基于单片机的正弦信号发生器设计
基于单片机的正弦信号发生器设计
摘要
本系统由FPGA、单片机控制模块、键盘、LCD液晶显示屏、DAC输出电路和末级放大电路构成。仅用单片FPGA就实现了直接数字频率合成技术（DDS），产生稳幅正弦波，并在数字域实现了AM、FM、ASK、PSK等四类调制信号。调制信号既可由用户输入参数由FPGA内部生成，也可以从外部输入。整个系统结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展性强。系统采用全中文菜单操作方式，操作简单，快捷，且系统的精度和稳定性高。
关键字：正弦信号，DDS技术， FM模拟调频，AM模拟调幅，PSK，ASK，宽频放大。
Abstract
This system is composed by FPGA, MCU controller, keyboard, LCD, DAC and amplifier modules. The DDS, Direct Digital Synthesizer, which is implemented by a unique FPGA IC, can provide the stable sine signal with digital AM, FM, ASK, PSK modulation. The modulation signal can be provided NOT only by FPGA, which will receive parameters from user, but also from external input. This system features in compact module, simple circuit, powerful functions and flexible expansion.
第1章： 引言
1.1 单片机概述： 在生产和生活的各个领域中，凡是有自动控制要求的地方都会有单片机的出现。单片机的应用有利于产品的小型化、多功能化和智能化，而且抗干扰能力强，可在各种恶劣的环境下可靠地工作，成本也较低。所以单片机的应用已极为广泛，它在工业自动化、工业测控、智能仪器仪表、家用电器、信息与通信、军事装备等方面都在发挥着“微电脑控制”的作用。
1.1.1 单片机的概念： 单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机了解计算机原理与结构的最佳选择。
1.1.2 单片机的发展历史： 第一代单片机：七十年代后期， 4 位逻辑控制器件发展到 8 位。使用 NMOS 工艺（速度低，功耗大、集成度低）。代表产品： MC6800 、 Intel 8048 。 第二代单片机：八十年代初，采用 CMOS 工艺，并逐渐被高速低功耗的HMOS 工艺代替。代表产品： MC146805 、 Intel 8051 。 第三代单片机：近十年来， MCU 的发展出现了许多新特点： （ 1 ）在技术上，由可扩展总线型向纯单片型发展，即只能工作在单片方式。 （ 2 ） MCU 的扩展方式从并行总线型发展出各种串行总线。 （ 3 ）将多个 CPU 集成到一个 MCU 中。 （ 4 ）在降低功耗，提高可靠性方面， MCU 工作电压已降至 3.3V 。 第四代单片机： FLASH 的使用使 MCU 技术进入了第四代。
1.1.3 单片机的应用领域： 由于单片机有许多优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。单片机应用的主要领域有： （1）智能化家用电器：各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。
（2）办公自动化设备：现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。 （3）商业营销设备：在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。 （4）工业自动化控制：工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。 （5）智能化仪表：采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。 （6）智能化通信产品：最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。 （7）汽车电子产品：现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。 （8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：单片机的应用更是不言而喻。 总之，MSP430单片机技术使用范围广，在各种仪器仪表生产单位、石油、化工，纺织、机械的加工等各个行业中都有广泛的应用. 单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益。更重要的意义在于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。
1.1.4 各种主流单片机介绍： Motorola单片机 Motorola是世界上最大的单片机厂商。品种全、选择余地大、新产品多是其特点，在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08，68HC05有三十多个系列，二百多个品种，产量已超过20亿片。8位增强型单片机68HC11也有三十多个品种，年产量在1亿片以上。升级产品有68HC12。16位机68HC16 也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。近年来，以PowerPC、 Coldfire、M.CORE 等为CPU。将DSP做为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。目前仍是单片机的首选牌品。Motorola单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机 低很多，因而使得高频噪声低，抗干扰能力强,更适合用于工控领域及恶劣的环境。