【正文】 22 參考文獻 ......................................................................................................................................................... 23 謝辭 ................................................................................................................................................................ 24 附錄 A ............................................................................................................................................................ 25 附錄 B ............................................................................................................................................................ 26 附錄 C ............................................................................................................................................................ 27 1 第一章 緒論 課題背景 在信號發(fā)生器中 ,常常需要輸出頻率可預(yù)置、步長可變、步進可調(diào)的信號。 在軟件設(shè)計中，通過 SPCE061A 對頻率控制字的設(shè)置，可以實現(xiàn)相應(yīng)頻率的信號。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。I 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(shù)，實現(xiàn)了 1KHz~10MHz 的正弦波輸出，可以輸出調(diào)制度可調(diào)的 AM 信號， FM 信號， PSK， ASK 信號。整個系統(tǒng)以 SPCE061A 為控制中心，有很高的精確度和穩(wěn)定度。輸出信號 頻率穩(wěn)定，無明顯失真。所以常常需要用到頻率合成技術(shù)。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(shù)，具有相位精確、頻率分辨力高、轉(zhuǎn)換時間短等優(yōu)點，是近年來新的 FS技術(shù)， DDS 專用芯片在從測量設(shè)備到無線和衛(wèi)星通信等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它使用一個內(nèi)置高性能數(shù)模轉(zhuǎn)換器 (DAC)以將參考頻率轉(zhuǎn)換成受極精細頻率控制的采樣正弦波。其采用全數(shù)字式實現(xiàn)頻率合成。因 此它具有轉(zhuǎn)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，是其他頻率合成技術(shù)無法比擬的。而今由于大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，已有多種 DDS 芯片可供選擇。系統(tǒng)操作簡單，快捷，且系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性高。但成本較高。隨著通信和雷達技術(shù)的發(fā)展， 40 年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機的標(biāo)準(zhǔn)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。由于早期的信號發(fā)生器機械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡單，因此發(fā)展速度比較慢。 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(shù)，由分立元件或模擬集成電路構(gòu)成，其電路結(jié)構(gòu)復(fù) 雜，且僅能產(chǎn)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(gòu)成的電路存在著尺寸大、價格貴、功耗大等缺點，并且要產(chǎn)生較為復(fù)雜的信號波形則電路結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。這時期的信號發(fā)生器多以軟件為主，實質(zhì)是采用微處理器對 DAC 的程序控制，就可以得到各種簡單的波形。 隨著現(xiàn)代電子、計算機和信號處理等技術(shù)的發(fā)展，極大促進了數(shù)字化技術(shù)在電子測量儀器中的應(yīng)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(zhǔn)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。當(dāng)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。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(nèi)進行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。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。其次，信號發(fā)生器按輸出波形又可分為正弦波信號發(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。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(chǎn)生正弦振蕩，獲得所需頻率。利用頻率合成技術(shù)制成的信號發(fā)生器，通常被稱為合成信號發(fā)生器。正弦信號 是使用最廣泛的測試信號。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。 （ 4） 失真度：用示波器觀察時無明顯失真。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。 DDS 技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀 隨著無線電技術(shù)迅速發(fā)展，雷達、導(dǎo)航、宇宙飛行、導(dǎo)彈及空間探索工作的開展，需要高精度、高穩(wěn)定的頻率標(biāo)準(zhǔn)源。近幾十年來，頻率標(biāo)準(zhǔn)源的準(zhǔn)確度 和穩(wěn)定度有很大提高，但原子頻標(biāo)造價昂貴，石英晶體也是稀有金屬，并且這些頻率標(biāo)準(zhǔn)基本上都只能輸出單一頻率，而目前生產(chǎn)實踐和科學(xué)研究中，往往需要獲得大量的高穩(wěn)定度頻率。 因此在實踐中，人們利用各種頻率合成技術(shù)產(chǎn)生出了符合實際生產(chǎn)需要的各種頻率的信號。它是 1971 年美國學(xué)者 ， 和 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(shù)。 DDS 技術(shù)的主要優(yōu)點是相對帶寬很寬、頻率轉(zhuǎn)換時間極短（可小于 20ns）、頻率分辨率很高、全數(shù)字化結(jié)構(gòu)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。