调幅信号产生电路设计毕业作品.docx

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调幅信号产生电路设计毕业作品

毕设

业计

（20届）

调幅信号产生电路设计

所在学院

专业班级电子信息工程

学生姓名学号

指导教师职称

完成日期年月

摘要

在幅度调制中,根据已调信号的频谱分量不同,可分为普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSB）、抑制载波的单边带调幅（SSB）等。

本文使用双AD835芯片实现抑制载波的双边带调幅（DSB）和调幅指数可变的普通振幅调制（AM）信号产生电路，通过软件实现二者之间的自由切换，并可以对AM调制指数进行灵活设定。

根据DSB调制和AM调制公式，用一个AD835芯片实现乘积运算，另一个AD835芯片实现乘积与求和运算。

通过C8051开发板上的DAC模块输出不同的直流电压，直流电压E与调制信号相乘，直流信号A与前者的乘积相加，实现调制指数调整和调制模式的切换。

当直流电压A为0时，实现DSB模式；当直流电压A为1时，实现AM模式，并用LCD显示电路工作状态。

关键词：

调幅信号；AD835；AM；DSB；调制

Abstract

Inamplitudemodulation,accordingtothealreadyadjustablesignalspectrumcomponentisdifferent,canbedividedintoordinarymodulation（AM）,themodulationofinhibitcarrierbilateralbelt（DSB）,inhibitcarriersinglesidebandmodulation（SSB）.ThisexperimentusingtwoAD835chip,torealizeDSBmodulationandAMmodulationproducecircuit.Throughthesoftwaretorealizebetweenbothfreeswitching,AndAMmodulationindexcanbeflexiblesettings.AccordingtotheAMmodulationandDSBmodulationformula,UseaAD835chiprealizemultiplication,AnotherAD835chiprealizemultiplicationandsummationoperations.ThroughtheC8051developmentboardtheDACdifferentdirectvoltageoutputmodule,directvoltageEandmodulationsignalmultiplication,directsignalAandformermultiplicationaddingtogether,Realizemodulationindexadjustmentandmodulationpatternofswitching.whendirectvoltageAiszero,realizeDSBmode.WhendirectvoltageAisnotzero,realizeAMmode,anduseLCDdisplaycircuitworkingstate.

Keywords:

Amplitudemodulatedsignal;AD835;AM;DSB;modulate

1引言

近些年，随着电子技术、计算机技术等技术的发展，调幅技术已经广泛用于军事通信、微波中继、模拟移动通信、无线电通信、广播电视等领域,也是信号与系统、通信原理等专业课程的重要内容[1]。

