一种正弦信号发生器的设计

 1 引言
    直接数字频率合成技术(DDS)具有频率分辨率高，切换速度快，可输出相位连续、任意的波形信号，能够实现全数字自动化控制等优点，使其成为雷达，通信等信号源的首选。因此，提出一种基于DDS AD9851的正弦信号发生器，该系统利用FPGA和单片机技术设计，并可根据实际应用需求，现场设置相关信号源参数，操作简单，界面友好，具有广泛的应用前景。

2 系统整体设计
    该系统利用AD9851产生正弦信号和幅度调制AM、频率调制FM的载波信号，FP(认自制 DDS产生二进制振幅键控ASK、二进制移相键控PSK、二进制移频键控FSK基波信号，模拟乘法器AD835产生AM信号，而利用软件调制产生FM、 ASK、FSK和PSK信号。单片机控制D／A转换器所产生的电压作为DDS输出信号的基准电压，调节调制信号。后级采用OPA656和BUF634构成的功率放大电路驱动50 Ω负载。图1为系统整体设计框图。

3 硬件电路设计
3．1 AD9851模块
    AD9851是采用先进CMOS技术具有高集成度的直接数字合成器，内置32位频率累加器、10 bit高速D／A转换器、高速比较器和可选通的时钟电路。通过控制内部5个输入数据寄存器的控制字实现其可编程功能，数据总线D0～D7完成并行工作，由 W_CLK引脚接入的控制字写时钟触发写入。

    具体输入方式如图2所示，有效复位信号RESET使输入数据地址指针指向第1个输入寄存器，W_CLK上升沿写入第1组8位数据，指针指向下一个输入寄存器，连续5个W_CLK上升沿完成全部40位控制数据的输入，此后W_CLK信号上升沿无效。FQ_UD上升沿到来时这40位控制数据由输入寄存器写入频率／相位控制寄存器，更新输出频率和相位，同时把地址指针复位到第1个输入寄存器，等待下一组新数据的写入。

    对于AD9851，设其相位累加器的位数为N，相位控制字数值为FN，频率控制字的位数为M，频率控制字的值为FM，内部工作时钟为Fcc频率f和相位θ分别为这样可以确定输出信号的频率和初始相位，根据AD9851的控制字方式，其复位后，由单片机给出合适的W_CLK和FQ_UD信号，并将具有不同功能的控制字写入其内部以实现频率／相位调节。
3．2 调幅(AM)信号发生器
    按照定义，调幅信号是载波信号振幅按输入调制信号规律变化的一种振幅调制信号：

       设计时选用四象限模拟乘法器AD835来实现AM调制信号，将调制信号和载波分别从X、Y端输入相乘，Z端接载波，即可产生AM信号。为了使AD835很好地工作，±5 V电源需加磁珠，以防止高频信号干扰。在产生振幅调制(AM)信号时，为实现调制可调要求，采用程序控制一级D／A转换器输出基准电压作为DAC904的基准端输入，从而控制DDS信号的电压输出。这里选用DAC7611用于基准的D／A转换器。
3．3 调频(FM)信号发生器
    采用DDS间接调频法可实现较高频偏，低频率步进、高稳定度的调频信号源，而且外围电路相当简单，直接由DDS产生，方法简单易行。通过单片机控制载波信号的频率控制字，自制DDS的频率控制字控制频偏，两者相结合生成AD9851的频率控制字，实现FM调制信号。合理控制调制信号的频率和幅值，AD9851就可输出满足要求的FM信号，具体实现框图如图3所示。

3．4 ASK、PSK、FSK信号发生器
    ASK、PSK、PSK信号发生器采用数字方法实现，即采用FPGA产生开关电路以及相关门电路，读取基带数字序列，再选通相应的载波信号输出。因此，与模拟方法相比，数字方法实现简便，易调试，节省电路规模，减少噪声信号的干扰。另外，还避免硬件电路的固有延时，调制PSK信号可实现严格的180°反相载波输出。
3．5 幅度控制模块
    程控放大模块用于控制输出信号的幅度，使其峰一峰值在0～6 V之间连续可调，采用可控增益放大器VCA822实现。VCA822的增益由引脚VG控制，设计时以程序控制D／A转换器，DAC7611的输出电压作为其输入信号。图4为程控放大模块电路。

4 系统软件设计
    系统软件设计采用模块化思想，可移植性、可读性强。程序设计是基于单片机和FPGA平台，单片机完成系统控制、数据处理及显示，FPGA完成DDS及相关控制模块。系统软件程序由主程序和多个子程序构成，单片机控制人机交口界面，以按键中断进入各子程序。图5为系统主程序流程。

5 结束语
    该系统设计实验，在抗干扰方面采取的措施：采用磁珠、电感、电容等抑制电源噪声；将数字地和模拟地单点共地，使用屏蔽线以及将重要模块制成PCB板，以减小高频串扰并缩短布线长度。此外，为避免波形失真，尽量选取高速运放，并根据器件特性做好级问阻抗匹配，实现在1～10 MHz频率范围内AM调制，使其以10％的程控步进，FM调制在100 kHz～10 MHz频率范围内最大频偏分为5 kHz、10 kHz的二级程控调节以及50Ω负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值(Vopp)为6 V±1 V。该系统在现代通信领域有着广泛的应用前景。