怎么实现基于DDS技术的高频正弦波发生器的设计？

本文采用直接数字合成（DDS）技术，采用专用集成芯片 AD9834作为正弦波产生模块，由 C8051F020作为控制器来完成整个系统的设计。

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李婧

2021-5-19 11:06:20

以混合信号单片机 C8051F020及 DDS芯片 AD9834为核心，采用直接数字合成（DDS）技术完成多功能高频正弦信号发生器的设计。该正弦信号发生器可输出可调频稳定正弦信号，频率最高可达 15MHz，频率步进为 100Hz、1KHz、10KHz三级步进，在 50欧姆电阻负载情况下输出电压峰峰值在 2.54V至 10.40V之间；同时可以产生模拟调幅（ AM）信号、模拟调频（FM）信号、二进制ASK、PSK、FSK信号。其中：AM信号的调制度可以 10%步进调节，FM信号最大频偏可以在 5 KHz/10KHz之间选择。
1 引言
正弦信号应用极为广泛，通常作为标准信号，用于电子学性能实验及参数测量，故要求正弦波信号发生器输出波形具有较高的精度、稳定度及低失真度。产生正弦信号的方法很多，可以采用函数发生器 MAX038或 ICL8038集成芯片外接分立元件来实现，通过调节外接电容或电阻来设置输出信号频率。但输出信号受外部分立器件参数影响很大，且输出信号频率不能太高，同时无法实现频率步进调节。另外，采用 FPGA+D/A可实现正弦信号发生器的设计，同时可实现频率步进调节，但当输出高频信号时，需要高速D/A来配合工作。
本文采用直接数字合成（DDS）技术，采用专用集成芯片 AD9834作为正弦波产生模块，由 C8051F020作为控制器来完成整个系统的设计。实验结果显示：输出信号频率在 1 KHz 至15 MHz，且无明显失真，输出信号频率实现 100Hz、1KHz、10KHz三级步进调节；在 50欧姆电阻负载情况下，输出电压峰峰值在 2.35V至 10.45V之间；同时可实现模拟调幅信号（AM）、模拟调频信号（ FM）、二进制幅移键控信号（ ASK）、二进制频移键控信号（ FSK）及二进制相移键控信号（PSK）的输出； AM信号的调制度以 10%步进调节； FM信号最大频偏为 5KHz/10KHz可选。
2 系统设计
系统总体框图如图 1所示。系统选取集成混合信号 C8051F020单片机作为主控制器，通过键盘与显示控制芯片 7279来接收功能选择、参数设置等信息，并将输出信号频率等信息实时送往数码管显示。同时，控制器将读取的按键信息转换成控制命令通过串行接口送给 AD9834，由 AD9834产生正弦信号、 ASK、PSK、FSK及 FM信号。而 AM信号的产生则由输出的正弦信号与 1KHz的带偏置正弦信号相乘来实现，通过调节直流分量来调节 AM信号调制度。

2.1 正弦信号发生模块
直接数字合成（DDS）技术具有输出信号精度高、变频速度快、输出信号连续、控制方便及性价比高等诸多优点，因而适用于高频、高精度正弦信号发生器的设计。本系统选取AD9834，其工作原理示意图如图 2所示。它由频率字寄存器、相位字寄存器、相位累加器、加法器、正弦 ROM表及DAC组成。在控制时钟信号作用下，累加器将与输出信号频率对应的频率字进行累加，然后与相位字相加以形成最终相位信息。正弦 ROM表则将相位信息转化为幅值信息，然后由 DAC生成正弦信号。

输出信号频率精度主要由基准频率精度决定。为增大 AD9834输出信号幅值，采用高频运放 AD811进行信号放大。但考虑到输出信号幅值随频率增大而减小的不足，系统采用数控电位计 X9C102来实现可变增益放大，即依据输出信号频率的不同来改变数控电位计的值，以改变增益［8］。可变增益放大器原理示意图如图 3所示。

图中：R1为数控电位计 X9C102的等效电阻值。
2.2 PSK、FSK、ASK信号的产生
AD9834有两个相位字寄存器 PHASE0、PHASE1，可通过片外引脚 PSELECT或片内控制寄存器相关位来选择 PHASE0或 PHASE1中的值作为输出信号的初始相位字。据此，向 PHASE0和 PHASE1分别写入 0和 π所对应的数值（ 000H和 800H），由控制器 C8051F020产生 10kbps的二进制基带序列接到端口 PSELECT上，输出端便可得到二进制 PSK信号。
同样，AD9834有两个频率字寄存器 FREQ0、FREQ1，可通过片外引脚 FSELECT或片内控制寄存器相关位来选择 FREQ0、FREQ1中的值作为输出信号的频率字。向 FREQ0和 FREQ1分别写入两不同频率所对应的数值，并由控制器 C8051F020产生 10kbps的二进制基带序列接到端口 FSELECT上，输出端便可得到二进制 FSK信号。
而 ASK信号的生成方法与 FSK的生成方法类似，唯一不同的是：须将一个频率字寄存器中写入 0Hz所对应的数值。
2.3 模拟调频（ FM）信号、模拟调幅（ AM）信号的产生
本模块用一个按键实现最大偏频为 5KHz/10KHz二级程控的选择。用 8038产生一个频率为 1kHz、峰峰值为 2V的正弦波作为调制信号，依据按键信息判断是 5K偏频还是 10K偏频，然后单片机 F020的 A/D采集调制信号，利用公式 2把频率转换成数字量写入 AD9834的频率字寄存器中，从而实现模拟调频。

将 8038产生的频率为 1kHz的正弦信号作为调制信号，而控制器 C8051F020的 D/A模块产生直流信号，两信号通过加法威廉希尔官方网站形成有偏置的正弦调制信号。此信号与 AD9834产生的正弦信号（载波）经乘法器 AD534产生模拟调幅波。通过调节直流信号大小可以改变模拟调幅信号的调制度。
2.4 按键与显示模块
该模块选用键盘显示管理芯片 7279来实现。7279可以自动扫描按键阵列，并将按键信息存储。控制器可以通过串行接口读取按键信息，并可将要显示的信息送入 7279，由 7279自动完成数码管的扫描显示。这种设计既简化硬件连接，又便于软件处理。
2.5 系统软件设计
系统软件设计的总体思想是：控制器读取键盘信息，如果是功能键按下，则根据功能选择执行相应的功能程序段；如果是调节键按下，则暂停信号输出，直至参数设置完毕后，再根据功能选择项输出相应信号。
3 测试结果对本系统最终结果进行了实验测定，结果如表 1所示：

4 结论
本文采用高性能混合信号 C8051F020单片机和 DDS芯片 AD9834实现高频正弦信号发生器的设计，克服了传统方法中输出信号受外界元件参数影响的缺点，同时 AD9834内部集成有高速 A/D，可直接输出正弦信号，避免外接 A/D，简化系统硬件结构，提高了系统稳定性；基于 AD9834频率字及相位字可选的特点，外接部分威廉希尔官方网站即可产生 AM、FM、ASK、 PSK、FSK等调制信号；AD9834输出正弦信号精度高、稳定性好、输出信号连续、控制方便。将基于上述优点的信号发生器应用于工程实践中，可以提高系统性价比，创造良好的经济效益。同时，基于 DDS技术的信号发生器将获得广泛的应用。
本文作者创新点：利用乘法器将带偏置的正弦调制信号与载波信号相乘以产生 AM信号，通过调节直流分量的大小以调节 AM信号调制度；通过 A/D采集调制信号，依据调制信号幅值信息来改变输出信号频率，从而实现 FM信号的产生。

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