基于单片机的正弦信号发生器的设计

　　一.方案

　　1. 常见信号源制作方法：采用DDS，即直接数字频率合成，其原理方框图如图0所示，

　　它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。具体体现在相对带宽、频率转换时间短、频率分辨率高、输出相位连续、可产生宽带正交信号及其他多种调制信号、可编程和全数字化、控制灵活方便等方面，并具有极高的性价比。

　　2.调幅电路：用增益可变运放AD603，其传输带宽高达90MHZ，完全可以满足输出信号频率的要求。

　　3.调频电路 ：压控振荡器

　　压控振荡器的输出频率是随着输入电压的改变而改变的，鉴于此，如果用调制信号来控制压控振荡器的输入电压，即可实现调频。这样显然简单而容易控制，且精度较高。

　　4.显示模块：采用液晶(LCD)显示，界面形象清晰，内容丰富，可显示复杂字符，易于和单片机接口，且耗电少，故优先采用。

　　5.A/D转换模块：用8位串行A/D转换器TLC549实现，TLC549(TLC548)是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，它以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，其转换速度小于17us，它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统，且读写TLC549比读写ADC0809简单。

　　二.系统硬件设计

　　1.总体设计

　　本系统采用51单片机作为核心，控制DDS芯片AD9851产生频率为1KHZ至10MHZ的正弦波系统框图如图1所示

图1 正弦波系统总体框图

　　2.模块说明

　　(1)用单片机控制AD9851产生频率为1K至10MHZ的正弦波，自动增益控制实现增益自动调节，当输出幅度过大或偏小时，单片机通过检波电路和A/D 采样调节增益大小。放大级对已调信号进行幅度放大，然后输出至负载。

　　(2)检波电路对输出信号采样，经过A/D转换送给单片机处理。

　　(3)显示模块对输出信号动态显示

　　(4)单片机控制压控振荡器产生频0率随调制信号变化的信号，并把已调信号送到AD9851，作为AD9851的时钟频率，从而实现对载波信号的调频。

　　(5)模数转换用8位串行A/DTLC549即可实现。

　　(6)二进制数字基带信号用单片机直接产生，这种方式简便，快捷，而且稳定度很好

　　3.理论分析与参数计算

　　(1)正弦信号发生器

　　DDS是产生高精度、快速变换频率、输出波形失真小的优先选用技术。DDS以稳定度高的参考时钟为参考源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的数字波形(通常是正弦波形)，这个数字波经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。如图2所示，通过高速DAC产生数字正弦数字波形，通过带通滤波器后得到一个对应的模拟正弦波信号，最后该模拟正弦波与一门限进行比较得到方波时钟信号。DDS系统一个显著的特点就是在数字处理器的控制下能够精确而快速地处理频率和相位。除此之外，DDS的固有特性还包括：相当好的频率和相位分辨率(频率的可控范围达μHz级，相位控制小于0.09°),能够进行快速的信号变换(输出DAC的转换速率300百万次/秒)。这些特性使DDS在军事雷达和通信系统中应用日益广泛。

　　本系统采用了美国模拟器件公司采用先进DDS直接数字频率合成技术生产的高集成度产品AD9851芯片。AD9851是在AD9850的基础上，做了一些改进以后生成的具有新功能的DDS芯片。AD9851相对于AD9850的内部结构，只是多了一个6倍参考时钟倍乘器，当系统时钟为180MHz时，在参考时钟输入端，只需输入30MHz的参考时钟即可。如图4(AD9851内部结构)所示，AD9851是由数据输入寄存器、频率/相位寄存器、具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片、10位的模/数转换器、内部高速比较器这几个部分组成。其中具有6倍参考时钟倍乘器的DDS芯片是由32位相位累加器、正弦函数功能查找表、D/A变换器以及低通滤波器集成到一起。这个高速DDS芯片时钟频率可达180MHz， 输出频率可达70 MHz，分辨率为0.04Hz。

　　为了实现调频，DDS的基准信号源采用压控振荡器输出的30 M频率作为基准信号源由于AD9851是贴片式的体积非常小，引脚排列比较密，焊接时必须小心，还要防静电击穿，焊接不好就很容易把芯片给烧坏。还有在使用中数据线、电源等接反或接错都很容易损坏芯片。所以在AD9851外围采用了电源、输入、输出、数据线的保护电路。为了不受外界干扰，添加了不少的滤波电路，显得整个电路更完美。详细电路图如图2。

　　
图2 硬件电路图

　　(2)压控振荡器

　　MC1648有两种基本型VCO的压控特性，这里我们只采用其中一种第一种基本负阻集成LC VCO 电路如图3 示,它仅用一只变容二极管,并由芯片MC1648 外加谐振回路组成。MC1648 为集成射极耦合振荡电路,具有负阻效应,输出MECL 电平。[page]