Motorola 8位单片机过去的策略是以掩膜为主的，最近推出OTP计划以适应单片机发展新趋势，在32位机上，M.CORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。 Microchip单片机 Microship单片机是市场份额增长最快的单片机。它的主要产品是16C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般单片机价格都在一美元以下。Microship单片机没有掩膜产品，全部是OTP器件，Microship强调节约成本的最优化设计，适于用量大、档次低、价格敏感的产品。 Scenix单片机 Scenix单片机I/O模块有新意 I/O模块的集成与组合技术是单片机技术不可缺少的重要方面。除传统的I/O功能模块如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DTMF等，新的I/O模块 不断出现，如USB、 CAN、J1850，最具代表性的是Motorola 32位单片机，它集成了包括各种通讯协议在内的I/O模块，而Scenix单片机在I/O模块的处理上引入了虚拟I/O的新概念。Scenix采用了RISC结构的CPU，使CPU最高工作频率达50MHz。运算速度接近50 MIPS。有了强有力的CPU，各种I/O功能便可以用软件的办法模拟。单片机的封装采用20/28引脚。公司提供各种I/O的 库函数，用于实现各种I/O模块的功能。这些用软件完成的模块包括多路UART、多路A/D、PWM、SPI、DTMF、FSK、LCD驱动等，这些都是通常用硬件实现起来也相当复杂的模块。 NEC单片机 NEC单片机自成体系，以8位单片机78K系列产量最高，也有16位、32位单片机。16位以上单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率。有的单片机采用内置操作系统。NEC的销售策略著重于服务大客户，并投入相当大的技术力量帮助大客户开发产品。 东芝单片机 东芝单片机的特点是从4位机到64位机门类齐全。4位机在家电领域仍有较大的市场。8位机主要有870系列、90系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗降至10μA数量级。CPU内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。东芝的32位单片机采用MIPS 3000A RISC的CPU 结构，面向VCD、数字相机、图象处理等市场。 富士通单片机 富士通也有8位、16位和32位单片机，但8位机使用的是16位机的CPU内核。也就是说8位机与16机所用的指令相同，使得开发比较容易。8位单片机有著名的MB8900系列，16位机有MB90系列。富士通公司注重于服务大公司、大客户，帮助大客户开发产品。 Epson单片机 Epson公司以擅长制造液晶显示器著称，故Epson单片机主要为该公司生产的LCD配套。其单片机的特点是LCD驱动部分做得特别好。在低电压、低功耗方面也很有特点。目前0.9V供电的单片机已经上市，不久的将来，LCD显示的手表类单片机将使用0.5V供电。 8051类单片机 最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也是世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特性(如时序特性)。提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品价格。 Zilog单片机 Z8单片机是Zilog公司的产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力。产品为OTP型，Z8单片机的开发工具可称价廉物美。Z8单片机以低价位的优势面向低端应用，以18引脚封装为主，ROM为0.5～2K。最近Zilog公司又推出了Z86系列单片机，该系列内部可集成廉价的DSP单元。 NS单片机 COP8单片机是美国国家半导体公司的产品，该公司以生产先进的模拟电路著称。能生产高水平的数字模拟混合电路。COP8单片机片内集成了16位A/D，这是单片机中不多见的。COP8单片机内部使用了抗EMI电路，在看门狗电路以及STOP方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处。此外，COP8的程序加密控制也做得比较好。 三星单片机 三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS17系列16位单片机和KS32、32位单片机。三星单片机为OTP型1SP在片编程功能。三星公司以生产存储器芯片著称，在存储器市场供大于求的形势下，涉足参与单片机的竞争。三星公司在单片机技术上以引进消化发达国家的技术、生产与之兼容的产品，然后以价格优势取胜。例如在4位机上采用NEC的技术，8位机上引进Zilog公司Z8的技术，在32位机上购买ARM7内核，还有DEC的技术、东芝的技术等。其单片机裸片的价格相当有竞争力。 华邦单片机 华邦单片机属8051类单片机，它们的W78系列与标准的8051兼容，W77系列位增强型51系列，对8051的时序作了改进。同样时钟频率下速度提高2.5倍，FLASH容量从4K到64K，有ISP功能。在4位单片机方面华邦有921系列和带LCD驱动的741系列。在32K机方面，华邦使用惠普公司PA－RISC单片机技术，生产低位的32位RISC单片机。 以上提到的单片机厂商是进入中国市场的单片机厂商的一部分，还有很多著名的单片机制造商如三菱、日立、TI等本文没有提到。总体上看，美国著名公司的单片机技术仍处在领先的地位，特别是在高端产品方面，高性能的单片机新产品不断推出。而日本在单片机制造业方面有也相当的优势，也在积极争夺家电产品的大客户。韩国及我国台湾省的一些公司在引进消化美国技术的基础上，以低价位的兼容产品抢占中国市场。而至今还没有一家中国大陆的公司能在如此浩大的单片机市场上占有一席之地，这不能不说是我国电子工业的悲哀。