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1、总体方案构思唐正宗、刘飞、董必陈基本功能唐正宗、刘飞扩展功能刘飞、陈庆庆扩展功能董必陈、吴河飞扩展功能董玉东摘要本系统基于DDS信号源的工作原理，以单片机和FPGA为控制中心，采用DDS集成芯片AD9851实现了在30MHz至12MHz频率范围内正弦信号的无失真输出，扩展了AM、FM、ASK、FSK、PSK等多种调制功能，输出级采用乙类推挽功率放大器电路以提高系统的负载能力，50欧姆负载下输出峰峰值06V可调。一方案论证与选择 1.题目要求以指标分析根据题目要求，所设计的系统应可以输出较宽频带且频率稳定度足够高的正弦信号，并具有一定的负载能力，同时可输出指标满足要求的AM、FM、ASK、FSK
2、信号。综合题目指标要求及相关分析，得到该系统的功能框图。本系统的设计细分为以下几个部分：频率合成模块、AGC模块、幅度控制模块、功率放大模块、调制模块及人机交互模块。波形发生模块功放模块单片机及FPGA控制模块FPGA键盘显示调制模块2.方案比较（1）频率合成模块方案一：选用单片压控函数发生器MAX038.若将MAX038输出设置在正弦波模式下，只需要很少的外部原件，就可以输出高频特性较好、频率范围较宽的正弦波。但由于其为压控型芯片，产生信号的频率稳定性差、精度低、抗干扰能力不强、灵活性差。方案二：锁相式频率合成方案该方案可产生频率精度较高的正弦波信号，可在一定程度上解决既要频率稳定度高、又要
3、频率在较大范围内可变的矛盾，但频率受VCO可变频率范围的影响。高低频率比不可能很高，难以实现1kHz至10MH z宽频带及步进100Hz的要求。低通滤波器鉴相器VCON分频晶振可编程分频器方案三、采用基于单片机和的技术由于时钟频率可DA转换速率的限制，此方案不使输出信号实现很高的频率，难以达到题目1kHz至10kHz的宽频带要求。方案四、选用DDS集成芯片实现AD是AD公司提出的高集成度单片DDS芯片，内部有一个32b的相位累加器、10b高性能DA转换器和一个高速比较器，可以实现全数字频率合成以及时钟发生功能。选用AD9851作为本系统的核心频率合成模块完全可满足题目要求，实现输出信号在1kH
4、z至10MH z频段可调，频率稳定度优于10exp-4，以及步进100Hz的指标，故频率合成模块选用方案四。D/A转换器滤波器波形存储器相位累加器波形输出频率控制字参考频率(2)AGC 模块为了保证输出幅度的稳定性，在频率合成滤波之后要使用自动增益控制（）电路。方案一：选用场效应管和运算放大器来实现。此电路结构简单、原件少、易于实现，但稳定性差，难以达到题目要求。方案二：选用集成芯片AD603实现AD603是一种低噪声的压控放大器，可以提供精确的、线性的对数增益控制，故选用此方案设计AGC模块。(3)幅度控制模块为了使输出峰-峰值在06V线性连续可调，需要设计幅度控制模块。方案一： 采用运算放
5、大器和数字电位器组成的程控放大电路来实现。由于数字电位器阶数有限，故不可能做到幅度连续可调。方案二：采用以AD603为核心芯片的电压控制幅度模块AD603 是一种低噪声的压控放大器，可以提供精确的、线性的对数增益控制，我们只需要精确控制AD603的控制电压，就可以实现对输出信号的精确控制。控制电压由12位高精度串行DA转换器MAX536输出，故可实现近似的连续可调。所以选用此方案设计幅度控制模块。（5）调制部分题目发挥部分要求所设计的正弦信号发生器可产生AM信号、FM信号以及二进制PSK、ASK信号。对于AM信号，本系统采用常规的双平衡四象限模拟乘法器MC1496实现；对于二进制PSK、ASK
6、、FSK信号，采用二进制键控的形式实现。题目要求对1kHz的正弦信号进行调制，则只需在中存储正弦数据表，直接读出进行调制即可。系统总体实现方案采用集成DDS芯片AD9851作为波形发生模块，产生所需要的正弦波，经过截止频率为20MHz的无源滤波器滤波，再经过以AD603为核心的AGC电路稳幅，然后经过以AD603和MAX536为核心的幅度控制模块，最后经过乙类功放输出，由此即完成基本的波形输出要求。采用DDS技术实现1kHz和100kHz正弦信号输出，用于各种信号调制。二、理论分析与计算1.DDS原理根据DDS芯片AD9851的工作原理，若累加器时钟为Fc,累加器位数为N,累加器值为FN，频率
