一種多功能正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)

李 璐，李騰飛，李飛飛

(武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430079)

在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻發(fā)射，即載波，把音頻、視頻信號(hào)或脈沖信號(hào)運(yùn)載出去，這就需要能產(chǎn)生高頻信號(hào)的振蕩器。正弦波振蕩電路在各個(gè)科學(xué)技術(shù)部門的應(yīng)用是十分廣泛的。在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域(如高頻感應(yīng)加熱、熔煉、淬火，超聲波焊接、超聲診斷、核磁共振成像等)都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。

本系統(tǒng)以直接數(shù)字合成(DDS)芯片為信號(hào)發(fā)生核心，以單片機(jī)為控制和人機(jī)界面核心，使用FPGA作為控制核心，組成一個(gè)具有多種信號(hào)輸出能力的信號(hào)發(fā)生電路。可輸出頻率可調(diào)的正弦信號(hào)、調(diào)頻信號(hào)、調(diào)幅信號(hào)和數(shù)字調(diào)制輸出信號(hào)等，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和工作原理

圖1 系統(tǒng)整體框圖

系統(tǒng)整體框圖如圖1。單片機(jī)接收用戶的模式選擇和參數(shù)設(shè)置值并經(jīng)過程序處理后送入FPGA。在FPGA中預(yù)先構(gòu)建了實(shí)現(xiàn)各種功能的功能模塊。DDS控制模塊用于控制DDS芯片AD9851產(chǎn)生相應(yīng)頻率的無調(diào)制正弦波及調(diào)頻正弦波；DAC7611控制模塊用于控制DAC7611數(shù)模轉(zhuǎn)換器并為DAC904數(shù)模轉(zhuǎn)換器提供基準(zhǔn)電壓；二進(jìn)制基帶碼控制模塊用于將用戶輸入的二進(jìn)制基帶碼轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，便于后續(xù)處理；數(shù)字調(diào)制控制模塊用于判斷用戶選擇的數(shù)字調(diào)制方式，并結(jié)合二進(jìn)制基帶碼模塊輸出的數(shù)據(jù)，輸出不同的相位值給ROM中的正弦波表，實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)字調(diào)制信號(hào)；DAC904用于D/A轉(zhuǎn)換輸出數(shù)字調(diào)制信號(hào)。

2 FPGA內(nèi)部控制模塊及其實(shí)現(xiàn)

2.1 DDS控制模塊

AD9851是ADI公司的專用DDS芯片，采用CMOS生產(chǎn)的具有高集成度的直接數(shù)字合成器，內(nèi)置32 bit頻率累加器、10 bit高速DAC、高速比較器和可軟件選通的時(shí)鐘6倍頻電路。外接參考頻率源時(shí)，AD9851可以產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩(wěn)定度非常高的正弦波。

相位累加器的位數(shù)為N，相位控制字的值為FN，頻率控制字的位數(shù)為M，頻率控制字的值為 FM，F(xiàn)c為AD9851內(nèi)部時(shí)鐘頻率。此時(shí)，最終合成信號(hào)的頻率和相位可由式(1)和式(2)來決定：

其中，f為輸出信號(hào)的頻率，θ為信號(hào)的初始相位。

FPGA中DDS控制模塊的功能主要是對(duì)AD9851寫控制字，使其輸出正弦、AM、FSK、FM波。功能的切換通過寫入不同的控制字得以實(shí)現(xiàn)，頻率數(shù)據(jù)由P0、nWR、CS、Addr等微機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口寫入。對(duì) AD9851的操作由FQD、WCK、Dout、RST輸出口與芯片數(shù)字接口實(shí)現(xiàn)。實(shí)現(xiàn)FM時(shí)，需要在中心頻率周圍產(chǎn)生5 kHz/10 kHz的頻偏，這要求模塊輸出的頻率控制字要隨調(diào)制信號(hào)幅度變化而變化，在模塊的輸入端給出了當(dāng)前的頻率控制字增量，模塊讀入這個(gè)增量與中心頻率控制字相加，即可得到當(dāng)前頻率控制字，也即實(shí)現(xiàn)了FM。