目前实现调制的方法越来越多，例如采用DSP，FPGA以及一些专用芯片产生调幅信号，每种方法都有其优缺点。

调制类型按载波可分为：

用正弦高频信号作为载波的正弦波调制或称为连续波调制，用脉冲串构成一组数字信号作为载波的脉冲调制[2]。

对于连续波调制，已调信号由振幅A、频率ω和相位φ三个参数构成。

改变三个参数中的任何一个都可能携带同样的信息。

因此，连续波调制可分为调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。

调相和调频有密切的关系。

调相时，同时有调频伴随发生；调频时，也同时有调相伴随发生，不过两者的变化规律不同[3]。

实际使用时很少采用调相制，它主要是用来作为得到调频的一种方法。

调幅主要用于广播、载波通信、无线电台、数传、传真、电视广播等领域。

调频主要用于微波中继、卫星和移动通信。

调相是一种中间的调制方式。

对于脉冲调制，通常也分为两种方式：

用连续型的调制信号去改变脉冲参数的脉冲模拟调制和用连续调制信号的数字化形式（通过模数转化）去形成一系列脉冲组的脉冲编码调制（脉冲数字调制）[4]。

脉冲模拟调制可分为脉幅调制PAM、脉宽调制PDM（PWM）、脉位调制PPM。

脉幅调制用于中间调制方式，遥测等地方。

脉宽调制用于中间调制方式、一点对多点微波通信等方面。

脉位调制用于遥测、光纤传输等方面。

脉冲数字调制可分为脉码调制PCM、增量调制△M和各种语言、图像的新的编码方式DPCM、LPC等。

脉码调制主要用于市话、卫星、空间通信。

增量调制用于军用和民用通信。

各种语言、图像的新的编码方式用于对图像、语音的编码。

通过调制，可以同时广播多个声音/音乐广播电台，彼此不会发生干扰。

如果不经过调制，所有的信号将占据同一频段，使接受端无法从杂乱信号中选择有用信号[5]。

在广播和通信系统中，普通调幅方式是最简单的实现调制和解调的收、发信机线路。

因此在中短波广播和传统的中、短波无线电通信，广播电视，电视图像信号的传输等方面都有广泛的应用。

在系统的某一个部分向领近的另一个部分发送数据的场合下，AM也非常有效。

虽然AM具有功率使用率低（和浪费）的缺点，但是功率的低效率使用，换取了调制和解调的方便，使得接收机可以以低廉的价格大量的进入市场[6]。

为了克服AM方式的各种问题，设计了各种AM的变化形式。

抑制载波的双边带调幅就是其中的一种，通过减少载波的方法，达到节省带宽或者提高功率利用率的目的。

本文的主要研究内容是调幅信号产生电路设计,其具体要求如下：

（1）实现DSB调制和AM调制之间的自由切换。

（2）通过C8051开发板上的DAC模块控制增益指数的变化。

（3）用LCD显示AM信号的调制指数。

2　总体设计

振幅调制是用调制信号去控制载波的振幅,使其随调制信号线性变化,而保持载波的频率不变[7]。

在幅度调制中,根据所取出已调信号的频谱分量不同,分为普通调幅（AM）、抑制载波的双边带调幅（DSB）、抑制载波的单边带调幅（SSB）。

目前调幅信号产生的方法有多种多样，主要有以下几种：

非线性器件调幅电路、基于DSP和DDS的调制电路、FPGA和DSP融合实现幅度调制等。

非线性调幅电路中，产生AM调制（属于高电平调幅）和DSB调制（属于低电平调幅）两种形式的电路是分开进行分析[8]，不能使用一个电路实现AM和DSB之间的转变，浪费资源。

基于DSP和DDS的调制电路的优点是载波频率、调制方式、调幅指数和调制频偏均可软件设置。

与传统模拟调制相比,它具有更好的系统再现性和稳定性,克服了模拟硬件,信号处理功能的不确定性,用软件调整代替硬件调整利于系统升级[9]。

采用FPGA和DSP融合这种方法实现调幅，避免了使用VHDL语言设计编程的复杂性，可以高效、可靠、方便的产生AM信号，硬件测试和实现快捷，开发效率高，而且调制信号步进精度好，产生的波形失真小，具有一定实用性[10]。

本次实验采用的是采用另外一种方式实现振幅调制。

使用两个AD835芯片就可以实现AM和DSB的转化，操作简单，功能丰富，调幅指数使用软件控制，范围广易于实现。

2.1振幅调制的工作原理

设调制信号是一个角频率为Ω的单音频余弦信号电压

，用它去调制角频率为

的等幅高频信号（载波）电压

，可得到两种振幅调制信号电压：

普通调幅信号（AM）：

和抑制载波的双边带信号（DSB）：

[11]

2-1AM信号的波形和频谱

图2-1所示为AM信号的波形和频谱，从图中可知波形特征：

（1）调幅波的振

幅（包络）变化规律与调制信号波形一致。

（2）调幅波频率（即变化快慢）与载

波频率一致。

2-2DSB信号的波形和频谱

图2-2所示为DSB信号的波形和频谱，从图中可知波形特征：

（1）DSB信号的包络正比于调制信号的绝对值 

（2）DSB信号载波的相位反映了调制信号的极性，即在调制信号负半周时，已调波高频与原载波反相。

因此严格地说，DSB信号已非单纯的振幅调制信号，而是既调幅又调相的信号。

（3）DSB波的频谱成份中抑制了载波分量，全部功率为边带占有，功率利用率高于AM波。

从AM和DSB的数学表达式中可以看出，这些调幅信号都是由调制电压和高频等幅电压相乘的结果.因此，只需将调制信号电压和高频等幅电压送入乘法器的两个输入端相乘，就可以在输出端得到所需要的已调制信号电压.

2.1.1普通调幅波（AM）

假设要传送的低频信号电压为一单一音频的低频电压

，它的瞬时值表达式为

（2-1）

式中，

是低频信号电压振幅；Ω为低频信号的角频率。

假设载波电压的瞬时值表达式为

（2-2）

式中，

是载波电压振幅，

为载波电压的角频率。

在用

（t）对

（t）进行调幅时，高频调幅信号

的振幅在载波振幅

的基础上，随低频信号

（t）而变化，它的幅度为[7]

