正弦信號發生器的設計與實現

李道霖，韓緒鵬，肖春芳

（三峽電力職業學院電力工程系，湖北宜昌443000）

正弦信號源在實驗室和電子工程設計中有著十分重要的作用，而傳統的正弦信號源根據實際需要一般價格昂貴，低頻輸出時性能不好且不便于自動調節，工程實用性較差。本文的設計以較低的成本制作正弦信號發生器[1-2]，可用作核磁共振中引發磁場測量儀的激勵一般的正弦信號，也可作為調制用的教學演示信號源。

正弦信號發生器主要由兩部分組成：正弦波信號發生器和產生調幅、調頻、鍵控信號。正弦波信號發生器采用直接數字頻率合成DDS[3-4]技術，在CPLD[5-6]上實現正弦信號查找表和地址掃描，經D/A輸出可得到正弦信號。具有頻率穩定度高，頻率范圍寬，容易實現頻率步進100 Hz。全數字化結構便于集成，輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可實現程控。

調幅、調頻、鍵控信號的產生可采用調頻、調幅專用芯片能分別實現，但是該方法實現的調頻調幅功能，對于某一特定頻率和特定的調制度、頻偏效果較好，在載波頻率可變和調制度、頻偏要求任意設定的情況下難以實現。本文利用CPLD和單片機AT89S52不僅可以實現頻率范圍可調的正弦波信號，而且在CPLD內部加上相應的數字控制算法就能方便地實現調頻FM，調幅AM和鍵控PSK、ASK數字調制功能[3-6]，有利于提高系統的整體性能和工作可靠性。正弦信號產生部分可在一片CPLD（EP1K30）中實現，大大地簡化了硬件電路，便于功能擴展，并為進一步實現系統集成創造了條件。

1 理論分析與計算

1.1 正弦波形的產生

單向DDS由N bit相位累加器和ROM只讀存儲器（正弦查找表）構成的數控振蕩源（NCO），數模轉換器（DAC）、低通平滑濾波器（LPF）構成，圖1所示為DDS的基本結構。

圖1 基于DDS技術的正弦信號發生器原理框圖Fig.1 Block diagram of sinusoidal signal generator based on DDS technique

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，L為ROM數據線寬度，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，累加滿量時就產生溢出。相位累加器的輸出對應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范圍內變化。相位累加器位數為N，最大輸出為2N-1，對應于2π的相位，累加1次就輸出1個相應的相位碼，地址以查表方式，得到對應相位的信號幅度值，經過數模轉換，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。理論上通過設定DDS相位累加器的位數N、頻率控制字K和時鐘頻率fc的值，就可以產生任一頻率的輸出。根據頻率步進100 Hz的要求，選取累加器的位數為19位，計算出時鐘頻率fc應為52.428 8 MHz。步進的累計誤差通過軟件補償的方法進行修正，利用現有的52.416 0 MHz晶振完全精確地實現步進100 Hz的要求。

1.2 產生模擬幅度調制信號

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

普通調幅波利用模擬相乘器實現，但是外圍電路復雜，改變調制度需改變電路元件的參數，實現起來繁瑣。可以采用CPLD芯片結合DDS技術靈活的實現數字調幅，原理如圖2所示。

圖2 幅度調制原理框圖Fig.2 Principle block diagram of amplitude modulation

由DDS產生的波形信號作為載波，在單片機內部作調制信號為1 kHz的正弦波形存儲表，根據鍵盤所設定的調制度ma（10%～100%）與存儲表中的數據相乘的結果送CPLD與DDS得到的波形相乘，再與DDS信號相加就產生相應的數字調幅波編碼，經D/A轉換得到模擬調幅信號。

1.3 產生模擬頻率調制信號

在連續波調制中，載波可表示為uc=Uccosωct，調制信號為UΩ（t），調頻波是瞬時頻率的變化量與調制信號成正比，因此調頻波的瞬時角頻率除了載波角頻率ωc外，還附加一項和調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，是單位調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），調頻波的表達式：

圖3為CPLD數字調頻電路，頻偏為5 K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D/A轉換就可以輸出調頻波，其設計原理圖如圖4所示。

圖3 頻率調制原理框圖Fig.3 Block diagram of frequency modulation

圖4 頻率調制設計原理圖Fig.4 Principle diagram of frequency modulation design

1.4 產生二進制PSK、ASK信號

用數字基帶信號去控制高頻正弦波的幅度就是振幅鍵控調制ASK。在CPLD內部只需要根據所設定的二進制基帶序列碼對產生的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。

圖5 二進制ASK仿真波形圖Fig.5 Simulation waveforms of binary ASK

移相鍵控PSK是數字基帶信號去控制載波的相位。它是利用載波不同相位或相位變化來傳遞信息的。PSK的實現方法是根據數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Fig.6 Simulation waveforms of binary PSK

