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正弦信號�(fā)生器
閱讀�15671時間�2011-03-29 16:58:45

  正弦信號�(fā)生器是在電子電路�(shè)�、自動控制系�(tǒng)和儀表測量校正調(diào)試中�(yīng)用很多的一種信號發(fā)生裝置和信號�,屬于數(shù)字信號發(fā)生器。而正弦信號是一種頻率成分最為單一的常見信號源,任何復(fù)雜信�(例如聲音信號)都可以通過傅里葉變換分解為許多頻率不同、幅度不等的正弦信號的疊�,它的應(yīng)用領(lǐng)域很廣范�

信號�

  正弦信號源在實驗室和電子工程�(shè)計中有著十分重要的作�,而傳�(tǒng)的正弦信號源根據(jù)實際需要一般價格昂�,低頻輸出時性能不好且不便于自動�(diào)節(jié),工程實用性較�。本文的�(shè)計以較低的成本制作正弦信號發(fā)生器,可用作核磁共振中引�(fā)磁場測量儀的激勵一般的正弦信號,也可作為調(diào)制用的教�(xué)演示信號��

分類

  正弦信號主要用于測量電路和系�(tǒng)的頻率特性、非線性失�、增益及靈敏度等。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號�(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�(fā)生器(即信號源)、標(biāo)�(zhǔn)信號�(fā)生器(輸出功率能�(zhǔn)確地衰減�-100分貝毫瓦以下)和功率信號�(fā)生器(輸出功率達�(shù)十毫瓦以上);按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號�(fā)生器、掃頻式信號�(fā)生器、程控式信號�(fā)生器和頻率合成式信號�(fā)生器��

組成

  正弦信號�(fā)生器主要由兩部分組成:正弦波信號�(fā)生器和產(chǎn)生調(diào)�、調(diào)�、鍵控信號。正弦波信號�(fā)生器采用直接�(shù)字頻率合成DDS技�(shù),在CPLD上實�(xiàn)正弦信號查找表和地址掃描,經(jīng)D/A輸出可得到正弦信�。具有頻率穩(wěn)定度�,頻率范圍寬,容易實�(xiàn)頻率步�100 Hz。全�(shù)字化�(jié)�(gòu)便于集成,輸出相位連續(xù),頻�、相位和幅度均可實現(xiàn)程控�

  �(diào)�、調(diào)�、鍵控信號的�(chǎn)生可采用�(diào)頻、調(diào)幅專用芯片能分剮實現(xiàn),但是該方法實現(xiàn)的調(diào)頻調(diào)幅功�,對于某一特定頻率和特定的�(diào)制度、頻偏效果較�,在載波頻率可變和調(diào)制度、頻偏要求任意設(shè)定的情況下難以實�(xiàn)。本文利用CPLD和單片機AT89S52不僅可以實現(xiàn)頻率范圍可調(diào)的正弦波信號,而且在CPLD�(nèi)部加上相�(yīng)的數(shù)字控制算法就能方便地實現(xiàn)�(diào)頻FM,調(diào)幅AM和鍵控PSKASK�(shù)字調(diào)制功能有利于提高系統(tǒng)的整體性能和工作可靠�。正弦信號產(chǎn)生部分可在一片CPLD(EP1K30)中實�(xiàn),大大地簡化了硬件電�,便于功能擴�,并為進一步實�(xiàn)系統(tǒng)集成�(chuàng)造了條件�

電路

  具有小畸坐的簡單正弦信號�(fā)生器電路�

具有小畸坐的簡單正弦信號發(fā)生器電路

  該電路可以滿足頻率范圍為 300Hz�15Hz 而畸變系�(shù)K�0.1%(典型的�0.03%)的要求。振蕩器頻率值決定于R、C值決定于R、C�。電位器可調(diào)整輸出信號幅度(�1.5V)。反饋量以及畸變系數(shù)的大小可通過電位器RP2�(diào)��

�(shè)計與實現(xiàn)

  1 理論分析與計�

  1.1 正弦波形的產(chǎn)�

  單向DDS由Nbit相位累加器和ROM只讀存儲�(正弦查找�)�(gòu)成的�(shù)控振蕩源(NCO),數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)、低通平滑濾波器(LPF)�(gòu)�,圖1所示為DDS的基本結(jié)�(gòu)�

