正弦大電流穩(wěn)流電路設計1

1、XXXXXXX學院畢 業(yè) 論 文（設 計）論文（設計）題目： 正弦大電流穩(wěn)流電路設計 所屬系別 信 息 工 程 系 專業(yè)班級 XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX 姓名 X X 學號 XXXXXXXXXXXXXXX 指導教師 X X 撰寫日期 2012 年 5 月摘 要傳統(tǒng)的正弦波信號發(fā)生器大多是基于模擬電子技術(shù)設計制作的，這種信號源制作簡單，成本低廉，但是它的缺點也很多，比如不便于存儲，頻率穩(wěn)定度差，失真度高等。DDS是以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的合成原理。本設計采用DDS和單片機技術(shù)相結(jié)合，以DDS芯片AD9850為核心設計了一種幅度、相位、頻率都可

2、調(diào)節(jié)的正弦波信號發(fā)生器，它不僅能克服傳統(tǒng)的正弦波信號發(fā)生器的缺點，而且由模擬乘法器產(chǎn)生調(diào)幅電路、采用數(shù)字鍵控的方法實現(xiàn)二進制PSK、ASK信號，且頻帶較寬、頻率穩(wěn)定度高，波形良好。該信號發(fā)生器具有更強的市場競爭力，在跳頻技術(shù)、無線電通信技術(shù)方面具有比較廣闊的發(fā)展前景。關(guān)鍵詞 : 信號發(fā)生器 ,DDS ,AD9850 ,單片機 AbstractMost of the traditional sine wave signal generator is designed based on analog electronic technology, this is simple and low cos

3、t production source, but it has many shortcomings, such as it is not easy to store,its frequency stability is poor, high distortion and so on. DDS is a new synthetic principle which based on the all-digital technology, starting from the concept of phase direct synthesis of waveforms required.This de

4、sign uses DDS and microcontroller technology, the AD9850 DDS chip to the core ，design a sine wave signal generator，whose magnitude, phase, frequency can be regulated.Its not only can overcome the traditional shortcomings of the sine wave signal generator, and the amplitude circuit is produced by the

5、 analog multiplier , the digital keying is used to achieve binary PSK, ASK signal, and it has wide band, high frequency stability, wave good. The signal generator has a stronger market competitiveness, in the frequency hopping, radio communication technology has relatively broad prospects for develo

6、pment.Key Words：Signal Generator ,DDS ,AD9850 ,MCU目 錄1 引言12 方案論證12.1 主控制器22.2 正弦信號產(chǎn)生22.3 輸出電壓放大32.4 FM調(diào)頻電路32.5 AM調(diào)幅電路43 詳細軟硬件設計44 硬件模塊設計54.1 正弦信號產(chǎn)生模塊54.1.1 AD9850芯片簡介54.2.3 相位控制字的計算64.3 帶負載輸出84.4 正弦調(diào)制信號的產(chǎn)生84.5 AM調(diào)幅信號的產(chǎn)生94.6 LCD顯示器104.6.1 概述104.6.2 基本特性115 軟件設計11致 謝131 引言信號源作為一種信號產(chǎn)生的裝置已經(jīng)越來越受到人們的重視，它可

7、以根據(jù)用戶的要求，產(chǎn)生自己需要的波形，具有重復性好，實時性強等優(yōu)點，已經(jīng)逐步取代了傳統(tǒng)的函數(shù)發(fā)生器。當今高性能的信號源均通過頻率合成技術(shù)來實現(xiàn)，隨著計算機、數(shù)字集成電路和微電子技術(shù)的發(fā)展，頻率合成技術(shù)有了新的突破直接數(shù)字頻率合成技術(shù)DDS(Direct Digital Synthesis)，他是將先進的數(shù)字信號處理理論與方法導入到信號合成領(lǐng)域的一項新技術(shù)，它的出現(xiàn)為進一步提高信號的頻率穩(wěn)定度提供了新的解決方法。同時，隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，尤其是單片機技術(shù)的發(fā)展，智能儀器也有了新的進展，功能更加完善，性能也更加可靠，智能程度也不斷提高。本課題的目的就是依據(jù)DDS原理設計開發(fā)出一個能產(chǎn)生正弦波

