正弦信号发生器设计论文

安徽工贸职业技术学院

毕业论文（设计）

论文题目：正弦信号发生器设计

姓名：欧阳高翔

指导教师：崔璨

提交日期： 2009年4月

专业：生产过程自动化

正弦信号发生器设计

摘要：本设计基于两个函数信号发生器芯片MAX038和FPGA系统，一个产生基波信号，另一个产生载波信号。MAX038可实现20MHz频率发生，采用FPGA、MCU完成信号控制，高速比较器和运算放大器控制信号输出幅度，D/A程控放大器调节１kHz正弦调制信号的幅度，经过乘法器实现AM调制，用两个MAX038实现FM调频，采用可编程逻辑器件和高速DA实现ASK、PSK编码信号输出。同时系统还增加实时测频测量、频率存储等扩展功能。

Abstract

This design is based upon two (functional signals backfire COMS chip) MAX038 and FPGA sist, one generates base wave signal, another generate carry wave signal. The MAX038 can output a sine-wave whose centre frequency can change manually from 0 to 20MHz. adopting FPGA(Programmable Logic Device) and MCU(microchip) complete signal control, high-speed comparator and operating amplifier control the range of the signals, D/A programmable magnifier adjust the range of the signals through multiplicative implement to accomplish AM adjusting and using two MAX038s to achieve FM frequency modulation by adopting programmable logical drives and high speed D/A to actualize ASK, PSK coding signal exporting. At the same time, this could increase the functions of testing frequency, measurement, frequency memory etc.

关键词：DDS；函数发生器；PSK；ASK

Key words:DDS; Functional signals generator；PSK；ASK

第1章系统设计·······························································1

1.1 基本要求····························································1 1.2 发挥部分····························································1

1.2.1增加输出电压幅度··············································1 1.2.2 产生模拟幅度调制(AM)信号·····································1 1.2.3产生模拟频率调制(FM)信号······································1 1.2.4产生二进制PSK、ASK信号········································1 1.2总体设计思路························································1 1.3 方案比较与论证·····················································1

1.3.1正弦波发生器方案的论证········································1 1.3.2 信号幅值控制方案的论证·······································2 1.3.3 FM调制方案的论证··············································2 1.3.4二进制键控调制方案的论证······································2 1.4 系统组成···························································2 第2章单元电路计〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃〃4

2.1 波形发生单元电路计·················································4 2.2 AM/FM调制电路的计················································5 2.3 程控放大器的单元电路设计··········································6 2.4电源电路的设计·····················································6 2.5二进制振幅键控（ASK）调制器与解调器设计·······························7 第3章软件设计·····························································8

3.1开发软件及编程语言简介·············································8 3.2软件实现方法·······················································8 3.3 正弦波输出测试结果················································9 第4章结论································································10 附录······································································11 参考文献··································································14 致谢······································································15

毕业论文（毕业设计）任务书

填写说明：1.此表由指导教师填写，必须用蓝、黑色墨水书写；字迹必须

清晰工整。2.将此表装订在毕业论文（设计）的第一页。

第1章系统设计

1.1基本要求

（1）正弦波输出频率范围：1kHz～10MHz；（2）具有频率设置功能，频率步进：100Hz；（3）输出信号频率稳定度：优于10；（4）输出电压幅度：在

负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥1V；

-4

（5）失真度：用示波器观察时无明显失真。

1.2发挥部分

在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能： 1.2.1增加输出电压幅度

在频率范围内

负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V±1V；

1.2.2 产生模拟幅度调制(AM)信号

在1MHz~10MHz范围内调制度ma可在10%～100%之间程控调节，步进量10%，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生； 1.2.3产生模拟频率调制(FM)信号

在100kHz~10MHz频率范围内产生10kHz最大频偏，且最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生； 1.2.4产生二进制PSK、ASK信号

在100kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号自行产生；

1.2总体设计思路

题目要求设计一个正弦信号发生器，发生器的输出频率范围为1kHz～10MHz。设计中采

用函数发生专用芯片，利用单片机控制输出频率，使输出频率可以在要求范围内进行调节。采用程序控制电路使输出电压幅值达到４V以上。采用乘法器完成AM波调制功能，采用双函数发生器MAX038完成FM调制功能，采用FPGA编码控制加DA输出实现ASK、PSK等调制功能；采用LCD1602和行列键盘实现人机界面控制功能。