另一方面如此琳琅满目、让人眼花缭乱的单片机品种，着实给单片机应用的工程师提供了巨大的选择空间。这么多种单片机能进入中国市场，这一实事就说明了我们的应用工程师已经能够综合各类单片机的性能、价格等方面的因素并结合应用对象进行选择。较过去以剖析、。复制外国产品为主的思路有了相当的改进。随着我国经济实力的增长，开发新产品的思路上过去那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次的产品。由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主，公司能否提供廉价的仿真器，提供方便的技术服务与培训，较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等的重要性。各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争。这种竞争与推出新型的单片机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者，由于单片机对各行各业都有用，这种电子技术的进步导致各行各业的进步，也带动了人类文明的进步。
1.2 凌阳16位单片机SPCE061A介绍
1.2.1 总述：?????? SPCE061A 是继µ’nSP?系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。较高的处理速度使µ’nSP?能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以µ’nSP?为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。 图1-1 SPCE061A芯片排脚图
1.2.2 性能： ???? 16位µ’nSP?微处理器； ???? 工作电压(CPU) VDD为2.4~3.6V (I/O) VDDH为2.4~5.5V ???? CPU时钟：0.32MHz~49.152MHz ； ???? 内置2K字SRAM； ???? 内置32K FLASH； ???? 可编程音频处理； ???? 晶体振荡器; ???? 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2µA@3.6V； ???? 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； ???? 2个10位DAC(数-模转换)输出通道； ???? 32位通用可编程输入/输出端口； ???? 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒； ???? 具备触键唤醒的功能； ???? 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据； ???? 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号； ???? 32768Hz实时时钟； ???? 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器； ???? 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能； ???? 具备串行设备接口； ???? 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能； ???? 内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口； ???? 具有保密能力； ???? 具有WatchDog功能。
1.2.3 结构概览： ?????? SPCE061A的结构如图1.2所示：
1.2.4 芯片的引脚排列和说明： ?????? SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；它的排列如图1-1所示；另一种为80个引脚，LQFP80封装。它的排列如图所示。 在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。在LQFP80封装中有9个空余脚，用户使用时这9个空余脚接地。此处以LQFP80封装管脚功能介绍。可将PFUSE接5V, PVIN接GND并维持1s以上即可将内部保险丝熔化，此后就无法读取和向闪存加载数据。
1.2.5 特性： ?????? SPCE061A系统的特性参数如表1.2所示。
1.2.6 SPCE061A最小系统： ?????? 最小系统接线如图1.6所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上0.1µF的去藕电容提高抗干扰能力。
1.2.7 SPCE061A开发方法： ?????? SPCE061A的开发是通过在线调试器PROBE实现的。它既是一个编程器（即程序烧写器），又是一个实时在线调试器。用它可以替代在单片机应用项目的开发过程中常用的软件工具——硬件在线实时仿真器和程序烧写器。它利用了SPCE061A片内置的在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口和凌阳公司的在线串行编程技术。PROBE工作于凌阳IDE集成开发环境软件包下，其5芯的仿真头直接连接到目标电路板上SPCE061A相应管脚，直接在目标电路板上的CPU---SPCE061A调试、运行用户编制的程序。PROBE的另一头是标准25针打印机接口，直接连接到计算机打印口与上位机通讯，在计算机IDE集成开发环境软件包下，完成在线调试功能。图1.7是计算机、PROBE、用户目标板三者之间的连接示意图，图1.8是实物连接图。
1.2.8 应用领域： ??? 家用电器控制器：冰箱、空调、洗衣机等白色家电 ???? 仪器仪表：数字仪表（有语音提示功能） ???? 电表、水表、煤气表、暖气表 ???? 工业控制 ???? 智能家居控制器 ???? 通讯产品：多功能录音电话、自动总机、语音信箱、数字录音系统产品 ???? 医疗设备、保健器械（电子血压计、红外体温监测仪等） ???? 体育健身产品（跑步机等） ???? 电子书籍（儿童电子故事书类）、电教设备等 ???? 语音识别类产品（语音识别遥控器、智能语音交互式玩具等）