8、，且能產(chǎn)生幅度調(diào)制（AM）信號電路，產(chǎn)生模擬調(diào)制（FM）信號電路，產(chǎn)生二進制PSK，ASK信號電路1。本系統(tǒng)設計一個正弦信號發(fā)生器，使用凌陽公司的16位單片機SPCE061A作為中央控制器，結(jié)合DDS芯片AD9850，產(chǎn)生010MHz頻率可調(diào)的正弦信號,正弦信號頻率設定值可斷電保存；使用寬頻放大技術(shù)，在50負載電阻上使1K10MHz范圍內(nèi)的正弦信號輸出電壓幅度=6V1V；產(chǎn)生載波頻率可設定的FM和AM信號；調(diào)制信號為1KHz的正弦波，調(diào)制信號的產(chǎn)生采用DDS技術(shù)，由CPLD和Flash ROM加上DAC進行直接數(shù)字合成；二進制基帶序列碼由CPLD產(chǎn)生，在100KHz固定載波頻率下進行數(shù)字鍵控，

9、產(chǎn)生ASK，PSK信號。系統(tǒng)采用全中文菜單操作方式，操作簡單，快捷，且系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性高2。2 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。如圖 2-1。圖2-1 系統(tǒng)模塊框圖2.1 主控制器 方案一：采用通用的51單片機AT89S52作為主控制器，完成數(shù)據(jù)處理，DDS的頻率輸出控制，鍵盤的掃描及液晶顯示器的顯示控制等。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

10、且本系統(tǒng)需要用A/D轉(zhuǎn)換器采樣調(diào)制信號實現(xiàn)調(diào)頻信號的輸出，使用51單片機就需外擴一片A/D轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)也比較麻煩。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。 方案二：采用凌陽公司的16位單片機SPCE061A作為主控制器。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49.152MHz，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。而且凌陽單片

11、機具有C語言風格的匯編語言，有與標準C兼容的C語言，C語言函數(shù)可以與匯編函數(shù)互相調(diào)用，使其開發(fā)更加容易，實現(xiàn)整個系統(tǒng)更加簡單3?；诖?，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。2.2 正弦信號產(chǎn)生 方案一：采用反饋型LC振蕩原理，選擇合適的電容、電感就能產(chǎn)生相應的正弦信號。此方案器件比較簡單，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。 方案二：采用DDS技術(shù)的基本原理。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)換濾波即可恢復原波形。根

12、據(jù) Nyquist 采樣定理知，要使信號能夠恢復，必須滿足采樣頻率大于被采樣信號最高頻率的2倍，否則將產(chǎn)生混疊，經(jīng)D/A 不能恢復原信號。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，而且電路比較復雜，故不采用。 方案三：直接采用DDS集成芯片。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。 由于DDS集成芯片能達到要求，而且節(jié)省硬件電路，程控調(diào)節(jié)能夠方便實現(xiàn)，本設計采用方案三，作為1K10MHz正弦信號發(fā)生。2.3 輸出電壓放大 方案一：采用高頻三極管做功率放大。選擇恰當?shù)碾娮韬碗娙輥韺崿F(xiàn)符合

13、題目要求的放大倍數(shù)。但是使用三極管放大時，信號放大的穩(wěn)定性不高，很難滿足題目的要求。故不采用。 方案二：采用寬頻運算放大器做前級電壓放大，AD8056可以達到300M的帶寬，而且頻率穩(wěn)定性好。在后級加上互補對稱的推挽式輸出電路做電流放大作用。 所以在本設計中采用了方案二。2.4 FM調(diào)頻電路 方案一：使用變?nèi)荻O管直接調(diào)頻。變?nèi)荻O管是根據(jù)PN結(jié)的結(jié)電容隨反向電壓改變而變化的原理設計的一種二極管。加反向偏壓時，變?nèi)荻O管呈現(xiàn)一個較大的結(jié)電容。變?nèi)荻O管要并接在產(chǎn)生中心頻率振蕩的選頻網(wǎng)絡的兩端，并加上調(diào)制信號，使中心頻率隨調(diào)制信號的幅值的改變而改變，從而達到調(diào)頻作用。但是本方案會使電路產(chǎn)生的頻偏