（2-3）

K是取决于调幅电路的比例常数。

因此，高频调幅信号

可以用下式表示[12]：

（2-4）

式中

（2-5）

ma表示载波振荡的振幅受低频信号调幅后的振幅变化过程。

通常把ma称为调幅指数或调幅度，用来表明振幅调制的深度。

当ma=0时，为载波电压未受低频信号调幅的载波状态，即未调幅。

当ma=1时，此时为最大调幅（百分之百）。

当ma>1时，为过调幅，波形产生严重失真。

通常情况0

2.1.2抑制载波的双边带调幅（DSB）

从普通调幅波的功率关系知道,当ma=1时,其中2/3的载波功率不含信息,实际上这部分功率白白浪费了。

为了克服这个缺点,提高设备的功率利用率,可以将不携带消息的载波分量抑制掉,而只传输携带消息的两个边带,这就是抑制载波的双边带调幅波（DSB）[13]，其数学表达式为:

（2-6）

2.2实现AM/DSB调制的数学模型

由式2-4可知，实现普通调幅主要是利用加法运算和乘法运算；由式2-6可知实现抑制载波的双边带调制利用乘法运算。

因此要同时实现AM/DSB两种调幅方式的数字模型如图2-3所示。

2-3AM/DSB产生的数学模型

设调制信号

，载波信号为

，E是直流电压用以控制AM调制，A是直流电压用以控制AM/DSB切换，VO是输出信号。

调制信号和载波信号从乘法器中输出为

（2-7）

加法器的输出为

（2-8）

则乘法器最终输出为

（2-9）

由（2-9）可知当A=1时，即是AM信号的表达式。

调幅指数ma=E

，本方案载波振幅Uc=2

均为为确定的值，则调幅指数的大小由直流电压值E决定，调幅指数0

由（2-9）可知当A=0时，即是DSB信号的表达式。

（2-10）

2.3系统总体方案设计

根根据设计要求，本文提出了由AD835芯片，C8051F005单片机，按键，LCD液晶显示等部分构成的调幅信号产生电路，如图2-4所示。

图2-4系统总体框图

本系统采用双AD835芯片实现了抑制载波的双边带调幅（DSB）和调幅指数可变的普通振幅调制（AM）信号产生电路，通过软件实现二者之间的自由切换，并可以对AM调制指数进行灵活设定。

根据DSB调制和AM调制公式，用一个AD835芯片实现乘积运算，另一个AD835芯片实现乘积与求和运算。

通过C8051开发板上的DAC模块输出不同的直流电压，直流电压E与调制信号相乘，直流信号A与前者的乘积相加，实现调制指数调整和调制模式的切换，当直流电压A为0时，为DSB模式；当直流电压A为1时，实现AM调制，并用LCD显示电路工作状态。

3硬件设计

本系统硬件主要由三大模块组成：

AD835调幅信号产生模块、C8051单片机模块、液晶显示模块。

3.1AD835芯片

AD835是AnalogDevices公司生产的电压输出四象限乘法器电路，能够完成w=xy+z功能，x和y输入信号范围为-1～+1v，带宽为250MHZ，在20ns内可稳定到满刻度的=±.1％，乘法器噪声为50nv／HZ，差分乘法器输入x和y、求和输入z具有高的输入阻抗，输出引脚端w具有低的输出阻抗，输出电压范围为-2．5～+2．5v，可驱动负载电阻功率为25ω。