1.3 我国现在单片机控制的发展方向：
随着时间的推移，计算机革命的完成，信息高速公路的飞速发展，我们的工业已经和自动化控制密不可分了。 据统计，我国的单片机年容量已达1－3亿片，且每年以大约16%的速度增长，但相对于世界市场我国的占有率还不到1%。这说明单片机应用在我国才刚刚起步，有着广阔的前景。培养单片机应用人才，特别是在工程技术人员中普及单片机知识有着重要的现实意义。单片机是二十世纪七十年代中期发展起来的一种大规模集成电路器件，它在一块芯片内集成了计算机的各个功能部件，构成一种单片式的微型计算机。二十世纪八十年代以来，国际上单片机的发展迅速，单片机应用不断深入，新技术层出不穷。单片机的应用技术是一项新型的工程技术，其内涵随着单片机的发展而发展。
第二章．方案论证与比较
根据题目要求，基本部分需要实现正弦波信号发生，而发挥部分主要需要实现信号调制。本系统主要由主控制器模块、正弦信号发生模块、输出电压放大模块、FM调频电路模块、AM调幅电路模块和人机界面模块构成。如图1-1。
图 1-1 系统模块框图
2.1 主控制器
方案一：
采用通用的51单片机AT89S52作为主控制器，完成数据处理，DDS的频率输出控制，键盘的扫描及液晶显示器的显示控制等。由于51单片机内部的RAM和ROM都比较小，考虑到实现本系统需要大量的数据处理及液晶显示需占用大量的ROM资源等，用51单片机实现本系统就需外扩RAM和ROM，实现起来比较麻烦。而且本系统需要用A/D转换器采样调制信号实现调频信号的输出，使用51单片机就需外扩一片A/D转换芯片，实现也比较麻烦。而且基于整个系统的速度要求，51单片机也不能满足要求。 方案二：
采用凌阳公司的16位单片机SPCE061A作为主控制器。由于SPCE061A内置有2K字的SRAM和32K字的内存FLASH，能满足本系统数据处理及液晶显示所需数据的存储要求CPU时钟频率高达49.152MHz，能满足速度要求；集成有7通道10位电压模数转换器ADC，可以满足系统采样调制信号的要求；一片凌阳SPCE061A单片机就可以完成整个系统的主要功能，基本不需要扩展其他器件，不仅体积小而且可靠性高。而且凌阳单片机具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语言函数可以与汇编函数互相调用，使其HYPERLINK "http://www.dnsxp.net/doc.php?action=view&title=开发" \t "_blank" 开发更加容易，实现整个系统更加简单。 方案论证
基于保证速度要求的情况下使整合系统从简，本系统采用方案二，利用凌阳的16位单片机SPCE061A作为主控制器。
2.正弦信号输出方案
方案一：
采用专用信号发生器。MAX038是美信公司的低失真单片信号发生器集成电路，内部电路完善。使用该芯片，设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形信号，但频率精确度和稳定度都难以达到要求。
方案二：
用反馈型LC振荡原理，选择合适的电容、电感就能产生相应的正弦信号。此方案器件比较简单，但是难以达到高精度的程控调节，而且稳定度不高，故不采用。
方案三：
采用DDS技术的基本原理。DDS技术是基于 Nyquist 采样定理，将模拟信号进行采集，经量化后存入存储器中（查找表），通过CPLD或者FPGA进行寻址查表输出波形的数据，再经D/A 转换滤波即可恢复原波形。根据 Nyquist 采样定理知，要使信号能够恢复，必须满足采样频率大于被采样信号最高频率的2倍，否则将产生混叠，经D/A 不能恢复原信号。此方案产生的波形比较稳定，在高频输出时会产生失真，而且电路比较复杂，故不采用。
方案四：
采用基于直接数字合成（Direct Digital Synthesizer）集成芯片方案。DDS 的原理框图如图1-2所示。（原理方案三中已介绍）。AD9850是AD公司生产的DDS芯片，带并行和串行加载方式，AD9850 内含可编程DDS 系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。 由于DDS集成芯片能达到要求，而且节省硬件电路，程控调节能够方便实现，本设计采用方案三，作为1K～10MHz正弦信号发生。
图1-2 DDS原理框图
DDS技术频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、相位可控、输出信号无电流脉冲叠加、输出可平稳过渡且相位可保持连续变化。
方案论证
从题目要求来看，上述四种方案都可以满足题目合成频率范围的要求，但信号发生器产生的频率稳定度、精确度都不如DDS合成的频率；另一方面，DDS较信号发生器更容易精确控制，所以我们选择DDS方案进行频率合成。
3.输出电压放大
方案一：
采用高频三极管做功率放大。选择恰当的电阻和电容来实现符合题目要求的放大倍数。但是使用三极管放大时，信号放大的稳定性不高，很难满足题目的要求。
方案二：
采用宽频运算放大器做前级电压放大，AD8056可以达到300M的带宽，而且频率稳定性好。在后级加上互补对称的推挽式输出电路做电流放大作用。
方案论证
从题目要求来看，上述两种方案只有方案二的稳定性能满足题目要求，故在本设计中采用了方案二。
4.FM调频电路
方案一：
使用变容二极管直接调频。变容二极管是根据PN结的结电容随反向电压改变而变化的原理设计的一种二极管。加反向偏压时，变容二极管呈现一个较大的结电容。变容二极管要并接在产生中心频率振荡的选频网络的两端，并加上调制信号，使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变，从而达到调频作用。
方案二：
采用锁相环进行调制，采用锁相环路调频，能够达到中心频率高度稳定的调频信号。由于锁相环能跟踪并锁定中心频率。从而使中心频率有足够高的稳定度。而调制信号就加在VCO（压控振荡器）的输入端，从而使中心频率随调制信号的幅值的改变而改变。如图1-2。
图1-3 锁相环框图
方案三：