14、不穩(wěn)定，容易產(chǎn)生中心頻率偏移。 方案二：采用鎖相環(huán)進行調(diào)制，采用鎖相環(huán)路調(diào)頻，能夠達到中心頻率高度穩(wěn)定的調(diào)頻信號。由于鎖相環(huán)能跟蹤并鎖定中心頻率。從而使中心頻率有足夠高的穩(wěn)定度。而調(diào)制信號就加在VCO（壓控振蕩器）的輸入端，從而使中心頻率隨調(diào)制信號的幅值的改變而改變。本方案比較直觀，而且中心頻率和頻偏都比較準確，但是電路復雜，故不采用。方案三：凌陽的單片機芯片SPCE061A內(nèi)部集成有10位ADC?？上葘⒄{(diào)制信號離散化，當采集完一個周期（1ms）的數(shù)據(jù)后，計算出每相鄰兩個抽樣點的偏移量，這樣就可以根據(jù)偏移量控制改變DDS的輸出頻率，從而達到調(diào)頻效果，而且硬件設計簡單4。 本設計使用方案三。2.

15、5 AM調(diào)幅電路 方案一：采用單二極管開關(guān)狀態(tài)調(diào)幅電路,使二極管近似處于一種理想的開關(guān)狀態(tài)下,在兩個不同頻率電壓作用下進行頻率交換。 方案二：采用二極管平衡調(diào)幅電路,它是利用二極管的開關(guān)狀態(tài)和平衡抵消的措施,經(jīng)調(diào)幅后通過帶通濾波器就可以得到調(diào)幅信號。前面兩種方案電路實現(xiàn)比較復雜,而且由于采用分立元件，穩(wěn)定性比較差，調(diào)試困難。 方案三：采用模擬乘法器調(diào)幅電路，它是一種完成兩個模擬信號相乘作用的電路，起到頻率搬移的作用，若采用專門的模擬乘法器芯片，電路實現(xiàn)簡單，穩(wěn)定性比較好，功能實現(xiàn)容易，符合題目要求。 基于此，本系統(tǒng)采用方案三，選用集成模擬乘法器MC1496實現(xiàn)AM的模擬調(diào)幅5。3 詳細軟硬件設

16、計 根據(jù)上面的論證，本系統(tǒng)以凌陽的16位單片機SPCE061A為核心，配合DDS專用芯片AD9850，完成正弦信號的產(chǎn)生，并輔以各個功能模塊完成題目的設計要求。 硬件連接圖如圖 3-1。圖3-1 系統(tǒng)硬件連接圖4 硬件模塊設計4.1 正弦信號產(chǎn)生模塊 正弦信號產(chǎn)生模塊的主要部分是AD9850。 4.1.1 AD9850芯片簡介AD9850 是AD 公司采用先進的DDS 技術(shù)于1996 年推出的高集成度DDS頻率合成器，它內(nèi)部包括可編程DDS系統(tǒng)、高性能DAC及高速比較器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器。接上精密時鐘源，AD9850 可產(chǎn)生一個頻譜純凈、頻率和相位都可編程控制的模擬

17、正弦波輸出。此正弦波可直接用作頻率信號源或轉(zhuǎn)換成方波用作時鐘輸出6。AD9850 采用先進的CMOS 工藝, 其功耗在3.3V 供電時僅為155mW,溫度范圍為-4085, 采用28 腳SSOP 表面封裝形式。其管腳功能如圖4-5所示。圖 4-6是一個完整的可編程DDS系統(tǒng),包含了AD9850的主要組成部分。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。可編程DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器, 它由一個加法器和一個N位相位寄存器組成，N為32；每來一個外部參考時鐘,相位寄存器便以步長M遞加；相位寄存器的輸出與相位控制字相加后可輸入到正弦查詢表地址上；正弦查詢表包含一

