1、1正弦信号发生器摘 要本系统采用 AT89S51 单片机为核心，辅以必要的模拟，数字电路，构成了一个基于 DDS 技术的正弦波信号 发生器。 该软件系统采用 4*4 键盘操作，以菜单形式进行显示，操作方便简单，软件增加了许多功能。它通过启动 DDS，把内存缓存区的数据读出送到 DDS 后输出相应的频率，并把数据转换为 BCD 码，通 过液晶显示器进行显示。该系统 体积小、 稳 定度、精度极高，方便携带，适用于当代的尖端的通信系统和精密的高精度仪器以及高频无线传输系统等。关键词：直接数字频率合成（DDS）、AD9851、VCOSinusoidal Wave Signal GeneratorAbs
2、tract By using the AT89S51 as its core and combining the necessary analog and digital circuits, a sinusoidal wave signal generator is built based on the DDS technology. The software utilized in the system can be operated with a 4X4 keyboard, displayed in a menu and hence makes the system easy to use
3、. Through booting up the DDS, reading the data from the buffer of the memory and transmitting them to DDS modules, a relevant frequency output combining the BCD code generated at the same time can be obtained and displayed on a LCD screen. The system is suitable for using in modern communications sy
4、stems and high accuracy instruments with the aid of its small size, portability, stability and high accuracy. 2一一 方案比较与论证1 常见信号源制作方法方案 一 ：采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038，可产生正弦波，方波，三角波，通过调 整外部元件可改变输出频率，但采用模拟器件由于分散性太大，即使使用单片函数 发生器，参数也揶揄外部元件有关，因而 产生的频率稳定度较差，精度不高，抗干扰能力较低成本较高。方案 二 ：采用锁相式频率合成方案，锁相式频率合成是将一个高稳定度和高
5、精度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的 大量离散频率的技术，它在一定程度上解决了既要频率稳定精确，又要频率在较大范围内可变的矛盾，但频率受VCO 可变频率范围响，高低 频 率比不可能作得很高。方案 三：采用DDS，即直接数字频率合成，其原理方框图如图1所示，地址产生R A MD / A 输出D / A 基准输出图 1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,正因如此，我 们采用
6、方案三。 2调幅电路方案 一 用模拟乘法器MC1496实现调制信号对载波信号的幅度调制，由于输出正弦波频率非常高，根据我们的调试，从 1K到1MHZ 得出的波形是很好，3但从1MHZ至10MHZ时由于输出幅度不够，波形明显失真。方案 二 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，因此，方案二是较理想的选择 。3调频电路 方案 一 ：D/A控制此方案预先测试和计算好产生固定频率所需的控制电压，为方便控制将它量化存于ROM之中，在需要 时利用单片机控制D/A转换即可完成，此方案设计的是一个开环的系统，他的稳定性不好，且 频率步进无法做得很小。方案 二 ：
7、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。因此我们选择 方案 二。4显示模块方案一 采用普通LED 显 示，其优点是操作方便，但显示信息及功能少，且耗电量大。方案二 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。5A/D转换模 块方案一 用8位A/D转换器ADC0809实现。方案二 用8位串行A/D转换器TLC549实现，()是公司生产的一种低价位、高性能的位转换器，它以位开关电容逐次逼近的方法实现 转换，其转换 速
8、度小于，它能方便地采用三线串行接口方式与4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，故我们选择方案二。一一 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
9、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5A T 8 9 S 5 1正弦信号发生器自动增益控制稳幅控制峰值检波器A / D 转换显示电路A M 调制压 控 振荡 器F M 调制加法器按键输出级图13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
10、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 Hz 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
11、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
12、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6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
13、波电路，显得整个电路更完美。详细电路图如 图2。图 2（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。7图 3 其详细电路图如图 4 所示81OSC in 2OSC out3Vp 4Vcc5Do 6GND7LD 8F in 9 Clock10 Data11LE12 FC13 Fr14Fp1516MB15011Vcc 2NC3OUT 4NC5AGC 6NC7Vss 8 Vss9NC
14、10 BIAS11 NC12TANK13 NC14 VccMC164812M30P0.1u0.01u1000p0.1u30P0.1u2.1K33K10K1K 1K4K 4K47k100K+5VS8550+5VP0.7 P0.6 P0.5+ 10u+ 1u+5v0.1u +47u图 4（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91234
15、8765AD603R1R2R5R7C1C2C4+C6VCCVCCVCCOUTPUTR7 R8图6 （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图7（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10示界面分为上下两行：提示字符“请输入频率
16、：” 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1234 5678TLC549ANALOG IN+5VCLOCK INPUTDATA OUTPUT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。一一 系统软件设计系统软件流图如图7所示，通过 按键选择所需要的频率，操作简单快捷。 开始初始化恢复系统判断是否有键按下是选定频率返回否调节步进量调节频偏二进制键控A S KP S K检波器A / D转换A G C 自动增益控制图7一一 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 。