2.2 幅度調(diào)制模塊

實(shí)際控制調(diào)幅度AM時(shí)，保持載波信號(hào)幅度不變，控制調(diào)制信號(hào)的幅度，就可以實(shí)現(xiàn)AM在10%～100%之間調(diào)節(jié)。通過控制DAC7611輸出信號(hào)幅度，即控制DAC904的參考電壓，達(dá)到控制調(diào)制度的效果。可以通過一個(gè)模擬乘法器AD835電路實(shí)現(xiàn)調(diào)幅信號(hào)，且載波信號(hào)頻率可以做得很高，也比較容易實(shí)現(xiàn)。

2.3 頻率調(diào)制模塊

在軟件實(shí)現(xiàn)時(shí)，根據(jù)調(diào)頻信號(hào)變化的規(guī)律采用數(shù)字方式控制DDS正弦波發(fā)生器的頻率控制字，存在一個(gè)單獨(dú)的ROM模塊中，直接作用于輸出波形的頻率值，即實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)源頻率的調(diào)制。

由單片機(jī)輸入中心頻率和最大頻偏后，啟動(dòng)數(shù)字FM，F(xiàn)PGA內(nèi)部時(shí)鐘單元將產(chǎn)生一個(gè)128kHz的時(shí)鐘，用于累加8128bit正弦波表地址，得出相應(yīng)正弦幅度量化值。該幅度值一方面作為輸出信號(hào)輸出至外部D/A的數(shù)據(jù)端口，用于恢復(fù)正弦信號(hào)；另一方面作為頻率控制字的計(jì)算依據(jù)，根據(jù)相應(yīng)公式計(jì)算出頻率控制字。寫時(shí)序控制器在時(shí)鐘的作用下將生成的頻率控制字寫到DDS芯片AD9851內(nèi)，從而產(chǎn)生一個(gè)頻率與正弦信號(hào)幅度成比例的調(diào)頻信號(hào)。

2.4 數(shù)字調(diào)制模塊

在具體的編程實(shí)現(xiàn)過程中，在FPGA內(nèi)設(shè)置二進(jìn)制基帶碼模塊和數(shù)字調(diào)制控制模塊。通過二進(jìn)制基帶碼模塊，將鍵盤輸入的0、1值轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)，便于后續(xù)處理。通過數(shù)字調(diào)制控制模塊判斷用戶選擇的方式為ASK、PSK還是FSK，結(jié)合二進(jìn)制基帶碼模塊輸出的數(shù)據(jù)，輸出不同的相位值給ROM中的正弦波表，實(shí)現(xiàn)輸出數(shù)字調(diào)制信號(hào)。

對(duì)于ASK，將載波信號(hào)與二進(jìn)制基帶信號(hào)相乘；對(duì)于PSK，用二進(jìn)制基帶信號(hào)控制載波的相位，當(dāng)二進(jìn)制基帶信號(hào)的上升沿(下降沿)到來時(shí)，載波反相，其他時(shí)間相位不變，得到的輸出經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后就是PSK信號(hào)，對(duì)于FSK，0、1各代表不同的頻率值，二進(jìn)制基帶信號(hào)控制頻率控制字。

假設(shè)載波固定頻率為100 kHz，基帶序列碼速率為10 kb/s，當(dāng)實(shí)現(xiàn) 2ASK時(shí)，如果基帶序列為1碼，應(yīng)輸出5個(gè)正弦載波，為0則應(yīng)輸出零電平。可將基帶序列的速率控制轉(zhuǎn)為控制當(dāng)序列符號(hào)為1時(shí)能輸出正弦波的數(shù)量，而載波的頻率是通過向自制DDS信號(hào)源寫入載波頻率控制字實(shí)現(xiàn)的。因此，當(dāng)確定載波頻率時(shí)，從單片機(jī)輸入一個(gè)數(shù)字x表示當(dāng)序列符號(hào)為1時(shí)能輸出正弦波的數(shù)量，則可確定基帶序列碼的速率。如圖2所示，數(shù)字x通過din[7..0]輸入并存儲(chǔ)到了模塊內(nèi)部一個(gè)寄存器中，內(nèi)部一個(gè)計(jì)數(shù)器從0開始計(jì)數(shù)，每當(dāng)計(jì)滿x-1，計(jì)數(shù)器清零，并且使內(nèi)部一個(gè)標(biāo)志位flag取反。當(dāng)flag為1時(shí)，輸出端口adr-out[9..0]輸出一定規(guī)律的連續(xù)地址查表RAM-1 024 B存儲(chǔ)器(里面存的是正弦波表)，控制輸出正弦載波；當(dāng)已輸出x個(gè)時(shí)，flag取反為0，則控制輸出一個(gè)固定地址到RAM-1 024 B，這個(gè)固定地址里存為0值，則此時(shí)輸出0電平。循環(huán)下去即可實(shí)現(xiàn)2ASK調(diào)制。同理，當(dāng)選擇輸出2PSK時(shí)，每當(dāng)flag取反一次則將輸出的正弦載波反相一次，則就實(shí)現(xiàn)了2PSK調(diào)制。當(dāng)選擇輸出2FSK時(shí)，每當(dāng)flag取反一次，則分別將兩個(gè)頻率控制字送入自制DDS信號(hào)源，從而控制輸出了兩個(gè)頻率相互變化的2FSK輸出。