凌阳的单片机芯片SPCE061A内部集成有10位ADC。可先将调制信号离散化，当采集完一个周期（1ms）的数据后，计算出每相邻两个抽样点的偏移量，这样就可以根据偏移量控制改变DDS的输出频率，从而达到调频效果，而且硬件设计简单。
方案论证
方案一会使电路产生的频偏不稳定，容易产生中心频率偏移。方案二比较直观，而且中心频率和频偏都比较准确，但是电路复杂，故不采用。所以本设计使用方案三。
5.AM调幅电路
方案一：
采用单二极管开关状态调幅电路,使二极管近似处于一种理想的开关状态下,在两个不同频率电压作用下进行频率交换。 方案二：采用二极管平衡调幅电路,它是利用二极管的开关状态和平衡抵消的措施,经调幅后通过带通滤波器就可以得到调幅信号。前面两种方案电路实现比较复杂,而且由于采用分立元件，稳定性比较差，调试困难。 方案二：
采用模拟乘法器调幅电路，它是一种完成两个模拟信号相乘作用的电路，起到频率搬移的作用，若采用专门的模拟乘法器芯片，电路实现简单，稳定性比较好，功能实现容易，符合题目要求。
方案论证
权衡试验可行性，本系统采用方案三，选用集成模拟乘法器MC1496实现AM的模拟调幅。
6.产生二进制PSK、ASK信号
方案一：
直接采用DDS实现ASK和PSK，用程序直接控制DDS输出二进制PSK和ASK信号，根据码序列中的'0'或'1'直接控制DDS的相移，便可以实现PSK调制功能，而控制DDS开和关即可实现ASK调制。
方案二：
采用数字键控的方法来实现，采用模拟开关，利用基带信号控制模拟开关的选通或关闭来实现ASK调制。实现PSK调制时，把100K的载波信号分接成两路，其中一路接增益为-1的运放电路，将载波信号移相180o。'0''1'基带序列码由CPLD产生。本方案硬件设计也比较简单,输出的信号比较稳定，各种指标符合题目要求。
方案论证
方案一直接用软件来实现产生二进制ASK，PSK信号，基本不用硬件电路,比较方便,但经过试验,输出的信号不稳定。故不采用。而方案二各种指标符合题目要求。基于此本系统采用了方案二实现产生二进制PSK，ASK信号。
7.信号调制方案
方案一：
采用AD公司的DDS专用芯片AD9851合成FM和AM的载波，采用传统的模拟调制方式来实现AM和FM调制。但这种方案的缺点是需要额外的模拟调制FM和AM调制的电路，且模拟调制电路难免引入一定的干扰，而且此方案中PSK的调制也不好实现。
方案二：
采用AD9851合成FM和AM的载波，将FM调制信号离散化形成数字信号，使FM调制的频率偏移通过改变AD9851的频率字来实现。这种设计方案减少了FM调制过程中引入的干扰，也大大简化了FM调制电路的设计。但是AM调制还是需要模拟乘法器，而PSK的调制也需要额外的电路。
方案三：
采用AD公司的AD9856作为调制芯片。AD9856是内含DDS的正交调制芯片，可以实现多进制的数字幅度调制，多进制的数字相位调制和和多进制的数字幅度相位联合调制。AM，PSK和ASK调制都可以通过它实现。但是AD9856不便于调频，且控制复杂。
方案四：
采用FPGA＋DAC来实现DDS。这样通过FPGA在数字域实现频率合成然后通过DAC形成信号波形。由于信号都是由FPGA在数字域进行处理，可以很方便的将FM和AM等调制在数字域实现。所有调制电路的功能都由FPGA片内的数字逻辑电路来实现，整个系统的电路设计大为简化，同时由于数字调制避免了模拟调制带来的误差和干扰，大大提高了调制的性能，而且硬件电路设计的软件化，使得电路设计的升级改进工作大为简化。但是此方案由于受到FPGA接口速度和DAC转换速度的约束，载频只能做到15M左右。
表1-4 信号调制方案比较表
方案论证
上述方案中，方案四的电路最为精简，调制性能也最好。虽然载频只能做到15M，但是已经达到了本题发挥部分的指标要求，所以选择方案四来实现信号的调制。
二．总体设计
根据上面的论证，本系统以凌阳的16位单片机SPCE061A为核心，配合DDS专用芯片AD9850，完成正弦信号的产生，并辅以各个功能模块完成题目的设计要求。首先给出本设计系统的概述：
1. 系统框图
图2-1 总体设计框图
2. 单片机小系统
单片机小系统由键盘，LCD显示屏，和凌阳单片机SPCE061A构成。负责用户的交互和整个系统的控制。
3. DDS及调制电路模块
DDS及调制电路模块由FPGA和DAC构成。FPGA负责在数字域实现正弦波（载频）的合成、FM和AM调制信号（经过离散化的）的合成产生ASK和PSK的调制信号并完成ASK、PSK的调制和FM、AM调制，然后控制DAC输出波形。
4. 滤波及放大电路
滤波电路是采用美信的高速运放MAX4108设计的一个有源二阶低通滤波器，用以去除DDS合成信号固有的高次谐波成分，同时有2倍放大器的功能。信号放大电路采用AD公司的高速运放AD811，使输出信号的幅度能达到发挥部分的要求（Vopp在5V～7V之间）。
5.电源设计
高速DAC对模拟数字地之间的串扰十分敏感。模拟数字地之间的串扰对DAC输出信号的波形影响很大。故本系统采用一个线性电源对模拟电路供电，采用一个开关电源对数字电路供电，模拟地和数字地之间通过一个磁珠相连。这种设计实现了模拟数字电路尽可能大的隔离。实践证明，数字部分和模拟部分独立供电对信号质量有很大的改善作用。
三．详细软硬件设计
根据上面的论证，本系统以凌阳的16位单片机SPCE061A为核心，配合DDS专用芯片AD9850，完成正弦信号的产生，并辅以各个功能模块完成题目的设计要求。
系统的HYPERLINK "http://www.dnsxp.net/doc.php?action=view&title=总体" \t "_blank" 总体框图如图2-2，硬件连接图如图2-3。
图 2-2 系统设计框图
图2-3 系统硬件连接图
1.硬件模块设计
(1)正弦信号产生模块
正弦信号产生模块的主要部分是AD9850。
AD9850 采用先进的CMOS HYPERLINK "http://www.dnsxp.net/doc.php?action=view&title=工艺" \t "_blank" 工艺, 其功耗在3.3V 供电时仅为155mW,温度范围为-40～80℃, 采用28 脚SSOP 表面封装形式。图2.3为其组成框图。图中层虚线内是一个完整的可编程DDS系统,外层虚线内包含了AD9850的主要组成部分。AD9850内含可编程DDS系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。可编程DDS系统的核心是相位累加器, 它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N为32；每来一个外部参考时钟,相位寄存器便以步长M递加；相位寄存器的输出与相位控制字相加后可输入到正弦查询表地址上；正弦查询表包含一个正弦波周期的数字幅度信息, 每一个地址对应正弦波中 0°～360°范围的一个相位点；查询表把输入地址的相位信息映射成正弦波幅度信号, 然后驱动DAC 以输出模拟量。