1.3 方案比较与论证

1.3.1正弦波发生器方案的论证方案一：采用分立的元件制作信号发生器，利用低噪声高频振荡管，变容二极管单片机控制，形成压控振荡器，该方案实现简单，但是调试困难，而且输出频率不易实现题目要求。方案二：采用DDS专用芯片，如AD公司的AD9850、AD9851等芯片，采用高精度有源晶振作为时钟源，通过单片机控制频率控制字就可以方便实现频率步进和频率预制等功能，频率分

辨率可以低于0.1Hz,但该芯片的价格较贵，而且电路板的制作比较困难，一般采用4层板布线才能做到比较好的效果，比赛时间才4天难于实现。

方案三：采用专用函数信号发生芯片MAX038实现信号产生，能产生不失真信号可达20MHz,输出的信号稳定性高，而且调节方便，我们选用此方案。

1.3.2 信号幅值控制方案的论证

方案一：用分立元件放大输出信号。经调试，输出的峰-峰值可达到我们的要求，但是电路的元件多，调试困难，容易产生干扰，电路的稳定性很难得道保证。方案二：采用高速运放对信号进行阻抗匹配和放大处理，输出的峰-峰值完全符合设计要求，而且电路简单，调试方便，经过对数种运放的调试，我们发现LM310做前端的同相跟随器带宽可达20M，放大器选用LM318，信号在15MHz时还没有出现明显失真。我们选用此方案。

1.3.3 FM调制方案的论证

方案一：采用DDS专用芯片实现FM调制, 如AD公司的AD9850、AD9851等芯片，通过对低频信号采样处理，对采样数据和ad9850频率控制字进行处理，具体操作为：采样数据为八位，频偏为10k就插入32位控制字的第12位至19位；频偏为5k时就插入32位控制字的第11位至18位。每周信号采样64点，实现FM调制功能。此方法控制简单灵活，但器件价格较贵，购买困难。

方案二：采用max038产生载波信号，和低频信号，用低频信号控制载波信号的调节。实现FM调制功能。此方法简单实用，所以我们选用此方案。

1.3.4二进制键控调制方案的论证

方案一：采用dds专用芯片，实现ASK，PSK等二进制编码调制功能。

方案二：采用可编程逻辑器件和高速da转换实现。可编程逻辑器件速度高，完全可以到达题目100KHz的要求。通过编程和配置就可以实现上述功能。我们选用此方案。

1.4

系统组成

AM调制原理框图

FPGA和单片机系统总框图

以上的系统框图是经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图。

第2章单元电路设计

2.1 波形发生单元电路设计

正弦波的产生由MAX038实现,MAX038 是美国MAXIM 公司生产的高频,高精度,低输出电阻,驱动能力强(20mA) 的函数信号发生器芯片，图2-1-1为其内部框图。MAX038可以产生2～ 20MHz 频率范围的正弦波、三角波、锯齿波和矩形波以及与它们同步的TTL 脉冲信号。MAX038的输出电阻为0.1Ω，输出幅度:峰-峰值 Vopp = 2V,输出信号经过运算放大器的放大,可达到更高的输出.如图2-1-1是MAX038 内部框图,MAX038 的输出频率f0 由Iin、FADJ 端电压和主振荡器COSC 的外接电容器CF 三者共同确定。当U FADJ= 0V 时, 输出频率f0 = Iin/Cf, Iin = U in/R in= 2. 5/R in; 当U FADJ ≠ 0V 时, 输出频率f0 = f(1- 0. 2915U FADJ )。

图2-1-1

如图2-1-2是波形发生器的电路图,通过开关K1的选择,可调整不同的频段. R24和R25是频率调节电位. A0和A1为选择输出波形。

图2-1-2

2.2 AM调制电路的设计

本电路采用MC1496作为调制芯片，MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。它构成的振

幅调制电路如图2-2-1。其中，载波信号Vc经高频耦合电容C8从10脚输入，C7为高频旁路电容使8脚接地；调制信号Vp经低频耦合电容从1脚输入C12为低频旁路电容，使4脚交流接地。调幅信号Vo从12脚单端输出。采用双电源供电方式，5脚的偏置电阻R41接地。

