正弦波调制信号发生器设计.docx
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正弦波调制信号发生器设计
正弦波调制信号发生器设计毕业论文
第一章绪论
一.3背景和意义
正弦波信号发生器是信号发生器的一种。
信号发生器根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器四大类。
正弦波信号发生器是使用最广泛的信号发生器，主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。
作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于航空航天测控、通信系统、电子对抗、电子测量、科研等各个领域中。
随着电子信息技术的发展，对其性能的要求也越来越高。
如要求频率稳定性高，转换速度快，具有调幅、调频、调相等功能，另外还经常需要两路正弦信号不仅具有相同的频率，同时要有确定的相位差。
在此背景下，本课题提出了一种基于直接数字频率合成器（DDS）的信号发生器的设计。
DDS是一项关键的数字化技术，与传统的频率合成器相比，DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和快速转换时间等优点，广泛使用在电信与电子仪器领域，是实现设备全数字化的一个关键技术。
传统的频率合成器由于采用倍频、分频、混频和滤波环节，使频率合成器结构复杂、体积庞大、频谱纯度低。
本课题采用直接数字式频率合成器与单片机相结合，设计出一种基于DDS的正弦波调制信号发生器。
一.4国外的研究状况
1.2.1波形发生器的发展现状
波形发生器，作为实验用的一种信号源，是现今各种电子电路实验设计应用中必不可少的仪器设备之一。
目前，市场上常见的波形发生器多为纯硬件的搭接而成。
信号发生器作为一种常见的应用电子仪器设备，传统的可以完全由硬件电路搭接而成，如采用555振荡电路发生正弦波的电路便是可取的路径之一。
不用依靠单片机。
但是这种电路存在波形质量差、控制难、可调围小、电路复杂和体积大等缺点。
在科学研究和生产实践中，如工业过程控制、生物医学、地震模拟机械振动等领域常常要用到低频信号源。
而由硬件电路构成的低频信号其性能难以令人满意，而且由于低频信号源所需的RC很大，大电阻、大电容在制作上有困难，参数的精度亦难以保证，体积大，漏电，损耗显著更是其致命的弱点。
一旦工作需求功能有增加，则电路复杂程度会大大增加。
波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。
函数波形发生器具有连续的相位变换，和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。
在70年代前，信号发生器主要有两类：
正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。
这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。
同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。
在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器，A/D/和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形.这时期的波形发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。
90年代末，出现几种真正高性能，高价格的函数发生器，但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。
HP8770A实际上也只能产生8种波形，而且价格昂贵。
不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。
而近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：
1.过去由于频率很低应用的围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。
波形发生器软件的开发使波形数据的输入变得更加方便和容易。
波形发生器通常允许用一系列的点，直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。
同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f（t）形式的波形方程的数学表达式产生。
从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。
目前可以利用可视化编程语言（如VisualBasic，VisualC等等）编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。
2.与VXI资源结合。
目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。
由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。
在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。
3.随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。
不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。
这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。
而且外形尺寸与价格，都比过去的类似产品减少了一半。
1.2.2国外波形发生器产品比较
早在1978年，由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5MHz，可以形成256点（存储长度）波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。
变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。
波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。
表1-1给出了几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。
表1-1一些波形发生器的性能指标
公司
Tektronix
Tektronix
横河电机
Wavetek
型号
AG320
AWG710
AG5100
295
最高采用频率
16MS/s
4GMS/s
1GMS/s
50GMS/s
通道数
2
2
2
4
垂直分辨率
12bit
8bit
8bit
12bit
存储容量
64k
8M
8M
64k
输出电压
10V
2.5V
2V
15V
1.2.3本课题在国外的研究现状
二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展，2003年，Agilent的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品N6030A能够产生高达500MHz的频率，采样的频率可达1.25GHz。
由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快。
对目前而言，国外（美）研究和使用的信号发生器大多要求频率在10-6Hz-50MHz，产生正弦、三角、锯齿、方波、调幅、直流等波形，而国则对频率在5×10-3Hz-40MHz，能产生正弦、三角等基本波形已经调幅、调频、TTL等的信号发生器需求大。
一.5设计任务和容
本论文以凌阳SPACE061A和AD9850为核心器件，按照从上到下的方法，设计出正弦波调制信号发生器，首先设计总体结构，然后再逐层深入，直至进行每一个模块的设计。
主要由主控制器模块、正弦信号发生模块、AM调幅电路模块、FM调频电路模块、放大模块和人机界面模块构成。
本论文共分四章：
第一章主要介绍了正弦波调制信号发生器的背景和课题研究意义，以及对波形信号发生器的发展状况进行了分析，并提出了设计任务和容。
第二章主要对正弦波信号发生器和DDS作了详细介绍，并基于此提出了整体设计方案。
第三章主要介绍了正弦波调制信号发生器的的硬件设计。
第四章主要介绍了正弦波调制信号发生器的系统软件设计和仿真结果分析。
第二章系统总体设计
2.1正弦波发生器概述
正弦波发生器是一种能产生正弦波信号的装置。
常用于科研、生产、维修和实验中。
例如在教学实验中，常使用函数发生器的输出波形作为标准输入信号，接至放大器的输入端，配合测试仪器，例如用示波器定性观察放大器的输出端，判断放大器是否工作正常，否则，通过调整放大器的电路参数，使之工作在放大状态；然后，通过测试仪器（例如用晶体管毫伏表对输出端进行定量测试），从而获得该放大器的性能指标。
2.1.1正弦波发生器的分类和功能
正弦信号发生器：
正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。
按频率覆盖围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器；按输出电平可调节围和稳定度分为简易信号发生器（即信号源）、标准信号发生器（输出功率能准确地衰减到-100分贝毫瓦以下）和功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。
2.1.2低频信号发生器
包括音频（200～20000赫）和视频（1赫～10兆赫）围的正弦波发生器。
主振级一般用RC式振荡器，也可用差频振荡器。
为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。
2.1.3高频信号发生器
频率为100千赫～30兆赫的高频、30～300兆赫的甚高频信号发生器。
一般采用LC调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。
主要用途是测量各种接收机的技术指标。
输出信号可用部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到1微伏以下。
2.1.4标准信号发生器
其输出信号电平能准确读数，所加的调幅度或频偏也能用电表读出。
此外，仪器还有防止信号泄漏的良好屏蔽。
2.1.5微波信号发生器
从分米波直到毫米波波段的信号发生器。
信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。
仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达10毫瓦以上。
简易信号源只要求能加1000赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到1毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值；还必须有部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。
2.1.6扫频和程控信号发生器
扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定围作线性变化的信号。
在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈）来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以YIG铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。
扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。
2.1.7频率合成式信号发生器
这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。
输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达11位数字的极高分辨力。
频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。
直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达1000兆赫左右。
用得较多的间接式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同
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