正弦波信号发生器基本原理与设计图（正弦波信号发生器基本原理与设计）

正弦信号发生器主要由两部分组成：正弦波信号发生器和调幅、调频及键控信号发生器。正弦波发生器采用直接数字频率合成的DDS技术，在CPLD上实现正弦信号查表和地址扫描，通过D/A输出可以获得正弦信号。它的频率稳定度高，频率范围宽，易于实现100Hz的频率步进。

1.正弦产生单向DDS由一个由Nbit相位累加器和ROM(正弦查找表)组成的数控振荡器(NCO)、一个数模转换器(DAC)和一个低通平滑滤波器(LPF)组成。图1显示了DDS的基本结构。

图1基于DDS技术的正弦信号发生器原理框图

在图1中，fc是时钟频率，K是频率控制字，N是相位累加器的字长，M是ROM地址线的数量，L是ROM数据线的宽度，f0是输出频率。相位累加器由全加器和累加寄存器级联组成。在时钟频率fc的控制下，对输入频率控制字K进行累加，当累加量满时发生溢出。相位累加器的输出对应的是此时合成周期信号的相位，这个相位是周期性的，从0到2变化。累加器的位数为N，最大输出为2N-1，对应2的相位。累计一次后，将输出相应的相位码。该地址将查表得到相应相位的信号幅度值。经过数模转换，可以得到一定频率的信号输出波形。低通滤波器平滑输出信号波形，滤除杂质和谐波。

由于控制字K累加2N/K次，相位累加器满溢出，完成一个周期的运算，输出频率f0由fc和K共同决定，即f0=fcK/2N和K“2N-1”，DDS的最小分辨率可以达到fc/2N。理论上，通过设置DDS相位累加器的位数N、频率控制字K和时钟频率fc的值，可以产生任意频率的输出。根据频率步进100Hz的要求，累加器位数为19，计算出时钟频率fc为52.4288MHz，步进的累积误差通过软件补偿进行修正，利用现有的52.4160MHz晶振完全准确地实现了步进100Hz的要求。

2.产生模拟调幅信号。调制信号用于控制高频振荡的振幅，使得振幅与调制信号成比例地变化。这个过程被称为调幅。如果载波为uc=Uccosct，调制信号为F (t)=Cos T，则调幅波为

uAM(t)=Uc[1 macost]cosCT(1)

普通调幅波由模拟乘法器实现，但外围电路复杂，改变调制度需要改变电路元件参数，实现起来繁琐。CPLD芯片结合DDS技术可以灵活实现数字调幅，原理如图2所示。

图2调幅原理框图

以DDS产生的波形信号为载体，在单片机中制作调制信号为1kHz的正弦波存储表。根据键盘设置的调制度MA (10% ~ 100%)与存储器表中的数据相乘的结果，送入CPLD与DDS得到的波形相乘，再与DDS信号相加，生成相应的数字调幅码，经D/A转换得到模拟调幅信号。

3.产生模拟调频信号。在连续波调制中，载波可以表示为uc=Uccosct，调制信号为U (t)。调频波瞬时频率的变化与调制信号成正比。所以FM波的瞬时角频率除了载波角频率c之外，还伴随着一部分 (t)= c f (t)， p (t)=最大值

UFM(t)=Uccos[(fcfcos(2ft)t](2)

图3调频原理框图

图3显示了CPLD数字频率调制电路。当频率偏移为5K时，控制字为50。余弦波形乘以50，并加上频率控制字t

4.产生二进制PSK和ASK信号，用数字基带信号控制高频正弦波的幅度，就是幅度键控调制ASK。在CPLD中，产生的DDS波形只需要按照设定的二进制基带序列码进行处理。二进制基带序列为1时，波形通过，序列为0时，输出0。仿真波形如图5所示。相移键控PSK是一种控制载波相位的数字基带信号。

图5二进制ASK仿真波形图

它利用载波的不同相位或相位变化来传输信息。PSK的实现方法是根据数字基带信号的两个电平(或符号)在两个不同值之间切换载波相位。两个载波之间的相位差通常为180，波形如图6所示。

图6二进制PSK仿真波形图

5.输出信号调理部分的数模转换电路如图7所示。选用12位高速D/A器件AD9713，具有较好的静态性能和动态特性。AD9713B的更新速率可达100MS/s.由于D/A转换器是针对DDS、波形重构、高质量图像信号处理等应用而设计的，因此该芯片具有出色的动态特性和出色的谐波抑制能力。AD9713的满量程电流输出由VCONTROLAMPIN和RSET决定。在图7中，AD9713使用内部基准电压，输出满量程电流为-20mA。

图7数模转换电路

幅度调节电路由放大器组成。高频信号放大要求放大器有足够的输出电压转换率。对于正弦波，放大器要求的最大压摆率为SR=2=2Af，其中为信号的角频率，A为信号幅度，F为频率。此外，幅度调整电路需要低阻负载，放大器的电流输出能力也是一个重要参数。要在50负载上输出6V信号，放大器必须具有至少120mA的连续电流输出能力。考虑到以上原因，本文选择AD公司的高速运算放大器AD811作为输出放大器。它是一款宽带高速电流反馈运算放大器，其参数非常适合上述指标：小信号带宽(G=2)达到120MHz，电压压摆率SR为2500V/s，总谐波失真THD为-74dB(10MHz)，输出电流达到100mA。其短路输出电流可以是

图8振幅调整电路

幅度调整电路如图8所示，其中R3和R4起分流作用，限制用于I/V转换的电流，以及一个带电流反馈的高速放大电路。它将AD9713输出的电流转换为电压，通过反馈电阻Rf的电流决定AD811的输出幅度为6V。为了增加后级的负载能力，设计了后级的电压跟随器，模拟输出的最后一部分是滤波电路。滤波器的选择主要取决于系统输出的波形，50负载电阻上电压的峰峰值为6 1V

6.接收和显示频率值。键盘和显示部分用于实现用户与单片机的交互。系统接收通过键盘以中断查询形式输入的频率值。一方面将频率值送到数字显示接口进行显示；另一方面，它被转换成频率控制字并被发送到相位累加模块。

7.系统软件设计是关于单片机的，程序流程图如图9所示。

图9单片机程序流程图

8.功能和指标测试表1正弦波实验观察结果

表2正弦波频率稳定性测试结果

表3正弦波调幅测试结果

测试仪器：EE1641B1函数信号发生器/计数器、DC稳压电源GPS-3303C、60MHz示波器TDS1002、高频测试仪等。用于测试所设计的信号发生器的性能。正弦波的频率范围、阶跃、50负载上的输出电压幅度、失真测量见表1，频率稳定度测量见表2，10%阶跃的调幅测试见表3，1kHz调制信号的调频测试见图10，二进制PSK和ASK见图11和12。

图10正弦波频率调制的测试结果

经过测试，系统设计

通过分析各项指标的测试结果，发现设计频率变化范围大，信号稳定性高，失真好，满足了性能良好的设计要求。