其电源电压为±5v，电流消耗为25mA；工作温度范围为-40～+85℃。

AD835芯片可以实现数学运算

W=（X1-X2）（Y1-Y2）+Z的功能。

图3-1AD835功能框图

1脚为输入信号Y1范围为-1～+1v，带宽为250MHZ

2脚为输入信号Y2范围为-1～+1v，带宽为250MHZ

3脚接-5V电源

4脚为输入信号Z

5脚输出电压范围为-2．5～+2．5v的信号

6脚接+5V电源

7脚为输入信号X2范围为-1～+1v，带宽为250MHZ

8脚为输入信号X1范围为-1～+1v，带宽为250MHZ

AD835实现调幅的优点是：

最高工作频率可以达到250MHz,线形性好，调幅对称性好，且为电压输出，外围电路非常简单，可靠性高。

由调幅信号的表达式

可知，我们要实现振幅调制，需要完成乘积与求和的的运算，根据AD835的芯片资料，可知采用两个AD835就能达到我们的要求，因此得到如图3-2所示的电路图。

图3-2AD835电路图

图3-2中J3为载波信号输入端子，J2为调制信号输入端子，J4为输出信号端子。

为了调试的方便，暂时用POT2、S1开关代替单片机的功能，POT2用以调整（2-9）中的直流信号E。

直流信号E从U2芯片Y1引脚输入，调制信号从U2芯片的X1引脚输入，直流信号A从U2芯片Z引脚输入,求和结果从U2芯片W引脚输出再输入到U1的Y1端口。

载波信号从U1的X1端口输入，通过U1芯片的乘积运算W端口输出的就是已调信号AM或者DSB。

U2实现直流电压E和调制信号的乘积再和直流电压A的相加，即表达式2-8。

U1芯片实现载波和U2输出信号的乘积，即表达式2-9。

考虑到AD835芯片输入信号幅度限制，载波信号幅度Uc峰值为1V，调制信号峰值

为0.5V，E幅度在0~1V之间。

通过两个电阻对5V电压分压输出0.5V电压，S1开关用以选择0.5V和0V电压状态，以调整（2-9）中的直流信号A，这样可以确保加在两AD835输入端信号幅度均在其限制范围内。

调试完成后用单片机输出直流电压代替电位器POT2和开关S1，以方便软件控制调制指数和AM/DSB两者功能的切换。

3.2单片机模块

C8051F000系列器件是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，有一个真正的12位多通道ADC（F000/01/02/05/06/07）或一个10位的多通道ADC（F010/11/12/15/16/17）。

每种器件都有一个可编程增益放大器、两个12位DAC、两个电压比较器（F002/07/12/17例外，只有一个）、一个电压基准、一个具有32K字节FLASH存储器并与8051兼容的微控制器内核。

还有硬件实现的（不是在用户软件中用位操作模拟）12C/SMBUS、UART、SPI串行接口及一个具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列（PCA）。

还有4个通用的16位定时器和4字节宽的通用数字I/O端口。

本设计主要使用C8051F005单片机的DAC功能，每个DAC的输出摆幅均为0V到VREF-1LSB,对应的输入码范围是0X000到0XFFF。

DAC0和DAC1功能相同，以DAC0为例进行介绍，12位的数据字被写到低字节（DACOL）和高字节（DACOH）数据寄存器。

在写DACOH寄存器时数据被锁存到DAC0，所以如果需要12位分辨率，应在写入DACOL之后写DACOH。

3-3C8051F005单片机DAC功能框图

图3-3所示的就是DAC0的电气特性，DAC0的使能/禁止功能由DAC0EN位控制（DAC0CN.7）。

向DAC0EN写1允许DAC0工作，向DAC0EN写0则禁止DAC0。

在被禁止时，DAC0的输出保持在高阻状态，DAC0供电电流降到1

或更小。

为了给DAC0提供偏置，必须将REF0CN寄存器中的偏置使能位（BIASE）置1，还必须正确设置DAC0的电压基准。

当设置内部电压基准时，VREF=2.4V。

C8051F005单片机MCU有两个12位的电压方式DAC，本次实验使用DAC0和DAC1即可达到要求。

3.3液晶显示模块

根据系统显示内容的需要，本文选择液HS12232-9晶显示模块对调幅指数和电路工作状态进行显示。

显示资料RAM提供64×2个位元组的空间，最多可以控制4行16字（64个字）的中文字型显示，当写入显示资料RAM时，可以分别显示CGROM、HCGROM与CGRAM的字型。

该显示模块具有体积小、功耗低、显示内容丰富的特点，所以本设计选用HS12232-9型液晶显示模块。

其与单片机接口有并行连接方式和串行连接方式，本次实验采用的是并行连接方式。

C8051f005与LCD的硬件接口电路如图3-4所示。

图3-4C8051与LCD液晶接口电路

C8051F005的P2.0-P2.7端口与HS12232-9LCD的数据总线DBO-DB7相连接。

由C81051的P3.0和LCD液晶E使能接口连接，控制芯片。

当E为高电平期间,数据读出，E为下降沿的时候，数据桩锁存。

C8051通过P3.2来选择RS信号控制寄存器。

当P3.2=1时,为发送数据，P3.2=0时,为接收数据命令；C8051通过P3.1来选择RW信号控制寄存器,当P3.1=1时,读取数据操作，P3.1=0时,为写指令,来实现控制器对液晶显示模块的控制。