1.5 輸出信號調理部分

D/A轉換電路如圖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性能和動態特性。AD9713B更新速率可達100 MS/s。由于該D/A轉換器是針對DDS、波形重構和高質量圖像信號處理等應用而設計的，這款芯片在動態特性方面表現特別突出，并且具有優良的諧波抑制能力。AD9713輸出滿量程電流輸出是由VCONTROL AMP IN和RSET決定的，圖7中AD9713采用內部參考電壓，輸出滿量程電流為-20 mA。

圖7 D/A轉換電路Fig.7 D/A converter circuit

幅度調節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，幅度調節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，要在50 Ω負載上輸出6 V信號，則放大器至少要有120 mA的連續電流輸出能力。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，其各項參數非常適合上述指標：小信號帶寬（G=+2時）達120 MHz，電壓擺率SR為2 500 V/μs，全諧波失真THD為-74 dB（10 MHz），輸出電流達100 mA，其短路輸出電流可達150 mA。

幅度調節電路如圖8所示，圖中R3和R4起分流作用，限制用于I/V轉換的電流，1個電流反饋的高速放大電路。它把AD9713輸出的電流轉換成電壓，通過反饋電阻Rf的電流決定AD811輸出的幅度為6 V。為了增大后級的帶負載能力設計了后級電壓跟隨，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所要輸出的波形，在50 Ω的負載電阻上的電壓峰峰值為6±1 V。

圖8 幅度調節電路Fig.8 Circuit of amplitude modulation

1.6 頻率值的接收與顯示

鍵盤、顯示部分用來實現用戶與單片機的交互。系統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碼顯示接口進行顯示，另一方面轉化成頻率控制字送往相位累加模塊。

2 系統軟件設計

單片機程序采用C語言，在Keil uV2環境下編譯，用WAVE6000L仿真器調試CPLD在MAXPLUSⅡ下開發，采用VHDL語言編程。

關于CPLD部分，相位測量儀和數字移相信號發生器采用ALTERA公司的EP1K30TC144-3FPGA芯片，原理圖已經在前面的分析中。關于單片機部分，程序流程圖如圖9所示。

圖9 單片機程序流程圖Fig.9 Flow chart of SCM process

3 功能及指標測試

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

表1 正弦波實驗觀察結果Tab.1 Sine experimental observations

表2 正弦波頻率穩定度測試結果Tab.2 Test results of sine wave frequency stability

表3 正弦波幅度調制測試結果Tab.3 Test results of sine wave amplitude modulation

圖10 正弦波頻率調制測試結果Fig.10 Test results of sine wave frequency modulation

圖11 ASK信號測試圖Fig.11 Test pattern of ASK signal

圖12 PSK信號測試圖Fig.12 Test pattern of PSK signal

經過測試可以得到，本文設計的系統可達以下性能指標：

1）正弦波輸出頻率范圍1 kHz～10 MHz。

2）具有頻率設置功能，頻率步進100 Hz。

3）輸出信號頻率穩定度優于10-4。

4）輸出電壓幅度在50 Ω負載電阻上的電壓峰-峰值Vopp≥1 V。

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果發現，該設計頻率變化范圍大，信號穩定度高，失真度好，達到了性能良好的設計要求。

4 結論

以CPLD和單片機AT89S52為基礎，采用DDS技術實現的正弦信號發生器在保證輸出穩定的正弦波頻率情況下能夠實現頻率可調，失真度小，頻率步進小，精確度高等特點，產生的正弦信號源可以廣泛運用于教學或一般工業以及實驗場合，測試結果表明本文提出的正弦信號發生器的設計是有效的，易于工程實現且具有一定的實用性。

[1]馬海洋，曾真，徐廣嵚.正弦信號發生器[J].電子設計工程，2008（12）：77-81.

MA Hai-yang，ZENG Zhen，XU Guang-qin.Sinesignal generator[J].International Electronic Elements，2008（12）：77-81.

[2]彭善瓊，丁長松.一種新型信號發生器的設計與實現[J].電子工程師，2007，33（2）：38-40.

PENG Shan-qiong，DING Chang-song.To design a signal generator with new function[J].Electronic Engineer，2007，33（2）：38-40.

[3]維迪姆，邁納塞維奇.頻率合成器理論與設計[M].北京：機械工業出版社，1982.

[4]夏宇聞.Verilog數字系統設計教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.

[5]王蓉，徐瓊燕.基于CPLD的函數信號發生器設計[J].現代電子技術，2009（24）：157-159.

WANG Rong，XU Qiong-yan.Design of function signal generator based on CPLD[J].Modern Electronics Technique，2009（24）：157-159.

[6]何其銳，楊健君，廖云，等.利用單片機和CPLD實現高速信號發生器[J].電子器件，2006，29（1）：198-204.

HE Qi-rui，YANG Jian-jun，LIAO Yun，et al.Accomplished high-speed signal generators by use of MCU and CPLD[J].Chinese Journal of Electron Devices，2006，29（1）：198-204.