18、個正弦波周期的數(shù)字幅度信息, 每一個地址對應正弦波中 0360范圍的一個相位點；查詢表把輸入地址的相位信息映射成正弦波幅度信號, 然后驅(qū)動DAC 以輸出模擬量7。圖4-1 AD9850芯片管腳功能圖相位寄存器每過2/M個外部參考時鐘后返回到初始狀態(tài)一次, 相應地正弦查詢表每經(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。輸出的正弦波周期= 2/M，頻率= Mfc/2 ，、分別為外部參考時鐘的周期和頻率。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。DAC滿量程輸出電流通過一個外

19、接電阻RSET調(diào)節(jié), 調(diào)節(jié)關(guān)系為= 32(1.248V/ RSET) , RSET的典型值是3.9k。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。在125MHz 的時鐘下, 32位的頻率控制字可使AD9850 的輸出頻率分辨率達0.0291Hz8。4.2 相位控制字的計算AD9850 有串行和并行兩種控制命令字寫入方式。圖4-7是控制字并行輸入的時序圖。并行輸入方式下，在W_CLK的上升沿裝入8位數(shù)據(jù)，并把指針指向下一個輸入寄存器，連續(xù)5個W_CLK上升沿后，W_CLK

20、的邊沿不再起作用，直到復位信號或FQ_UD上升沿把地址指針復位到第一個寄存器。在FQ_UD的上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率/相位數(shù)據(jù)寄存器(更新DDS輸出頻率和相位)9。圖4-2 控制字并行輸入的時序圖圖4-3 控制字串行輸入的時序圖圖4-4 AD9850結(jié)構(gòu)因為要考慮到FM調(diào)頻，本系統(tǒng)使AD9850工作于并行方式接線，以提高頻率的切換速度。從而達到調(diào)制1K正弦波的要求。參考時鐘使用42M晶振，設計低通濾波器時，就要去掉42M的高頻干擾。DDS輸出的帶寬比較高，低通濾波器要采用LC做成7階切貝雪夫低通濾波。其連接圖如圖 4-510。圖4-5 AD9850 連接圖而且，應在電路中使用一

21、個截止頻率為10MHz 的7 階切比雪夫濾波器。在濾波器的設計過程中,能否準確實現(xiàn)高Q值的電感,直接影響著濾波器的最終性能。4.3 帶負載輸出 要達到6V1V的帶負載輸出，我們先使用寬頻運放AD8056做前級放大，為了達到合適的電壓增益，我們使用了兩級放大切換，改變放大的級數(shù)以便適應增益要求，如圖4-12；經(jīng)運放輸出的電壓電流較弱，帶負載能力不強，所以要在運放的后級加上一級推挽輸出，提高輸出電流。如圖 4-6所示：在推挽輸出端接上了50電阻，輸出幅度能達到題目的要求。圖4-6 放大電路4.4 正弦調(diào)制信號的產(chǎn)生 1K正弦調(diào)制信號的產(chǎn)生采用DDS技術(shù)。 DDS技術(shù)采用全數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)頻率合成，和其

22、它一般的頻率合成技術(shù)相比，有一些突出的優(yōu)點和獨特的性能：DDS 在相對帶寬、頻率轉(zhuǎn)換時間、頻率分辨率、相位連續(xù)性、正交輸出以及集成化等一系列性能指標方面遠遠超過了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達到的水平，為本系統(tǒng)實現(xiàn)AM，F(xiàn)M調(diào)制提供了穩(wěn)定的正弦調(diào)制信號。DDS 技術(shù)的實現(xiàn)依賴于高速、高性能的數(shù)字器件。可編程邏輯器件以其速度高、規(guī)模大、可編程，以及有強大EDA 軟件支持等特性，十分適合實現(xiàn)頻率的合成。 DDS設計電路產(chǎn)生的波形存在高次諧波，須進行低通濾波使波形平滑，為使通帶內(nèi)的起伏最小，我們采用了巴特沃斯二階低通濾波器，如圖 4-7。巴特沃思二階低通濾波器的截止頻率為fc = 1/ 2RC 。由于只需產(chǎn)