3.4小结

本章介绍了调幅电路的硬件模块组成。

详细介绍了各个模块的组成及功能。

AD835调幅模块的介绍，C8051单片机模块主要性能特点、液晶显示模块的构建与运用以及与单片机接口的连接。

4软件设计

4.1主程序部分

本系统软件设计采用C语言编写主要内容包括键值的读取和处理程序，AM/DSB功能切换,液晶显示程序等程序，系统软件设计流程图如4-1所示。

4-1系统软件流程图

AM和DSB两种方式的切换主要是通过按键控制。

通过设置不同的输入码改变DAC0和DAC1的输出电压值，输出电压范围为0~2.4V。

DAC0输出电压为0V和0.5V，即是图3-2电路原理图中的开关S1的功能，用于控制AM/DSB的功能切换。

当电压为0.5v时，是DSB模式。

当电压为0V时，是AM模式，DAC1输出电压即是图3-2电路图中POT2的功能，用以调整调幅指数的大小。

4.2初始化部分

初始化主要包括系统时钟初始化、端口的初始化、DAC参考电压源初始化和DAC的初始化。

4.2.1系统时钟初始化

系统时钟初始化主要是设置内部振荡控制寄存器OSCICN和外部振荡器控制寄存器OSCXCN。

C8051有内部振荡器和外部振荡器电路之分，每个驱动电路都能产生系统时钟，可以通过软件配置。

内部振荡器可以被使能/禁止，其振荡频率可以用内部振荡器控制寄存器OSCICN改变。

本次课题采用16MHZ的内部时钟源作为系统时钟。

图4-2OSCICN:

内部振荡器控制寄存器

位7：

MSCLKE：

时钟丢失使能位

0：

禁止时钟丢失检测器。

1：

使能时钟丢失检测。

位6-5：

未用。

读=00000b，写=忽略

位4：

IFRDY：

内部振荡器频率准备好标志

0：

内部振荡器频率不是按IFCN位指定的速度运行。

1：

内部振荡器频率是按IFCN位指定的速度运行。

位3：

CLKSL：

系统时钟源选择位

0：

选择内部时钟源作为系统时钟

1：

选择外部时钟源作为系统时钟

位2：

IOSCEN：

内部振荡器使能位

0：

内部振荡器关闭

1：

内部振荡器工作

位1-0：

IFCN1-0：

内部振荡器频率控制位

00：

内部振荡器典型频率为2MHZ

01：

内部振荡器典型频率为4MHZ

10：

内部振荡器典型频率为8MHZ

11：

内部振荡器典型频率为16MHZ

以下是系统时钟初始化函数，选择系统时钟为16MHZ内部晶振。

voidSYSCLK_Init（void）

{

OSCICN=0x87;//选择16M内部晶振

for（nTemporary=0;nTemporary<256;nTemporary++）;//延迟（ms）

OSCXCN=0x6F;

OSCICN|=0x08;//等待晶振稳定

}

4.2.2端口初始化

端口初始化是通过设置寄存器XBR0，XBR1，XBE2,PRT1CF,PRT2CF,PRT3CF。

交叉开关根据优先权译码表将所选择的内部数字资源分配到I/O引脚。

寄存器XBR0，XBR1，XBE2用于选择内部数字功能或让I/O引脚默认为端口I/O。

端口配置寄存器PRT1CF,PRT2CF,PRT3CF将端口I/O单元配置为推挽或漏极开路方式。

端口I/O初始化比较简单，不管XBRn寄存器的设置为何值，在交叉开关被使能之前，外部引脚保持标准端口的输入方式。

对于给定的XBRn设置，可以使用优先权译码表确定I/O引脚分配。

以下为端口初始化函数：

voidPORT_Init（void）

{

XBR0=0x00;

XBR1=0x00;

XBR2=0x40;//Enablecrossbarandweakpull-ups

PRT1CF=0xff；

PRT2CF=0xff；

PRT3CF=0xff；

}

4.2.3DAC的初始化

DAC0的功能和DAC1的功能完全相同，以DAC0为例介绍一下它的相关设置。

DACO的初始化是通过设置电压基准控制寄存器（REFOCN）和DAC0控制寄存器（DAC0CN）。

图4-3所示为DAC0控制寄存器各个位的功能，将位7置1,DACO正常工作；向位2-0写000，DAC0数据字的高4位在DAC0H[3:

0],低字节在DAC0L中。

图4-3DAC0CN:

DAC0控制寄存器

位7：

DAC0EN：

DAC0使能位

0：

DAC0禁止

1：

DAC0使能

位6-3：

未用。

读=00000b，写=忽略

位2-0：

DAC0DF2-0：

ADC0数据格式位

图4-4所示为电压基准控制寄存器各个位的功能。

为了给DAC0提供偏置，必须将REF0CN寄存器中的偏置使能位（BIASE）置1，还必须正确设置DAC0的电压基准通过将位0置1，采用内部基准电压即2.4V。

图4-4REF0CN:

电压基准控制寄存器

位7-3：

未用。

读=00000b，写=忽略

位2：

TEMPE:

温度传感器使能位

0：

内部温度传感器关闭

1：

内部温