作為應(yīng)用，現(xiàn)在已有 DDS 產(chǎn)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。其中以 AD 公司的產(chǎn)品比較有代表性。這些芯片還具有調(diào)制功能，如 AD7008 可以產(chǎn)生正交調(diào)制信號， AD9852 也可以產(chǎn)生ASK,PSK，線性調(diào)頻以及調(diào)幅信號。通過利用流水技術(shù)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(shè)計得更長，如 AD9953 的相位累加器達到了 32 位。 雖然 DDS 技術(shù)的應(yīng)用日益廣泛，但是目前可以產(chǎn)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(shù)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(chǎn)生和輸入數(shù)據(jù)，操作也不很方便，使 DDS 技術(shù)的使用受到了限制。數(shù)據(jù)的每一個單元是一個用來表示當(dāng)前時刻信號幅度的二進制數(shù)。舉個例子，在一張振幅表中，前一半的數(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。 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。最后會被 DAC 依次轉(zhuǎn)換成模擬波形。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。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(shè)為 2，則輸出波形的頻率將提高一倍。這樣微調(diào)輸出頻率。當(dāng)將相位自增幅度減至 9時，輸出頻率會相應(yīng)地減小。 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(shè)置查找表在大小為 2 的 n 次方。剩余的低位比特可被作為參數(shù)或索引，用來竄改查找表中鄰近的數(shù)據(jù)。頻率源通常由一個1MHz 至 100MHz 的晶振產(chǎn)生。為了能產(chǎn)生清晰的波形，（查找表中）必須擁有最少的采樣點。 DDS 的實現(xiàn)有軟件與硬件兩種。 AD9850 簡介 AD9850 采用先進的 CMOS 工藝 , 其功耗在 供電時僅為 155mW,溫度范圍為 40～ 80℃ , 采用 28 腳 SSOP 表面封裝形式。 AD9850 內(nèi)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。 ～ 360176。 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(yīng)地正弦 查詢表每經(jīng)過一個循環(huán)也回到初始位置 , 從而使整個 DDS 系統(tǒng)輸出一個正弦波。 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。 AD9850 在接上精密時鐘源 和寫入頻率相位控制字之后就可產(chǎn)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(jīng)內(nèi)部的高速比較器轉(zhuǎn)換為方波輸出。、 90176。、 176。 5 或這些值的組合進行調(diào)整。 WCLK：字裝入信號，上升沿有效。 圖 3 AD9850 引腳圖 ? AGND: 模擬地。 ? DVDD：數(shù)字電源（ +5V） ? RSET， DAC：外部復(fù)位連接端。 ? VOUTP:內(nèi)部比較器的正向輸出端。 ? VINP:內(nèi)部比較器的正 向輸入端。 ? IOUTB:“互補” DAC 輸出。 ? RESET:復(fù)位端。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(nèi)部含有 8 個寄存器， 4 個通用寄存器 R1— R4， 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(jié)合組成一個 32 位寄存器 MR， MR可以作為乘法運算和內(nèi)積運算的目標(biāo)寄存器。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(diào)整至 ， ， ， 或 。默認的 Fosc， CPUCLK 分別為 和 Fosc/ 32768Hz 實時時鐘源分 頻而提供了多種實時時鐘中斷源?？梢酝ㄟ^編程來控制，系統(tǒng)默認的電壓監(jiān)測低限為 。 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。 系統(tǒng)有兩個可編程口： A 口和 B 口。 I/O 口兼容 5VTTL 邏輯電平。 TimerA 為通用寄存器； TimerB為多功能計數(shù)器。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。另外有一個通道只作為語音輸入通道，通過內(nèi)置有自動增益控制放大器的麥克風(fēng)通道（ MIC IN）輸入。 DAC1,DAC2 轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號分別通過 AUD1 和 AUD2 管腳輸出。在 SPCE061A 內(nèi)通過 IOB0 和 IOB1 這兩個端口實現(xiàn)與設(shè)備進行串行數(shù)據(jù)交換功能 。 8 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 調(diào)頻電路模塊、 AM 調(diào)幅電路模塊和人機界面模塊構(gòu)成 。由于 51 單片機內(nèi) 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。而且基于整個系統(tǒng)的速度要求，51單片機也不能滿足要求。由于 SPCE061A 內(nèi)置有 2K 字的SRAM 和 32K字的內(nèi)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 ，能滿足速度要求；集成有 7 通道 10位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器 ADC，可以滿足系統(tǒng)采樣調(diào)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。 基于此，本系統(tǒng)采用方案二，利用凌陽的 16 位單片機 SPCE061A 作為主控制器。此方案 9 器件比較簡單，但是難以達到高精度的程控調(diào)節(jié)，而且穩(wěn)定度不高，故不采用。 DDS 技術(shù)是基于 Nyquist 采樣定理，將模擬信號進行采集，經(jīng)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(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換濾波即可恢復(fù)原波形。此方案產(chǎn)生的波形比較 穩(wěn)定，在高頻輸出時會產(chǎn)生失真，而且電路比較復(fù)雜，故不采用。 AD9850 是 AD 公司生產(chǎn)的 DDS芯片，帶并行和串行加載方式，AD9850 內(nèi)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。 綜上所述，選擇方案 三， 用專用 DDS 芯片 AD9850 產(chǎn)生正弦波。 AD9850 的頻率控制字為： 32 3202 / ( ) 2 /in inF TW f CLK f f CLK? ? ? ? ? （公式 1） 其中 32 3202 / ( ) 2 /in inFTWf CLKf f CLK?? ? ? ?為頻率控制字