圖1 基于DDS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器原理框圖

  �1中fc為時鐘頻�,K為頻率控制字,N為相位累加器的字長,M為ROM地址線位�(shù),L為ROM�(shù)�(jù)線寬�,fo為輸出頻率。相位累加器由全加器和累加寄存器級聯(lián)組成。在時鐘頻率fc的控制下,對輸入頻率控制字K進行累加,累加滿量時就產(chǎn)生溢�。相位累加器的輸出對�(yīng)于該時刻合成周期信號的相�,并且這個相位是周期性的,在0�2π范圍�(nèi)變化。相位累加器位數(shù)為N,輸出為2N-1,對�(yīng)�2π的相位,累加1次就輸出1個相�(yīng)的相位碼,地址以查表方�,得到對�(yīng)相位的信號幅度�,經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)�,就可以得到一定頻率的信號輸出波形,低通濾波器對輸出的信號波形進行平滑處理,濾除雜波和諧波。由于控制字K�(jīng)�2N/K次累�,相位累加器滿量溢出,完�1個周期運算,所以輸出頻率fo由fc和K共同決定,即fo=fcK/2N且K<2N-1,得到DDS的最小分辨率可達fc/2N。理論上通過�(shè)定DDS相位累加器的位數(shù)N、頻率控制字K和時鐘頻率fc的�,就可以�(chǎn)生任一頻率的輸�。根�(jù)頻率步�100Hz的要�,選取累加器的位�(shù)�19�,計算出時鐘頻率fc�(yīng)�52.4288 MHz。步進的累計誤差通過軟件補償?shù)姆椒ㄟM行修�,利用現(xiàn)有的52.416 0 MHz晶振完全精確地實�(xiàn)步�100 Hz的要��

  1.2 �(chǎn)生模擬幅度調(diào)制信�

  用調(diào)制信號去控制高頻振蕩的幅�,使其幅度的變化量隨�(diào)制信號成正比地變�,這一過程稱為幅度�(diào)�。若載波為uc=Uc cosωct,調(diào)制信號為f(t)=cosΩt,則�(diào)幅波�

調(diào)幅波

  普通調(diào)幅波利用模擬相乘器實�(xiàn),但是外圍電路復(fù)�,改變調(diào)制度需改變電路元件的參�(shù),實�(xiàn)起來繁瑣??梢圆捎肅PLD芯片�(jié)合DDS技�(shù)靈活的實�(xiàn)�(shù)字調(diào)�,原理如�2所示�

圖2 幅度調(diào)制原理框圖

  由DDS�(chǎn)生的波形信號作為載波,在單片機內(nèi)部作�(diào)制信號為1 kHz的正弦波形存儲表,根�(jù)鍵盤所�(shè)定的�(diào)制度ma(10%�100%)與存儲表中的�(shù)�(jù)相乘的結(jié)果送CPLD與DDS得到的波形相�,再與DDS信號相加就產(chǎn)生相�(yīng)的數(shù)字調(diào)幅波編碼,經(jīng)D/A�(zhuǎn)換得到模擬調(diào)幅信號�

  1.3 �(chǎn)生模擬頻率調(diào)制信�

  在連續(xù)波調(diào)制中,載波可表示為uc=Uc cosωct,調(diào)制信號為UΩ(t),調(diào)頻波是瞬時頻率的變化量與�(diào)制信號成正比,因此調(diào)頻波的瞬時角頻率除了載波角頻率ωc�,還附加一項和�(diào)制信號成正比的部�式子,式中kf為比例系�(shù),是單位�(diào)制信號強度引起的頻率變化。ωf(t)的值ωf稱為頻偏,反映在頻率上為f(t)=fc+fcos(2πft),調(diào)頻波的表達式�調(diào)頻波的表達式

  �3為CPLD�(shù)字調(diào)頻電�,頻偏為5 K時的控制字是50,將余弦波形�50相乘,并與單片機傳遞的頻率控制字相加,送入DDS模塊�(jīng)D/A�(zhuǎn)換就可以輸出�(diào)頻波,其�(shè)計原理圖如圖4所示�

圖3 頻率調(diào)制原理框圖

圖4 頻率調(diào)制設(shè)計原理圖

  1.4 �(chǎn)生二進制PSK、ASK信號

  用數(shù)字基帶信號去控制高頻正弦波的幅度就是振幅鍵控�(diào)制ASK。在CPLD�(nèi)部只需要根�(jù)所�(shè)定的二進制基帶序列碼對�(chǎn)生的DDS波形進行處理,二進制基帶序列�1時波形通過,序列為0時輸�0,仿真波形如�5所��

圖5 二進制ASK仿真波形圖

  移相鍵控PSK是數(shù)字基帶信號去控制載波的相位。它是利用載波不同相位或相位變化來傳遞信息的。PSK的實�(xiàn)方法是根�(jù)�(shù)字基帶信號的兩個電�(或符�)使載波相位在兩個不同的�(shù)值之間切換,兩個載波相位通常相差180°。波形如�6所��

圖6 二進制PSK仿真波形圖

  1.5 輸出信號�(diào)理部�

  D/A�(zhuǎn)換電路如�7所�,選用的�12位高速D/A器件AD9713,該器件具有更好的靜�(tài)性能和動�(tài)特�。AD9713B更新速率可達100MS/ s。由于該D/A�(zhuǎn)換器是針對DDS、波形重�(gòu)和高�(zhì)量圖像信號處理等�(yīng)用而設(shè)計的,這款芯片在動�(tài)特性方面表�(xiàn)特別突出,并且具有優(yōu)良的諧波抑制能力。AD9713輸出滿量程電流輸出是由VCONTROLAMP IN和RSET決定�,圖7中AD9713采用�(nèi)部參考電壓,輸出滿量程電流為-20 mA�

圖7 D/A轉(zhuǎn)換電路

  幅度�(diào)節(jié)電路是由放大器組成。高頻信號放大要求放大器有足夠的輸出電壓�(zhuǎn)換速率,在正弦波的情況下,放大器所需要的擺率SR=2πω=2πAf,其中ω為信號的角頻率,A為信號幅�,f為頻�。此外,幅度�(diào)節(jié)電路要求帶低阻負�,放大器的電流輸出能力也是個重要參�(shù),要�50 Ω負載上輸�6 V信號,則放大器至少要�120 mA的連續(xù)電流輸出能力??紤]以上原因,本文選擇AD公司的高速運放AD811作為輸出放大�,它是一個寬帶高速電流反饋型運算放大器,其各項參�(shù)非常適合上述指標(biāo):小信號帶寬(G=+2�)�120 MHz,電壓擺率SR�2 500 V/μs,全諧波失真THD�-74 dB(10 MHz),輸出電流達100 mA,其短路輸出電流可達150mA�

圖8 幅度調(diào)節(jié)電路

  幅度�(diào)節(jié)電路如圖8所�,圖中R3和R4起分流作用,限制用于I/V�(zhuǎn)換的電流�1個電流反饋的高速放大電路。它把AD9713輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓,通過反饋電阻Rf的電流決定AD811輸出的幅度為6 V。為了增大后級的帶負載能力設(shè)計了后級電壓跟隨,模擬輸出的部分是濾波電�,濾波器的選擇主要取決于系統(tǒng)所要輸出的波形,在50 Ω的負載電阻上的電壓峰峰值為6±1 V�

  1.6 頻率值的接收與顯�

  鍵盤、顯示部分用來實�(xiàn)用戶與單片機的交�。系�(tǒng)采用中斷查詢的方式接收通過鍵盤輸入的頻率�。該頻率值一方面送到�(shù)碼顯示接口進行顯示,另一方面�(zhuǎn)化成頻率控制字送往相位累加模塊�

  2 系統(tǒng)軟件�(shè)�

  單片機程序采用C語言,在Keil uV2�(huán)境下編譯,用WAVE6000L仿真器調(diào)試CPLD在MAXPLUSⅡ下開發(fā),采用VHDL語言編程�

  �(guān)于CPLD部分,相位測量儀和數(shù)字移相信號發(fā)生器采用ALTERA公司的EP1K30TC144-3FPGA芯片,原理圖已經(jīng)在前面的分析�。關(guān)于單片機部分,程序流程圖如圖9所��

圖9 單片機程序流程圖

  3 功能及指�(biāo)測試

  利用測試儀器:EE1641B1型函�(shù)信號�(fā)生器/計數(shù)�,直流穩(wěn)壓電源GPS-3303C�60 MHz示波器TDS1002,高頻測試儀等對�(shè)計的信號�(fā)生器進行性能測試。正弦波的頻率范圍、步�、在50 Ω負載上的輸出電壓幅度,失真度測量如表1所�,頻率穩(wěn)定度測量如表2所�,步進為10%的幅度調(diào)制測試如�3所示,�(diào)制信號為1 kHz的頻率調(diào)制測試如�10所�,二進制PSK、ASK如圖11和圖12所��

圖10 正弦波頻率調(diào)制測試結(jié)果

圖11    圖12

  �(jīng)過測試可以得到,本文�(shè)計的系統(tǒng)可達以下性能指標(biāo)�

  1)正弦波輸出頻率范� 1 kHz�10 MHz�

  2)具有頻率�(shè)置功能,頻率步�100 Hz�

  3)輸出信號頻率�(wěn)定度�(yōu)�10-4�

  4)輸出電壓幅度�50 Ω負載電阻上的電壓�-峰值Vopp�1 V�

  5)失真度用示波器觀察時無明顯失��

  綜合分析各項指標(biāo)的測試結(jié)果發(fā)�(xiàn),該�(shè)計頻率變化范圍大,信號穩(wěn)定度�,失真度好,達到了性能良好的設(shè)計要��

  4 �(jié)�

  以CPLD和單片機AT89S52為基�(chǔ),采用DDS技�(shù)實現(xiàn)的正弦信號發(fā)生器在保證輸出穩(wěn)定的正弦波頻率情況下能夠?qū)崿F(xiàn)頻率可調(diào),失真度小,頻率步進小,精確度高等特點,產(chǎn)生的正弦信號源可以廣泛運用于教學(xué)或一般工�(yè)以及實驗場合,測試結(jié)果表明本文提出的正弦信號�(fā)生器的設(shè)計是有效�,易于工程實�(xiàn)且具有一定的實用��

�(yīng)�

  正弦信號�(fā)生器廣泛地應(yīng)用在電子技�(shù)試驗、自動控制系�(tǒng)和通信、儀器儀�、控制等�(lǐng)域的信號處理系統(tǒng)中及其他機械、電�、水聲及生物等科研領(lǐng)��

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