正弦信號發(fā)生器主要由兩部分組成：正弦波信號發(fā)生器和產(chǎn)生調(diào)幅、調(diào)頻、鍵控信號。正弦波信號發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)，在CPLD上實現(xiàn)正弦信號查找表和地址掃描，經(jīng)D/A輸出可得到正弦信號。具有頻率穩(wěn)定度高，頻率范圍寬，容易實現(xiàn)頻率步進100Hz。

1、正弦波形的產(chǎn)生

單向DDS由Nbit相位累加器和ROM只讀存儲器（正弦查找表）構(gòu)成的數(shù)控振蕩源（NCO），數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）、低通平滑濾波器（LPF）構(gòu)成，圖1所示為DDS的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 ?基于DDS技術(shù)的正弦信號發(fā)生器原理框圖

圖1中fc為時鐘頻率，K為頻率控制字，N為相位累加器的字長，M為ROM地址線位數(shù)，L為ROM數(shù)據(jù)線寬度，f0為輸出頻率。相位累加器由全加器和累加寄存器級聯(lián)組成。在時鐘頻率fc的控制下，對輸入頻率控制字K進行累加，累加滿量時就產(chǎn)生溢出。相位累加器的輸出對應(yīng)于該時刻合成周期信號的相位，并且這個相位是周期性的，在0～2π范圍內(nèi)變化。相位累加器位數(shù)為N，最大輸出為2N-1，對應(yīng)于2π的相位，累加1次就輸出1個相應(yīng)的相位碼，地址以查表方式，得到對應(yīng)相位的信號幅度值，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換，就可以得到一定頻率的信號輸出波形，低通濾波器對輸出的信號波形進行平滑處理，濾除雜波和諧波。

由于控制字K經(jīng)過2N/K次累加，相位累加器滿量溢出，完成1個周期運算，所以輸出頻率f0由fc和K共同決定，即f0=fcK/2N且K《2N-1，得到DDS的最小分辨率可達fc/2N。理論上通過設(shè)定DDS相位累加器的位數(shù)N、頻率控制字K和時鐘頻率fc的值，就可以產(chǎn)生任一頻率的輸出。根據(jù)頻率步進100Hz的要求，選取累加器的位數(shù)為19位，計算出時鐘頻率fc應(yīng)為52.4288MHz。步進的累計誤差通過軟件補償?shù)姆椒ㄟM行修正，利用現(xiàn)有的52.4160MHz晶振完全精確地實現(xiàn)步進100Hz的要求。

2、產(chǎn)生模擬幅度調(diào)制信號

用調(diào)制信號去控制高頻振蕩的幅度，使其幅度的變化量隨調(diào)制信號成正比地變化，這一過程稱為幅度調(diào)制。若載波為uc=Uccosωct，調(diào)制信號為f（t）=cosΩt，則調(diào)幅波為

uAM（t）=Uc［1+macosΩt］cosωct（1）

普通調(diào)幅波利用模擬相乘器實現(xiàn)，但是外圍電路復(fù)雜，改變調(diào)制度需改變電路元件的參數(shù)，實現(xiàn)起來繁瑣。可以采用CPLD芯片結(jié)合DDS技術(shù)靈活的實現(xiàn)數(shù)字調(diào)幅，原理如圖2所示。

圖2 ?幅度調(diào)制原理框圖

由DDS產(chǎn)生的波形信號作為載波，在單片機內(nèi)部作調(diào)制信號為1kHz的正弦波形存儲表，根據(jù)鍵盤所設(shè)定的調(diào)制度ma（10％～100％）與存儲表中的數(shù)據(jù)相乘的結(jié)果送CPLD與DDS得到的波形相乘，再與DDS信號相加就產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)字調(diào)幅波編碼，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換得到模擬調(diào)幅信號。

3、產(chǎn)生模擬頻率調(diào)制信號

在連續(xù)波調(diào)制中，載波可表示為uc=Uccosωct，調(diào)制信號為UΩ（t），調(diào)頻波是瞬時頻率的變化量與調(diào)制信號成正比，因此調(diào)頻波的瞬時角頻率除了載波角頻率ωc外，還附加一項和調(diào)制信號成正比的部分ω（t）=ωc+Δωf（t），Δωp（t）=kfuΩ（t），式中kf為比例系數(shù)，是單位調(diào)制信號強度引起的頻率變化。Δωf（t）的最大值Δωf稱為最大頻偏，反映在頻率上為f（t）=fc+Δfcos（2πft），調(diào)頻波的表達式：

UFM（t）=Uccos［（fc+Δfcos（2πft）t］（2）

圖3 ?頻率調(diào)制原理框圖

圖3為CPLD數(shù)字調(diào)頻電路，頻偏為5K時的控制字是50，將余弦波形與50相乘，并與單片機傳遞的頻率控制字相加，送入DDS模塊經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換就可以輸出調(diào)頻波，其設(shè)計原理圖如圖4所示。