　
　
图3 基本负阻集成LC VCO 电路图

　　其详细电路图如图4所示

　　
图4 详细电路图

　　(3)自动增益控制模块

　　AD603 的原理框图[1 ]其原理图如图5 所示

　　
图5 AD603 的原理框图

　　已调信号从1K至10MHZ变化，频带很宽，用一般的运放不能满足要求，AD603的频带宽度为0到90MHZ，完全能够满足要求，且为增益可变运放，由于频率高时信号衰减比较快，用AD603可实现对不同频率信号的放大倍数。其电路他图6所示

　　
图6 AD603可实现对不同频率信号的放大倍数的电路图

　　(5)正弦波调制信号

　　采用NE555产生1KHZ的正弦波调制信号，电路如图7所示，其中AM和FM 都是用此电路产生调制信号[page]

　
　图7 正弦波调制信号产生电路图

　　(6)稳幅输出模块

　　峰值检波器获得输出电压的幅值，经过A/D采样后就得到输出端当前电压的幅值，送回单片机与预设值相比就可以知道输出下降的情况，从而实现自动增益控制。

　　(7)显示模块

　　显示电路是很重要的人机界面。在显示电路中，我们没有选择普通的数码管显示，而是优先采用了能够显示复杂字符的5 × 7 点阵液晶显示器(1602)。此显示界面分为上下两行：提示字符“请输入频率：”下一行为频率值显示与数码管相比，其优点是：功耗低，显示形象直观，人机界面友好。控制部分：键盘输入经单片机处理后控制AD9851的频率输出，达到智能控制目的。

　　(8)按键电路

　　采用4*4键盘，系统不停的对按键进行扫描，当有键按下时，即转去执行相应的程序。

　　(九)A/D转换模块

　　其中 1和3脚为参考电压，接电位器可以改变参考电压，2脚为模拟信号输入端，4脚为 接地端，5脚为片选，低电平有效，故接地，6，7，8分别为数据输出端和时钟输入端及电源端。

　　三.系统软件设计

　　系统软件流图如图8所示，通过按键选择所需要的频率，操作简单快捷。

图8 系统软件流程图

　　四.系统调试

　　根据方案设计要求，调试过程公分三大部分，硬件调试，软件调试，软件和硬件联调。电路按模块逐个调试，各模块调试通过后在联调。程序先在最小系统板调试，通过后在软硬联调。

　　1. 硬件调试

　　(1) 高频电路抗干扰设计 AD9851的时钟频率很高，对周围的电路有一定的影响，我们采取了各种抗干扰措施。例如引线尽量短，减少交叉，尽量减少跳线，在电源输入端都加上去藕电容，数字地与模拟地分开，信号源与地尽量隔远，增大接地面积，这就要求设计电路时采取敷铜的方法，实践证明，这些措施对消除某些引脚上的毛刺及干扰噪声起到了很好的作用。

　　(2) 由于输出频率很高，因此对运放的带宽有一定的要求，我们选择了带宽较大的AD811。

　　2. 软件调试

　　本系统的软件系统采用C51写，调试也是分模块进行，各个模块调试通过函数里调用，这样写结构明了，出错时容易查错。

　　3. 软硬联调

　　按程序定义的各个口分别把线接好，然后把程序写进单片机控制各个模块

　　五.指标测试

　　1. 测试仪器

　　(1)示波器

　　(2)万用表

　　六.测试方法与结果分析

　　(1)通过键盘输入所需的频率，然后按确认键即可从示波器上看到输出信号，输出频率范围为：1KHZ至10MHZ。输入所需频率后，按住“+”“-”键即可实现频率的步进，步进频率为100±5HZ，每按按一次“-”键，频率降低：100±5HZ。

　　按一次“+”键，频率升高：100±5HZ。

　　(2)输出所需频率F后，观测到频率跳变小于发F×10E-4，所以输出频率稳定度优于1×10e-4.

　　(3)在输出端接上50欧的电阻 ，用示波器探头接到输出端，观察到示波器输出峰峰值如下表所示

　　由此可见，输出幅度符合基本要求。

　　(4)用示波器探头接在输出端，改变输入频率从1KHZ到10MHZ变化，输出波形没有失真现象。

　　经过测试，基本部分的指标都能达到。发挥部分由于要求输出频率带宽很大，1KHZ到800KHZ 能够满足6v±1v，800KHZ到10MHZ电压幅度放大不够，只能达到2.5±0.5V,后来我们想设计一个高通滤波器，由于时间仓促，这部分没办法实现，所以1MHZ到10MHZ这个频段没有达到发挥部分的要求，在1M到10MHZ范围内调制度Ma 可在10%到100%内程控调节，步进量为10%，在100KHZ到10MHZ频率范围内产生的最大频偏位10KHZ，PSK和ASK信号都很好，没有明显的失真。

　　(5)用单片机产生速率为10Kbps的二进制基带信号,从键盘输入100KHZ的频率，然后用二进制基带信号调制载波信号，得到ASK信号和PSK信号。