3 電路調(diào)試及仿真

電路調(diào)試采用計(jì)算機(jī)仿真和硬件調(diào)試相結(jié)合的方式，以QuartusII 5.0為設(shè)計(jì)環(huán)境，用Verilog HDL硬件描述語言編程，完成各個(gè)功能模塊的設(shè)計(jì)，并對(duì)設(shè)計(jì)好的各個(gè)模塊進(jìn)行仿真測(cè)試，再將各個(gè)模塊相互連接。分配好FPGA的各個(gè)引腳后，對(duì)文件編譯并將生成文件下載到FPGA中，完成設(shè)計(jì)。

3.1 軟件仿真

在FPGA內(nèi)編譯后，仿真時(shí)序如圖3所示。

圖3 仿真時(shí)序圖

3.2 硬件調(diào)試

(1)調(diào)制度50%的波形記錄如圖4所示。

圖4 調(diào)制度50%調(diào)幅波形

讓系統(tǒng)輸出AM信號(hào)，人為設(shè)定載波頻率和調(diào)制度，用示波器觀察波形并記錄結(jié)果。

(2)FM信號(hào)測(cè)量。讓系統(tǒng)輸出FM信號(hào)，設(shè)定載波頻率為100 kHz，頻偏10 kHz，用示波器觀察波形并記錄結(jié)果。波形記錄如圖5所示。

圖5 載波頻率100kHz、頻偏10kHz的FM信號(hào)波形

(3)2PSK、2ASK、2FSK信號(hào)測(cè)量。讓系統(tǒng)輸出2PSK、2ASK、2FSK信號(hào)(不能同時(shí)輸出)，按鍵輸入二進(jìn)制基帶序列信號(hào)，用示波器觀察波形并記錄結(jié)果。

①2PSK波形記錄如圖6所示。

圖6 2PSK波形

②2ASK波形記錄如圖7所示。

③2FSK波形記錄如圖8所示。

圖7 2ASK波形

圖8 2FSK波形

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本機(jī)用戶界面設(shè)計(jì)采用多鍵切換方式，即每個(gè)工作模式都由一個(gè)對(duì)應(yīng)的按鍵去觸發(fā)，觸發(fā)后再設(shè)置輸出頻率、調(diào)制度等參數(shù)，單片機(jī)根據(jù)用戶輸入的參數(shù)對(duì)硬件進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置，主要包括寫頻率控制字、寫幅度控制字等。軟件流程如圖9所示。

圖9 軟件流程圖

本文介紹的多功能正弦信號(hào)發(fā)生器可以輸出頻率可調(diào)的正弦波以及調(diào)制度可調(diào)的 AM、FM、FSK、PSK、ASK波。實(shí)驗(yàn)證明，使用這種方法產(chǎn)生的波形具有穩(wěn)定及高精度的特點(diǎn)，有一定的開發(fā)和生產(chǎn)價(jià)值。

[1]夏新凡，陳曉君.正弦信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009(5)：13-15.

[2]郝小江，羅彪.基于FPGA的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器[J].電測(cè)與儀表，2008(5)：49-51.

[3]黃根春，陳小橋，張望先.電子設(shè)計(jì)教程[M].北京：電子工業(yè)出版社，2007.