图 2-4 AD9850组成框图
相位寄存器每过2N/M个外部参考时钟后返回到初始状态一次, 相应地正弦查询表每经过一个循环也回到初始位置, 从而使整个DDS系统输出一个正弦波。输出的正弦波周期TO = Tc2N/M，频率fout = Mfc/2N ，Tc、fc 分别为外部参考时钟的周期和频率。AD9850采用32位的相位累加器将信号截断成14 位输入到正弦查询表,查询表的输出再被截断成10 位后输入到DAC， DAC输出两个互补的电流。DAC满量程输出电流通过一个外接电阻RSET调节, 调节关系为ISET = 32 (1.248V/ RSET) , RSET的典型值是3.9kΩ。其系统功能HYPERLINK "http://www.dnsxp.net/doc.php?action=view&title=结构" \t "_blank" 结构如图2.4所示。AD9850在接上HYPERLINK "http://www.dnsxp.net/doc.php?action=view&title=精密" \t "_blank" 精密时钟源和写入频率相位控制字之后就可产生一个频率和相位都可编程控制的模拟正弦波输出, 此正弦波可直接用作频率信号源或经内部的高速比较器转换为方波输出。在125MHz 的时钟下, 32 位的频率控制字可使AD9850 的输出频率分辨率达0.0291Hz；并具有5位相位控制位,而且允许相位按增量180°、90°、45°、22.5°、11.25°或这些值的HYPERLINK "http://www.dnsxp.net/doc.php?action=view&title=组合" \t "_blank" 组合进行调整。
图 2-5 AD9850结构
因为要考虑到FM调频，本系统使AD9850工作于并行方式接线，以提高频率的切换速度。从而达到调制1K正弦波的要求。参考时钟使用42M晶振，设计低通滤波器时，就要去掉42M的高频干扰。DDS输出的带宽比较高，低通滤波器要采用LC做成7阶切贝雪夫低通滤波。其连接图如图2-6。
图 2-6 AD9850 连接图
而且，应在电路中使用一个截止频率为16MHz 的7 阶切比雪夫滤波器, 其电路图如图2-7 所示。在滤波器的设计过程中,能否准确实现高Q值的电感,直接影响着滤波器的最终性能。
图 2-7 切贝雪夫低通滤波器
(2)带负载输出
要达到6V±1V的带负载输出，我们先使用宽频运放AD8056做前级放大，为了达到合适的电压增益，我们使用了两级放大切换，改变放大的级数以便适应增益要求；经运放输出的电压电流较弱，带负载能力不强，所以要在运放的后级加上一级推挽输出，提高输出电流。如图2-8、图2-9所示：在推挽输出端接上了50Ω电阻，输出幅度能达到题目的要求。
图 2-8 放大电路
图 2-9 推挽输出
(3)正弦调制信号的产生
1K正弦调制信号的产生采用DDS技术。 DDS技术采用全数字技术实现频率合成，和其它一般的频率合成技术相比，有一些突出的优点和独特的性能：DDS 在相对带宽、频率转换时间、频率分辨率、相位连续性、正交输出以及集成化等一系列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为本系统实现AM，FM调制提供了稳定的正弦调制信号。DDS的实现原理如图2-10:
图 2-10 DDS技术的实现
DDS 技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。可编程逻辑器件以其速度高、规模大、可编程，以及有强大EDA 软件支持等特性，十分适合实现频率的合成。
由于本系统要求产生1KHz的正弦调制信号,失真度要求要小,而且稳定性要好,DDS 的失真度除受D/A 转换器本身的噪声影响外，还与存储深度M和D/A 字长有密切关系，设q 为均匀量化间隔，其失真度近似数学关系为:
THD=
本系统的量化级为256（8 位DAC），经计算其失真度约为5.676%，可以满足设计要求。
系统采用Altera 公司的CPLD 器件EPM7128，其最高工作频率为120MHz，典型可用门5000 门，
DDS 设计电路产生的波形存在高次谐波，须进行低通滤波使波形平滑，为使通带内的起伏最小，我们采用了巴特沃斯二阶低通滤波器，如图2.10。巴特沃思二阶低通滤波器的截止频率为f c = 1/ 2πRC 。由于只需产生1KHz的正弦信号,本系统设计的滤波器的截至频率为2KHz，选取C=1uf，经计算取R=80Ω。
图 2-11 二阶巴特沃思滤波器
(4)AM调幅信号的产生
幅度调制是正弦波或脉冲序列的幅度随调制信号线形变化的过程,标准调幅信号可用下式表示:
其中 Ac 为外加直流,f (t )表示调制信号.
在AM 调幅中, 输出已调信号的包络与输入调制信号成正比,基于此我们采用控制输入调制信号的幅度来改变调制度ma, 使其可在10%～100%之间程控调节，步进量10%.
本系统中采用的是模拟乘法器 MC1496 来实现调制器的设计, MC1496 中包含了由带双电流源的标准差动放大器驱动的四个高位放大器输出集电极交叉耦合,产生了两个输入电压的全波平衡调制乘积现象,也就是说输出信号是一个常数乘以两个输入信号的乘积, 即为V0= KV1V2.
使用模拟乘法器比较容易实现调幅。调制质量高。电路如图2-12。
图 2-12 MC1496电路图
(5)ASK、PSK的产生 ASK、PSK采用数字键控的产生方法，图2-13和图2-14分别是他们实现的原理框图。
图 2-13 ASK信号调制器原理框图
图 2-14 PSK信号调制器原理框图
选用模拟开关CD4052来实现数字键控。要实现PSK还要增加一级放大增益为-1的运算放大电路，使载波信号产生一路的180o 相移。 ASK和PSK的数字序列由CPLD产生.