图2-2-1

当载波信号为

，调制信号为，调幅系数

波波形 (a)低频信号 (b)高频信号 (c)巳调波。

时，输出的调频信号为

。如图2-2-2为单频调制时调幅

图2-2-2 2.2 FM调制电路的设计

采用两个MAX038调频输出，一个产生高频载波信号，一个产生低频信号，用低频信号

控制另外一个MAX038的FADJ引脚，改变它的输入电流，实现变化的频率输出，从而实现的FM调制。其原理图如图2-2-1

图2-2-1 2.3 程控放大器的单元电路设计

2.4电源电路的设计

电源电路采用7812和7912组成双12v电压输出，输出电流1A,能够满足运放的正常工作，电路图如图2-4-1，另外还有由7805和7905组成的双5v电压输出。

为保证FPGA板的正常工作，这里采用3A的独立电源单独供电。

2.5二进制振幅键控（ASK）调制器与解调器设计

键控法是产生ASK信号的一种方法。二进制ASK又称为通断控制（OOK）。最典型的实现方法是用一个电键来控制载波振荡器的输出而获得

键控法产生ASK信号原理框图

uASK(t)

ASK调制方框图

ASK调制VHDL程序仿真图及注释

第3章软件设计

3.1开发软件及编程语言简介

系统基于FPGA的设计采用硬件描述语言VHDL按模块化方式进行设计，各模块集成于FPGA芯片上，然后通过MAX+plus II软件平台对设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、综合和优化、逻辑仿真，最后对FPGA芯片进行下载，实现系统的设计要求。

单片机的软件设计采用汇编语言和C语言，程序在Keil uVision2平台下编写，程序设计模块化。

3.2软件实现方法

3.2.1系统测频流程图如下：

单片机与FPGA通信测频程序流程图

3.2.2中断子程序：

3.3测试结果

第4章结论

本系统可产生1Hz—20MHz的正弦波信号，波形的频率和幅度达到了设计要求，采用手动频率步进调节。通过FPGA和单片机实现了二进PSK、ASK信号。在系统设计的过程中，我们力求电路设计的合理性，合理的滤波电路有效地降低了高频干扰，使电路达到了较高的稳定性。

波形发生器的电路图

附录

波形发生单元电路

参考文献

1 童诗白,华成英。模拟电子技术基础。高等教育出版社，2003年 2 潘松，黄继业。EDA技术实用教程。北京，科学技术出版社，2002年

3 韩广兴等。常用仪表使用方法与应用实例。北京，电子工业出版社，2005年 4 黄智伟等。FPGA系统设计与实践。北京，电子工业出版社，2005年 5 谢自美。电子线路设计.实验.测试。华中科技大学出版社。2001年

致谢

在此答辩之际，我首先要感谢导师崔老师。因为无论从论文选题，到编写过程，直到完成，崔老师无不倾注着心血和辛劳。就是再忙，崔老师也经常把我们叫到跟前悉心教导。这点让我们深受感动。从与崔老师的探讨中，崔老师认真的求学精神、严谨的治学态度、渊博的专业学识、敏锐的学术眼光、深邃的学术思想、勤勉塌实的治学作风、诲人不倦的精神无不让人感动。我在这里说一声，崔老师，辛苦了！

同时，我还要感谢刘明老师、蒋静瑚老师、李言武老师和郑勇老师，他们都在我做设计的时候无私的帮助过我，给我提出很多很好的建议，让我获易匪浅。

三年大学生活转眼即逝。在这三年学习期间，安徽工贸职业技术学院的老师们无私耕耘、孜孜教诲，让我们学到了很多书里和书外的知识。为我们即将进入社会打下了良好的基础。在这里我向所有老师们表示深深得谢意和崇高的敬意。你们辛苦了！

最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。

论文（设计）经答辩委员会全体委员审查，确认符合安徽工贸职业技术学院专科学生毕业论文（毕业设计）质量要求。确定其论文成绩为。

评阅者评语：

评阅者签名：

答辩委员会（小组）评语：

答辩委员会（小组）负责人（签名）：答辩委员会（小组）委员（签名）：

年月日

第3章软件设计

安徽工贸职业技术学院

毕业论文（设计）

论文题目：正弦信号发生器设计

姓名：欧阳高翔

指导教师：崔璨

提交日期： 2009年4月

专业：生产过程自动化

正弦信号发生器设计

Abstract

关键词：DDS；函数发生器；PSK；ASK

Key words:DDS; Functional signals generator；PSK；ASK

第1章系统设计·······························································1

毕业论文（毕业设计）任务书

填写说明：1.此表由指导教师填写，必须用蓝、黑色墨水书写；字迹必须

清晰工整。2.将此表装订在毕业论文（设计）的第一页。

第1章系统设计

1.1基本要求

（1）正弦波输出频率范围：1kHz～10MHz；（2）具有频率设置功能，频率步进：100Hz；（3）输出信号频率稳定度：优于10；（4）输出电压幅度：在

负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥1V；

-4

（5）失真度：用示波器观察时无明显失真。

1.2发挥部分

在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能： 1.2.1增加输出电压幅度

在频率范围内

负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V±1V；

1.2.2 产生模拟幅度调制(AM)信号

在1MHz~10MHz范围内调制度ma可在10%～100%之间程控调节，步进量10%，正弦调制信号频率为1kHz，调制信号自行产生； 1.2.3产生模拟频率调制(FM)信号

