基于dds的單片模頻信號發(fā)生器的設(shè)計

基于dds的單片模頻信號發(fā)生器的設(shè)計

0兩種電源的選擇需要高頻振蕩信號發(fā)生器又稱信號源和振蕩器，廣泛應(yīng)用于電路實驗、設(shè)備檢測和工業(yè)應(yīng)用。通信、廣播、電視系統(tǒng)中,都需要射頻載波,把音頻、視頻信號或脈沖信號發(fā)射出去,因而需要高頻振蕩器。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域內(nèi),如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、超聲診斷、核磁共振成像等,都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。正弦信號發(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。本文設(shè)計的低頻正弦信號發(fā)生器(1Hz～20MHz),頻率穩(wěn)定度高,信號幅值穩(wěn)定,驅(qū)動負載能力強,可以輸出調(diào)幅信號、調(diào)頻信號、二進制移相鍵控(2PSK)信號、二進制移頻鍵控(2FSK)信號和二進制振幅鍵控(2ASK)信號,具有優(yōu)良的特性、低廉的成本。1系統(tǒng)設(shè)計1.1dds系統(tǒng)噪聲的特性DDS工作原理如圖1所示,用滿足Nyquist準則的一定頻率對正弦信號進行采樣,控制采樣周期Δt之間的相位增量Δφ,每次累加到相位寄存器中,用得到的相位值來尋址ROM查找表,實現(xiàn)相碼和幅碼的轉(zhuǎn)換,得到輸出波形的幅度值,經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號,就得到了輸出頻率信號ω=Δφ/Δt。設(shè)參考頻率源頻率為fclk,采用計數(shù)容量為2N的相位累加器(N為相位累加器的位數(shù)),頻率控制字為M,則DDS系統(tǒng)輸出信號的頻率和頻率分辨率分別為:fout=fclk2Ν×Μ?Δf=fclk2Νfout=fclk2N×M?Δf=fclk2N此方案產(chǎn)生的噪聲有2種,量化噪聲和非理想濾波器帶來的噪聲。幅度和相位量化噪聲,簡稱量化噪聲。在一定的電路中,它們是固定不變的。對于合成的正弦波來說,幅度和相位的量化值都是相應(yīng)的幅度和相位的近似值,存在量化誤差。現(xiàn)以幅度為例分析其量化噪聲的由來及誤差,因存儲器大小的限制,對幅度值做了近似,被略去的部分就會產(chǎn)生背景噪聲。另一種是數(shù)模轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的階梯波中的雜散頻率通過非理想低通而帶來的噪聲。這類噪聲將隨著頻率的增高而加大。2種噪聲均為頻率較高的成分,表現(xiàn)在頻譜上和信號相距較遠,可以用濾波器濾除。1.2調(diào)幅1+macost幅度調(diào)制(AM)就是使載波信號的幅度隨調(diào)制信號的變化而變化的一種調(diào)制方式。設(shè)載波信號為vc(t)=Ucmcosωct(1)vc(t)=Ucmcosωct(1)調(diào)制信號為vΩ(t)=UΩmcosΩt(2)vΩ(t)=UΩmcosΩt(2)則調(diào)幅信號為式中,ma=kaUΩm/Um0(4)ma=kaUΩm/Um0(4)是調(diào)幅信號的幅度系數(shù),簡稱調(diào)幅度,或調(diào)制深度。Um0(1+macosΩt)是vo(t)的振幅,它反映調(diào)制信號的變化,稱為調(diào)制信號的包絡(luò)。調(diào)幅信號的最大振幅Ummax為Um0(1+ma),最小振幅Ummin為Um0(1-ma),于是調(diào)制深度定義為ma=Ummax-UmminUmmax+Ummin×100%(5)從式中可以看出,實際控制調(diào)幅度ma時,保持載波信號幅度不變,控制調(diào)制信號的幅度,就可以實現(xiàn)mα在1%～100%調(diào)節(jié)。1.3同am中的數(shù)字調(diào)調(diào)信號頻率調(diào)制(FM)就是使載波信號的頻率按調(diào)制信號規(guī)律變化的一種調(diào)制方式。