图 2-15 ASK 电路图 图 2-16 PSK电路图
(6)LCD显示器 本设计中采用了TG12864A 液晶显示器，该显示器是128×64点阵式液晶，其结构框图见图2-17。
图 2-17 TG12864A 液晶显示器结构图
2.理论分析与参数设计
（1） 载频参数计算
本题要求：输出频率范围是1KHz～10MHz，频率步进是100Hz，频率稳定度优于10-4，信号波形无明显失真。
要求DDS合成的信号波形无明显失真，那么一般要求一个信号周期内要插值16个点，而合成频率最高要求为10M，那么需要的FPGA和DAC接口数据传送率为：
10M × 16 ＝ 160 MWord/S
这种数据传输率有一定风险，由于高速信号的不完整性，可能导致DAC数据错误。为解决波形失真和传输率间的矛盾，我们选择了MAX5858A，它是双路10位300Msps DAC，内部含有4x/2x/1x的插值低通滤波电路。在其最大输出速率时，如果使用其4x插值，则数据传输率为：
300MWord/S ÷ 4 ＝ 75MWord/S
DDS输出的正弦波每秒钟有75M个插值点，并在DAC内部完成4阶插值和数字低通滤波，最后转化成实际电压输出。这样既抑制了高频段输出正弦波信号可能的失真，又降低了数据接口的传输速率，提高了系统可靠性。
系统频率调整的步进是100Hz。DDS逻辑电路的工作时钟是75M，所以：
75M ÷ 100 ＝ 750000 （小于2的20次方）
所以，DDS的频率字只要多于20个bit，频率调整的步进就能小于100Hz。本系统采用的频率控制字为32bit，充分满足频率调整步进的要求。
本系统的工作时钟由晶振提供的时钟通过FPGA内的锁相环3倍频得到。而DAC内部插值4倍频。而晶振的频率稳定度为10-6量级，所以整体频率稳定度： 10-6×3×4=1.2×10-5，在10-5量级，满足题目要求。
（2） AM调制参数设计：
本题要求：产生1KHz的正弦调制信号；调制度在10％和100％之间程控调节，步进10％。
系统采用一个10bit的控制寄存器来保存调制度。其离散间隔为1/1024，高于步进10％的要求。调制度可以由用户自行设置，也可以用按键以1％或10％步进调整。
本系统中，正弦调制信号的频率并是不固定于1KHz，而是可以由用户随意设定，由一个独立的DDS产生，其频率范围由1Hz到10MHz（注：调制信号的带宽是受到载频的限制的，载频最高只有10MHz，调制信号的频率不能太大。实际上，AM一般用于话音调制，所以其频率一般不会超过5KHz）。
（3） FM调制参数设计：
本题要求：产生1KHz的正弦调制信号；调频产生最大频偏为5kHz/10kHz两级程控调节。
系统产生的正弦调制信号的频率也可以由用户随意设定（与AM调制相同）。最大频偏扩展为5kHz/10kHz/20kHz三档。
(4) ASK/PSK调制参数设计：
本题要求：产生码速率为10kbps的二进制基带序列信号，载波频率为100kHz。
ASK、PSK调制和AM，FM调制共用一套本振（即合成正弦信号的DDS模块），所以通过设定频率控制字可设置载波频率为需要的100kHz。而码率为10kbps二进制基带序列信号则可以通过预置好的移位寄存器循环移位获得。
(5) 滤波电路参数计算：
本题要求：输出最大频率为10MHz的正弦波。
由于最终方案采用DAC输出，而DAC的转换频率为75MHz，故需要一个截止频率在10MHz和75MHz之间的 低通滤波器。然而DAC的转换并不是理想的，输出信号的谐波干扰主要集中在二次谐波，所以我们选取截止频率为18MHz的有源二阶巴特沃兹低通滤波器，来保证达到题目要求。
(6) 放大电路参数计算：
本题要求：输出的正弦信号在接50Ω负载时能有6V的峰峰值。
DAC（包括电流-电压转换）输出只有约1V的峰峰值，故在后级需要进行电压放大。我们使用了具有两倍电压增益的滤波器，在滤波的同时进行两倍的电压放大，然后再使用一片具有较大带载能力的运放做三倍电压放大，为了避免出现自激，实际中采用三倍反相放大。
4.扩展创新设计
(1) 单片FPGA实现双路正弦信号发生器：
由于本系统在实现完题中所有基本和发挥的指标要求后，FPGA还剩余了大量的资源，而且MAX5858A是双通路的DAC，所以在完成题目所有要求的基础上，我们又扩展了一路信号发生器，除了不作幅度放大之外，其余所有性能指标和前一通道（通道1）完全一样，而且同样可以进行AM，FM，ASK和PSK调制。
(2) 扩展外部调制方式：
本题要求自制调试信号进行AM，FM，ASK和PSK调制。我们的第二项扩展就是在通道2的AM，FM，ASK和PSK调制全部增加外部调制方式。调制信号由外部输入。其中，ASK和PSK调制信号的输入是由用户通过键盘输入要调制的二进制基带序列；而FM和AM调制信号则由用户从外部输入，由单片机的AD进行采样，然后将采样值发给调制电路（由FPGA内部的数字电路实现）进行调制输出。
5.软件设计
(1)设计目的：
接收用户键盘输入的数据（信号参数的预制、选择和步进）和控制指令，控制液晶显示，向FPGA发送数据及控制指令，控制AD采样外输入信号（扩展外调制功能）。
(1)设计思路：
根据题目要求，本软件设计了4级菜单结构及友好提示界面（键盘输入，液晶显示）。用户可通过键盘选择菜单项设置输出信号的参数（频率、调制度、频偏等），或选择输出信号（正弦波、模拟调幅波、模拟调频波等）。当用户选择输出时，程序把设置的参数送至FPGA，并对FPGA发出控制命令使其输出需要的信号。当用户选择外输入模拟调制时程序控制AD采样外输入信号，转换到合适的范围后发送至FPGA。