7、控制字的位数为FM，外部参考时钟频率为20MHz，经内部6倍频后，可得到AD9851内部工作频率120MHz，最终合成信号的频率可由式A-1决定，相位由式A-2决定。F=FM*FC/2N=0.027FM (A-1)=2FN/2N=2FN/232 (A-2)2.AD603的工作原理本系统AGC电路以及幅度控制电路中均采用了集成可变增益放大器AD603，现将其电路控制增益原理分析如下。AD603的对数增益为： Av=40Vg+10 （A-3）其中，Vg为差分控制输入电压，由式A-3可以得出，对数增益与电压之间是线性关系。三、主要功能电路设计1.功能合成器模块如图A-5所示，在该模块中AD9851工
8、作于并行模式下,通过8位数据总线D0D7来完成全部40位控制数据的输入。复位信号RESET有效状态下，输入数据地址，指针指向第一个输入寄存器，W-CLK上升沿写入8位数据，并把指针指向下一个输入寄存器。连续5个W-CLK上升沿后，即完成40位控制数据的输入。当FQ-UD上升沿到来时，40位数据从输入寄存器锁存到频率和相位控制寄存器，从而更新DDS的输入频率和相位。2.低通滤波电路模块考虑到AD9851的输出信号中带有120V直流偏置电压及高次谐波分量，本系统在AD9851输出端加入了隔直电容和20MHz低通滤波电路3.AGC模块鉴于滤波器自身的频率特性及输出信号均匀性的要求，本系统使用了自动增
9、益控制电路。如图A-7所示，AGC电路由可控增益放大器AD603和晶体管对管2N3906、2N3904构建。AD603采用双电源供电方式，其控制范围为80dB可满足题目设计要求。后级恒流源在B点提供稳定的电流，且在B点由于电容C3与晶体管2N3904的分流及C3的充分放电作用，使得B点电压随着输入信号幅值的增大而减小，并反馈到增益控制端，改变AD603的增益从而实现了自动增益控制。经实验调制，该AGC电路在输入信号峰-峰值为100mV6V的情况下，可实现300Hz10MHz范围内稳定输出峰-峰值为1.9V的无失真正弦信号。4.幅度控制模块幅度控制模块用于控制输出信号的幅度，使输出正弦信号峰-峰
10、值在06V连续可调。考虑到AD603的频带适应性，选用两级AD603级联的电路模式。其两路独立的控制电压由12位串行电压输出型DA转换芯片MAX536提供，如图A-8所示。5.功能放大模块在信号输出端增加功能放大模块，以保证该正弦信号发生器的负载能力满足题目要求。鉴于运算放大器AD811自身负载驱动能力的限制，本模块选用AD811配合高频功率对管2SD667(NPN型)2SD647（PNP型）搭配电压串联负反馈的同向放大器电路。如图A-9所示，前级由AD811组成同向放大器，放大倍数为Av=1+R3/R1；后级选用功率对管构成乙类功率推挽输出形式提供负载驱动电流。经实验测试，整个电路的输出阻抗
11、小于15，同频带大于10MHz，且带内平坦，通带内部平度小于0.1 dB；空载时可对从DC到10MHz范围内，峰-峰值为20V的正弦信号无失真输出；输出端接50负载时，无失真的最大输出电压峰-峰值达到10V，并且在峰-峰值为10V的输出状态下，频率大于2MHz仍无失真现象，以上各项指标均达到和超过了题目要求。6.幅度调整（AM模块）幅度调整的核心器件选用模拟乘法器MC1496，将载波信号和被调整信号相乘即可得到AM调幅波。通过改变被调制信号的偏置而达到改变调制度的效果。该直流偏置由MAX536提供，由单片机通过FPGA对其进行预置或改变。为了保证调幅波的频率纯净且无载波高次谐波分量，输入端接入
12、15MHz无源滤波器。整个模块对电源做了相应的退耦处理。在滤波器输出端得到了效果较好的调幅波波形。具体电路如图A-10所示。7.频率调整（FM模块）本设计采用了数字FM调制的方法。实现框图如图A-11。具体控制思想为：单片机输入中心频率和最大频偏，然后启动数字FM，FPGA内部时钟单元将产生一个256kHz的时钟，用于累加8256b正弦波表地址，得出相应正弦幅度量化值。此幅度一方面作为输出信号输出至外部DA的数据端口，用于恢复正弦信号；另一方面作为频率控制字的计算数据，根据相应公式计算出频率控制字。写时序控制器在时钟的作用下将生成的频率控制字写到DDS芯片AD9851内，从而产生一个频率与正弦
13、信号幅度成比例的调幅信号。8.ASK、FSK、PSK控制模块根据ASK、FSK、PSK控制的原理，这几种数字键控调制都可以在FPGA内部通过修改DDS的参数来实现。由于实现起来较为容易，故仅给出实现框图.AD9851频率输出AD9851写时序控制D-A输出8256b正弦波表频率控制字计算FM控制及时钟控制单元，单片机控制模块 1kHZ正弦输出 FM输出D/A数模转换器数据选择器基带序列码0x80正弦波书数据流 数字调频实现框图时钟控制D/A数模转换相位累加器正弦波表数据选择器基带序列码频率字频率字 调制信号 实现输出框图调制信号 实现输出框图 数模转换波形数据表数据选择器相位相位累加器调制信号相位基带序列码 实现输出