載波信號和調(diào)制信號的假設(shè)同AM,則調(diào)頻信號的表達式為式中:φ0為起始相角;Mf為調(diào)頻指數(shù),Μf=kfUΩmΩ=ΔwinΩ=ΔfmFΔwin為最大頻偏,其值與調(diào)制信號振幅UΩm成正比,Δwm=2πΔfm=kfUΩm。因此,在DDS控制程序中改變頻率控制字,使其按調(diào)制信號規(guī)律變化,則能輸出調(diào)頻波。1.4ask實現(xiàn)原理ASK為幅移鍵控,FSK為頻移鍵控,PSK為相移鍵控,BPSK為二相相移鍵控,假設(shè)數(shù)字信號為下式所示的隨機脈沖序列m(t)=∑akg(t-kΤs)(7)式中,ak為隨機變量,在二進制調(diào)制中,代表1和0的2種狀態(tài)。已知載波信號vc(t)=Ucmsinωct。BPSK是指1狀態(tài)時載波相移為零(sinωct),0狀態(tài)時載波相移為180°即sin(ωct-π)的一種鍵控方式。由于sin(ωct-π)=-sinωct,因而,在任意碼元波形的一般情況下,二相鍵控信號可以表示為vo(t)=Ucm∑kakg(t-kΤs)sinωct(8)利用受矩形脈沖控制的開關(guān)電路對2個不同相位的載波頻率源進行選通。進行BPSK調(diào)制時,當信源S(t)為1時,開關(guān)電路接通0°的載波,當信源S(t)為0時,開關(guān)接通180°的載波,從而實現(xiàn)BPSK信號。ASK的實現(xiàn)原理與BPSK類似,也是通過信源S(t)控制開關(guān)電路的通斷。不同的是,當信源S(t)為1時,開關(guān)電路接通載波,載波信號通過開關(guān)電路輸出,當信源S(t)為0時,開關(guān)電路斷開,無載波信號輸出。FSK則是當信源S(t)為1時,開關(guān)電路接通一路載波,當信源S(t)為0時,開關(guān)電路接通另一頻率的載波。1.5信號控制模塊的實現(xiàn)系統(tǒng)的總體框圖如圖2所示。其中AD9851和自制DDS分別產(chǎn)生高頻和低頻正弦信號,經(jīng)低通濾波、AGC和功率放大后得到1Hz～20MHz正弦信號;自制DDS信號源作為調(diào)制信號、AD9851輸出作為載波信號控制模擬乘法器,實現(xiàn)了幅度調(diào)制;單片機控制載波信號的頻率控制字,自制DDS控制頻偏,兩者同時控制AD9851的頻率控制字,實現(xiàn)了頻率調(diào)制;將時鐘進行分頻后,經(jīng)并串轉(zhuǎn)換后用100kHz的固定頻率載波進行二進制鍵控,實現(xiàn)了ASK、PSK、FSK。在此基礎(chǔ)上,系統(tǒng)還作了以下擴展:增加DAC使AM信號的調(diào)幅系數(shù)可調(diào),FM信號的載波、調(diào)制信號頻率及最大頻偏可調(diào),ASK、PSK和FSK信號的載波頻率可調(diào)。2濾波器及電路分析硬件電路主要由3部分組成,AD9851的外圍電路、自動增益控制電路、低通濾波器以及功率放大電路。外圍電路與AD9851配合形成頻率合適的信號,信號經(jīng)過自動增益控制將幅值調(diào)整到合適的范圍,進入濾波器除去噪聲雜波提高信噪比,最后進入功率放大電路。2.1ad9851的電路AD9851的可編程功能主要是通過對內(nèi)部的5個輸入數(shù)據(jù)寄存器寫入40bit的控制字來實現(xiàn)的?？刂谱值膶懭胗胁⑿泻痛?種方式,并行方式是通過數(shù)據(jù)總線D0～D7來完成的,而串行方式是把D7上的數(shù)據(jù)按位串行移入到輸入寄存器。2種方式都是通過W-CLK引腳接入的控制字寫時鐘來觸發(fā)寫入的。當控制字寫完后,在FQ-UD信號的上升沿的作用下,控制字被寫入頻率相位數(shù)據(jù)寄存器,更新DDS的輸出頻率和相位。AD9851的電路見圖3。由于DDS輸出正弦信號具有階梯狀鋸齒,因此在后級加上了7階橢圓低通濾波器,用來濾除基頻外的雜波分量,抑制諧波。2.2核心芯片ad603為保證AD9851輸出的信號帶內(nèi)平坦,則需要增加1級AGC電路。AGC電路的其特點為:當輸入信號較強時,自動將增益降低;當信號較弱時,又使其增益自動增高,從而保證輸出信號幅值的相對穩(wěn)定。我們用模擬器件公司的AD603作為自動增益控制的核心芯片(見圖4)。AD603是單通道寬頻帶、低噪聲、低畸變、高增益精度的VGA芯片,單個AD603的增益:Gain(dB)=40UG+10dB(9)電路增益由1腳和2腳間的電壓差UG控制,兩者之間的關(guān)系為:2腳接固定參考電壓,1腳電壓由后級峰值檢測電路提供。