相加送入dds產生。 圖20 fm信號的產生流圖 圖21 鍵盤掃描流程圖圖22 頻率設置5.2.3 鍵盤掃描流程圖本系統(tǒng)采用2*8行列式鍵盤來節(jié)約i/o口，并用程序把8根線全部拉低，再判斷2根行線是否有低電平，如果沒有，說明沒有按下，系統(tǒng)則推出鍵盤掃描程序，否則，依次拉低列線，然后依次判斷行線是否有低電平并判斷鍵號，鍵號確定后再轉到鍵號相對應的功能程序去執(zhí)行。鍵盤主要方便用戶設置頻率，幅度，選擇工作方式等，其流程圖如上圖21所示。5.3 信號頻率控制字該部分程序主要用于將輸入值轉換成十六進制數(shù)據(jù)，然后產生相

51、應的頻率控制字并送至dds芯片，以改變dds的相位增量，最終輸出相應頻率信號。其控制字則是ad9850模塊所提供的40位頻率控制字，如圖23所示：圖23 控制字并行輸入時序圖由于本系統(tǒng)采用50m晶振，則有公式（1）可算的得控制字為85.89934592控制部分可用以下程序表示：void ddsctrol()unsigned temp,i,j;unsigned char fre5;freq0=key_sbuf5*100+key_sbuf6*10+key_sbuf7;freq1=key_sbuf1*1000+key_sbuf2*100+key_sbuf3*10+key_sbuf4;freq_ctr

52、0=freq0*85.89934592; freq_ctr1=freq1*85.89934592*1000;頻率控制字數(shù)組可分為5段從單片機送入ad9850進行控制。int ctr_word5=0x00,0x00,0x21,0x8d,0x86; 程序的初始與復位：*p_iob_dir=0xffff; *p_iob_attrib=0xffff; *p_iob_data=0x0000;*p_watchdog_clear=0x0001; /清看門狗第六章 測試結果6.1測試儀器與方法6.1.1 測試儀器（1） hitachi 20m雙蹤模擬示波器；（2） tektronix 60m雙通道數(shù)字示波器；

53、（3） hitachi 數(shù)字頻率計。6.1.2 測試方法：(1) 測試正弦波輸出頻率l 連接電路(電源、spce061a芯片、ad9850芯片、顯示模塊、鍵盤輸入模塊)。l 打開示波器電源。l 運用鍵盤輸入設定頻率，按確定鍵。l 觀察示波器的顯示頻率、周期和峰-峰值。l 記錄正弦波的輸出頻率l 關閉電源(2) 測試方波輸出頻率l 連接電路(電源、spce061a芯片、ad9850芯片、顯示模塊、鍵盤輸入模塊)。l 打開示波器電源。l 運用鍵盤輸入設定頻率，按確定鍵。l 調節(jié)電位器，觀察示波器的顯示頻率、周期和峰-峰值。l 記錄方波的輸出頻率l 關閉電源(3)測試三角波輸出頻率l 連接電路(電源、spce061a芯片、ad9850芯片、顯示模塊、鍵盤輸入模塊)。l 打開示波器電源。l 運用鍵盤輸入設定頻率，按確定鍵。l 調節(jié)電位器，觀察示波器的顯示頻率、周期和峰-峰值。l 記錄三角波的輸出頻率。l 關閉電源。6.1.3 指標測試（1） 正弦波指標測試把正弦波輸出端接入數(shù)字頻率計，以1k，10k，100k，1m，5m，10m作為測試點，得到如下表數(shù)據(jù)。如下表2所示。頻率輸出電壓（帶50歐負載）輸出電壓（空載）失真度（目測）1khz5.9v7.9v無失真10khz5.9v7.9v無失真100khz6v