圖4 ?頻率調(diào)制設(shè)計原理圖

4、產(chǎn)生二進制PSK、ASK信號

用數(shù)字基帶信號去控制高頻正弦波的幅度就是振幅鍵控調(diào)制ASK。在CPLD內(nèi)部只需要根據(jù)所設(shè)定的二進制基帶序列碼對產(chǎn)生的DDS波形進行處理，二進制基帶序列為1時波形通過，序列為0時輸出0，仿真波形如圖5所示。移相鍵控PSK是數(shù)字基帶信號去控制載波的相位。

圖5 ?二進制ASK仿真波形圖

它是利用載波不同相位或相位變化來傳遞信息的。PSK的實現(xiàn)方法是根據(jù)數(shù)字基帶信號的兩個電平（或符號）使載波相位在兩個不同的數(shù)值之間切換，兩個載波相位通常相差180°，波形如圖6所示。

圖6 ?二進制PSK仿真波形圖

5、輸出信號調(diào)理部分

D/A轉(zhuǎn)換電路如圖7所示，選用的是12位高速D/A器件AD9713，該器件具有更好的靜態(tài)性能和動態(tài)特性。AD9713B更新速率可達100MS/s。由于該D/A轉(zhuǎn)換器是針對DDS、波形重構(gòu)和高質(zhì)量圖像信號處理等應(yīng)用而設(shè)計的，這款芯片在動態(tài)特性方面表現(xiàn)特別突出，并且具有優(yōu)良的諧波抑制能力。AD9713輸出滿量程電流輸出是由VCONTROLAMPIN和RSET決定的，圖7中AD9713采用內(nèi)部參考電壓，輸出滿量程電流為-20mA。

圖7 ?D /A轉(zhuǎn)換電路

幅度調(diào)節(jié)電路是由放大器組成。高頻信號放大要求放大器有足夠的輸出電壓轉(zhuǎn)換速率，在正弦波的情況下，放大器所需要的最大擺率SR=2πω=2πAf，其中ω為信號的角頻率，A為信號幅度，f為頻率。此外，幅度調(diào)節(jié)電路要求帶低阻負載，放大器的電流輸出能力也是個重要參數(shù)，要在50Ω負載上輸出6V信號，則放大器至少要有120mA的連續(xù)電流輸出能力。考慮以上原因，本文選擇AD公司的高速運放AD811作為輸出放大器，它是一個寬帶高速電流反饋型運算放大器，其各項參數(shù)非常適合上述指標：小信號帶寬（G=+2時）達120MHz，電壓擺率SR為2500V/μs，全諧波失真THD為-74dB（10MHz），輸出電流達100mA，其短路輸出電流可達150mA。

圖8 ?幅度調(diào)節(jié)電路

幅度調(diào)節(jié)電路如圖8所示，圖中R3和R4起分流作用，限制用于I/V轉(zhuǎn)換的電流，1個電流反饋的高速放大電路。它把AD9713輸出的電流轉(zhuǎn)換成電壓，通過反饋電阻Rf的電流決定AD811輸出的幅度為6V。為了增大后級的帶負載能力設(shè)計了后級電壓跟隨，模擬輸出的最后部分是濾波電路，濾波器的選擇主要取決于系統(tǒng)所要輸出的波形，在50Ω的負載電阻上的電壓峰峰值為6±1V。

6、頻率值的接收與顯示

鍵盤、顯示部分用來實現(xiàn)用戶與單片機的交互。系統(tǒng)采用中斷查詢的方式接收通過鍵盤輸入的頻率值。該頻率值一方面送到數(shù)碼顯示接口進行顯示，另一方面轉(zhuǎn)化成頻率控制字送往相位累加模塊。

7、系統(tǒng)軟件設(shè)計

關(guān)于單片機部分，程序流程圖如圖9所示。

圖9 ?單片機程序流程圖

8、功能及指標測試

表1 正弦波實驗觀察結(jié)果

表2 正弦波頻率穩(wěn)定度測試結(jié)果

表3 ?正弦波幅度調(diào)制測試結(jié)果

利用測試儀器：EE1641B1型函數(shù)信號發(fā)生器/計數(shù)器，直流穩(wěn)壓電源GPS-3303C、60MHz示波器TDS1002，高頻測試儀等對設(shè)計的信號發(fā)生器進行性能測試。正弦波的頻率范圍、步進、在50Ω負載上的輸出電壓幅度，失真度測量如表1所示，頻率穩(wěn)定度測量如表2所示，步進為10%的幅度調(diào)制測試如表3所示，調(diào)制信號為1kHz的頻率調(diào)制測試如圖10所示，二進制PSK、ASK如圖11和圖12所示。

圖10 ?正弦波頻率調(diào)制測試結(jié)果

經(jīng)過測試可以得到，本文設(shè)計的系統(tǒng)可達以下性能指標：

1）正弦波輸出頻率范圍1kHz～10MHz。

2）具有頻率設(shè)置功能，頻率步進100Hz。

3）輸出信號頻率穩(wěn)定度優(yōu)于10-4。

4）輸出電壓幅度在50Ω負載電阻上的電壓峰-峰值Vopp≥1V。

5）失真度用示波器觀察時無明顯失真。

綜合分析各項指標的測試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，該設(shè)計頻率變化范圍大，信號穩(wěn)定度高，失真度好，達到了性能良好的設(shè)計要求。