2N3906和幾個外圍電阻組成1個IQ1=300μA左右的恒流源,2N3904作半波檢測。流入電容C1和C2的電流Ic就是Q1和Q2集電極電流之差。當輸出信號幅度較小時,Q2集電極電流IQ2減小,Ic=IQ1-IQ2增大,反饋電壓增大,AD603的1、2腳間電壓差增大,電路增益提高。當輸出信號幅度增大時,Q2集電極電流IQ2增大,Ic=IQ1-IQ2減小,反饋電壓減小,電路增益也隨之降低,如此反復(fù),最終電路將進入到穩(wěn)定狀態(tài),輸出信號幅度恒定。2.3ths2001運算放大器級聯(lián)因一般信號源輸出阻抗為50Ω,因此本系統(tǒng)設(shè)計輸出阻抗為50Ω。50Ω的負載需要電路有較強的驅(qū)動能力,輸出電流較大。采用2級放大,由于系統(tǒng)最大輸出頻率可達20MHz,一般運算放大器的擺率不夠,會引起輸出波形的失真,又考慮到輸出功率的問題本系統(tǒng)采用2級電流型運算放大器級聯(lián)。THS3001是高速電流型反饋運放,單位增益狀態(tài)下時,帶寬為420MHz;擺率為6.5kV/μs,最大輸出電流為100mA,可以滿足系統(tǒng)設(shè)計的要求,放大電路如圖5所示。2.4高速dc芯片中接收點幅度調(diào)制信號的實現(xiàn)AM波產(chǎn)生選用4象限乘法器AD835,其3dB輸出帶寬為250MHz,輸出滿足W=XY+Z。要實現(xiàn)調(diào)制度的改變,只需改變調(diào)制信號的幅度即可。使用TI公司的14位高速DAC芯片DAC904產(chǎn)生幅度可調(diào)的調(diào)制信號,AD9851產(chǎn)生載波信號,從而實現(xiàn)調(diào)幅度的改變。根據(jù)式(3),vo(t)=Umo(1+mαcosΩt)cosωct,根據(jù)乘法器的輸出公式,W=XY+Z,令Y=Z,可以得到W=(X+1)Z,令基帶信號cosΩt進入X通道,載波信號Accosωct進入Z通道就可實現(xiàn)調(diào)幅。電路圖如圖6所示。3rammabsgf本系統(tǒng)的控制部分由單片機和現(xiàn)場可編程門陣列(Field-ProgrammableGateArray,FPGA)組成,單片機負責(zé)整體的控制和時序,FPGA主要完成AD9851的自動控制,DAC904時序控制,ASK、PSK、FSK、FM等調(diào)制波的產(chǎn)生。3.1信號產(chǎn)生模塊ad9851數(shù)字調(diào)制波(FM、FSK,PSK,ASK等)由FPGA采用數(shù)字方法實現(xiàn)。數(shù)字調(diào)制省去了很多模擬器件,硬件得到了很大程度的簡化,而且效果良好易于控制。通過自制DDS產(chǎn)生1kHz的正弦信號序列,同時,通過單片機控制總線輸入FM的中心頻率,再將兩者處理后所得結(jié)果送AD9851的頻率控制字,就可以使AD9851產(chǎn)生FM信號。2FSK,2PSK,2ASK的產(chǎn)生完全利用FPGA完成。該模塊實現(xiàn)的功能是將時鐘分頻得到的二進制基帶序列信號轉(zhuǎn)換成以10kb/s固定速率的基帶序列碼,即完成并串轉(zhuǎn)換的功能。然后以基帶序列碼控制3個2路開關(guān)的選通腳,就可以產(chǎn)生2FSK,2PSK,2ASK信號。電路輸出端使用了1個四路開關(guān)選擇AM、2FSK、2PSK、2ASK等信號的任一輸出。調(diào)制結(jié)果通過數(shù)字示波器觀察如圖7～10所示。3.2實現(xiàn)了程序的內(nèi)部接口單片機的軟件設(shè)計上,本系統(tǒng)采用了軟件工程的設(shè)計思想。整個編程過程,結(jié)構(gòu)化與層次化思想貫穿始終。結(jié)構(gòu)化不僅可以提高程序的可讀性,也降低了程序的冗余程度;層次化使程序的通用性與適應(yīng)性進一步增強,當外圍器件電路改變時,只要改動最底層的獨立接口子程序的具體基本功能實現(xiàn)模塊,而向上層模塊提供的接口不變,為軟件的改進和調(diào)試提供了極好的條件。在人機界面上,力求界面的防彈性,做到輸入錯誤的保護,誤操作的復(fù)原,操作的提示。這樣,使得整個系統(tǒng)的操作變得十分的人性化。如圖11所示。4系統(tǒng)信號調(diào)制度系統(tǒng)實現(xiàn)了1Hz～20