图3-1 软件流程图
图3-2菜单控制流程
数字逻辑设计
本系统的所有数字逻辑电路都由FPGA实现。FPGA选用的是Altera公司的Cyclone系列FPGA――EP1C3T144C8。此芯片有LE约3000个，片内RAM有52Kbits。
FPGA的数字逻辑电路负责在数字域实现FM和AM调制信号（经过离散化的）的频率合成和生成ASK和PSK的调制信号（仅通道一有上述功能），正弦波（载频）的频率合成，完成ASK，PSK，FM，AM在数字域的调制（两个通道都具有上述功能），然后控制DAC形成正确的波形信号。
整个逻辑设计的框图如图4-1。
图4-1 整个逻辑设计框图
PSK调制的实现：本系统中PSK调制是通过调制信号延时作异或运算然后经过DPSK调制来间接实现PSK调制，而DPSK的调制是通过将DDS相位累加器的相位步进瞬时设置为2π来实现反相。
FM调制通过给正弦波（载频）的频率字叠加一个偏移频率字来实现频率的偏移；AM调制直接在FPGA内用数字乘法器实现；ASK调制直接用开关选通载频信号或是截断载频信号，由于DAC中零电平的量化字是512，所以零电平是常数512。
电路设计
根据总体方案设计，硬件电路应分为，控制模块（单片机开发板）、信号产生模块（FPGA开发板）、DAC模块、滤波部分和放大部分。
控制模块：
控制模块主要由凌阳单片机SPCE061和与之相关的LCD显示以及键盘组成。我们使用了一块无字符点阵液晶，其型号为“TS12864A-2”。参照其数据手册，实际连接如图5-1。
图5-1 液晶与单片机的连接
信号产生模块：
整个系统的信号生成采用数字方式在FPGA中实现，因此信号产生模块（FPGA开发板）是整个系统的核心，我们采用了一块以前自行设计的EP1C3T144开发板，仅包含基本的下载、调试和IO。
DAC模块：
这部分我们采用了一块以前自行设计的与上述EP1C3T144开发板配合的模块，它采用MAX5858A作为DA转换的核心，并且在板上做了电流-电压转换，输出电压范围为约-0.5至0.5V。其电路如图5-2
图5-2 DAC电路
图5-2是参考MAX5858A数据手册中的典型应用电路设计的，其中OPA681为一片高带宽增益积运放，实际制作中我们用MAX4108代替了OPA681，效果一致。根据MAX5858A的数据手册，MAX5858A的差分电流输出的输出电流范围可由R25设定，输出最大值为： 式中RSET即为图5-2中的R25
当它取3.9KΩ时，有约10mA的最大电流输出，结合后级Rf为50Ω的电流-电压变换，输出范围为-500mV至500mV。
滤波部分：
滤波部分采用的是一个两阶巴特沃兹低通滤波电路，采用一个运放完成（实为：MAX4108），同时作两倍电压放大。实际电路如图5-3
图5-3 滤波器
放大部分：
放大部分较为简单，我们使用了高速单运放AD811完成放大。其带宽增益积为140MHz，双15V供电时，有±12V的输出摆幅，最大输出电流为100mA，满足题目要求。为防止自激实际中采用反相3倍电压放大，不影响指标。
调试
调试过程主要围绕FPGA + DAC为核心的DDS信号输出和调制模块进行。利用EDA软件Quarturs II提供的嵌入式内置逻辑分析仪，通过JTAG口实时观察FPGA内部信号，以便及时发现、定位和修复FPGA当中存在的逻辑错误。DDS与单片机接口采用了自定义的类SPI接口形式，在调试过程当中，首先通过凌阳单片机开发软件对单片机程序进行软仿真，结合示波器确定单片机发出的命令控制字的有效性，接着通过EDA软件Quarturs II提供的嵌入式内置逻辑分析仪确认DDS内部接口逻辑的正确性。
指标测试
测试仪器：FLUKE 15B数字万用表、Tektronix TDS1002数字示波器、 QF4134型调制度测量仪、EE1641B型函数信号发生器
1.基本要求测试
（1）正弦波频率范围测试
将输出端接50负载，对输出电压进行测试，测试数据如表7-1所示：
表7-1
（2）频率步进设置测试
在题目要求的范围内选取2个测试点（1kHz和1MHz）进行测试。测试结果如表7-2。
表7-2
2.发挥部分测试
（1）幅度调制信号调制度测试
采用调制度测量仪对系统输出信号进行测试，测试结果见表7-3。
表7-3
（2）调制度步进测试
通过键盘输入改变，观察得本系统提供的预置调制度、1%或10%调制度步进均可正常工作。
（3）频率调制信号频偏测试
由于本题中调频的载波范围较广，故对于载频在1.3MHz以上的调制信号采用调制度测量仪测试，其他的从数字示波器中观察信号并计算出频偏。频偏测试结果如表7-4。
表7-4
（4）PSK、ASK调制测试
从示波器上同时观察基带序列信号和调制后信号，测试结果两者完全一致，表略。
3.扩展部分测试
第二路测试方法与第一路一样，在此不再赘述，仅将各测试结果的表格陈列如下：
（1）外输入幅度调制信号调制度测试结果见表7-5。
表7-5
（2）调制度步进测试效果基本与第一路一样。
（3）外输入频率调制信号频偏测试结果如表7-6。
表7-6
（4）PSK、ASK调制测试，从示波器上同时观察基带序列信号和调制后信号，两者完全一致，表略。
结论
经测试，由单片机、FPGA结合DAC构成的正弦信号发生器达到了题目提出的所有要求，并在大部分指标上有所超越。由于采用了较为灵活的设计方案，本系统具有结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展性强的特点，并且调试相对容易，进度可控制性强。
基于单片机的正弦信号发生器设计.doc