23、生1KHz的正弦信號,本系統(tǒng)設計的濾波器的截至頻率為2KHz，選取C=1uf，經(jīng)計算取R=80。 圖4-7 二階巴特沃思濾波器4.5 AM調(diào)幅信號的產(chǎn)生調(diào)幅（AM）是指用調(diào)制信號f（t）去控制載波c（t）的振幅，使已調(diào)波的包絡按照f（t）的規(guī)律線性變化的過程，這種調(diào)制在中短波廣播及通信中獲得廣泛應用。假設調(diào)制信號為f（t），載波為 c（t）=cos（t+） (4-1)則已調(diào)信號可以寫為 (t)= + f（t）cost=m(t)cost (4-2)式中：為未調(diào)載波的振幅，為載波頻率，為載波起始相位。在AM 調(diào)幅中, 輸出已調(diào)信號的包絡與輸入調(diào)制信號成正比,基于此我們采用控制輸入調(diào)制信號的幅度來改

24、變調(diào)制度ma, 使其可在10%100%之間程控調(diào)節(jié)，步進量10%。本系統(tǒng)中采用的是模擬乘法器 MC1496 來實現(xiàn)調(diào)制器的設計, MC1496 中包含了由帶雙電流源的標準差動放大器驅(qū)動的四個高位放大器輸出集電極交叉耦合,產(chǎn)生了兩個輸入電壓的全波平衡調(diào)制乘積現(xiàn)象,也就是說輸出信號是一個常數(shù)乘以兩個輸入信號的乘積, 即為 = K。 使用模擬乘法器比較容易實現(xiàn)調(diào)幅，調(diào)制質(zhì)量高。電路如圖 4-8。圖4-8 MC1496電路圖4.6 LCD顯示器本設計中采用了TG12864A 液晶顯示器，該顯示器是12864點陣式液晶，其結(jié)構(gòu)框圖4-9 TG12864A 液晶顯示器結(jié)構(gòu)圖4.6.1 概述帶中文字庫的12

25、8X64 是一種具有4 位/8 位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標一級、二級簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為12864, 內(nèi)置8192個16*16 點漢字，和128個16*8點ASCII字符集.利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機交互圖形界面。可以顯示84行1616 點陣的漢字，也可完成圖形顯示，低電壓低功耗是其又一顯著特點。由該模塊構(gòu)成的液晶顯示方案與同類型的圖形點陣液晶顯示模塊相比，不論硬件電路結(jié)構(gòu)或顯示程序都要簡潔得多，且該模塊的價格也略低于相同點陣的圖形液晶模塊。4.6.2 基本特性（1） 低電源電壓（VDD:+3.0-+5.

26、5V）（2） 顯示分辨率:12864點 （3） 內(nèi)置漢字字庫，提供8192個1616點陣漢字(簡繁體可選) （4） 內(nèi)置 128個168點陣字符 （5） 2MHZ 時鐘頻率 （6） 顯示方式：STN、半透、正顯（7） 驅(qū)動方式：1/32DUTY，1/5BIAS （8） 視角方向：6點 （9） 背光方式：側(cè)部高亮白色LED，功耗僅為普通LED 的1/51/10 （10） 通訊方式：串行、并選可選5 軟件設計系統(tǒng)軟件部分主要包括了具有友好界面的操作菜單，各種信號的設置和控制。正弦波產(chǎn)生過程為：頻率設置，數(shù)據(jù)處理，然后控制DDS芯片完成各種頻率的正弦波產(chǎn)生；調(diào)幅波產(chǎn)生過程為：通過調(diào)制系數(shù)的設置，控制D/A轉(zhuǎn)換器輸出，可得到不同幅值的調(diào)制波，與載波相乘來實現(xiàn)調(diào)幅波的產(chǎn)生；PSK、ASK產(chǎn)生：通過MCU對模擬開關(guān)的控制來完成PSK、ASK的產(chǎn)生。調(diào)頻信號產(chǎn)生過程：通過A/D轉(zhuǎn)換器采集調(diào)制信號，然后根據(jù)調(diào)制信號的幅度計算出頻偏，把頻偏數(shù)據(jù)下載到DDS即可實現(xiàn)頻信號的產(chǎn)生。參考文獻1 梅開鄉(xiāng),梅軍進.模擬電子技術(shù)M.北京：北京理工大學出版社，2009.012葛中海.模擬電子技術(shù)M20110101北京：機械工業(yè)出版社3王衛(wèi)東.模擬