在100kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10kbps，二进制基带序列信号自行产生；

1.2总体设计思路

题目要求设计一个正弦信号发生器，发生器的输出频率范围为1kHz～10MHz。设计中采

1.3 方案比较与论证

辨率可以低于0.1Hz,但该芯片的价格较贵，而且电路板的制作比较困难，一般采用4层板布线才能做到比较好的效果，比赛时间才4天难于实现。

方案三：采用专用函数信号发生芯片MAX038实现信号产生，能产生不失真信号可达20MHz,输出的信号稳定性高，而且调节方便，我们选用此方案。

1.3.2 信号幅值控制方案的论证

1.3.3 FM调制方案的论证

方案二：采用max038产生载波信号，和低频信号，用低频信号控制载波信号的调节。实现FM调制功能。此方法简单实用，所以我们选用此方案。

1.3.4二进制键控调制方案的论证

方案一：采用dds专用芯片，实现ASK，PSK等二进制编码调制功能。

1.4

系统组成

AM调制原理框图

FPGA和单片机系统总框图

以上的系统框图是经过方案比较与论证，最终确定的系统组成框图。

第2章单元电路设计

2.1 波形发生单元电路设计

图2-1-1

如图2-1-2是波形发生器的电路图,通过开关K1的选择,可调整不同的频段. R24和R25是频率调节电位. A0和A1为选择输出波形。

图2-1-2

2.2 AM调制电路的设计

本电路采用MC1496作为调制芯片，MC1496是双平衡四象限模拟乘法器。它构成的振

图2-2-1

当载波信号为

，调制信号为，调幅系数

波波形 (a)低频信号 (b)高频信号 (c)巳调波。

时，输出的调频信号为

。如图2-2-2为单频调制时调幅

图2-2-2 2.2 FM调制电路的设计

采用两个MAX038调频输出，一个产生高频载波信号，一个产生低频信号，用低频信号

控制另外一个MAX038的FADJ引脚，改变它的输入电流，实现变化的频率输出，从而实现的FM调制。其原理图如图2-2-1

图2-2-1 2.3 程控放大器的单元电路设计

2.4电源电路的设计

电源电路采用7812和7912组成双12v电压输出，输出电流1A,能够满足运放的正常工作，电路图如图2-4-1，另外还有由7805和7905组成的双5v电压输出。

为保证FPGA板的正常工作，这里采用3A的独立电源单独供电。

2.5二进制振幅键控（ASK）调制器与解调器设计

键控法是产生ASK信号的一种方法。二进制ASK又称为通断控制（OOK）。最典型的实现方法是用一个电键来控制载波振荡器的输出而获得

键控法产生ASK信号原理框图

uASK(t)

ASK调制方框图

ASK调制VHDL程序仿真图及注释

第3章软件设计

3.1开发软件及编程语言简介

单片机的软件设计采用汇编语言和C语言，程序在Keil uVision2平台下编写，程序设计模块化。

3.2软件实现方法

3.2.1系统测频流程图如下：

单片机与FPGA通信测频程序流程图

3.2.2中断子程序：

3.3测试结果

第4章结论

波形发生器的电路图

附录

波形发生单元电路

参考文献

1 童诗白,华成英。模拟电子技术基础。高等教育出版社，2003年 2 潘松，黄继业。EDA技术实用教程。北京，科学技术出版社，2002年

致谢

最后，衷心地感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师！忠心地祝愿各位身体健康、工作顺利。

论文（设计）经答辩委员会全体委员审查，确认符合安徽工贸职业技术学院专科学生毕业论文（毕业设计）质量要求。确定其论文成绩为。

评阅者评语：

评阅者签名：

答辩委员会（小组）评语：

答辩委员会（小组）负责人（签名）：答辩委员会（小组）委员（签名）：

年月日

第3章软件设计

正弦信号发生器设计论文

相关文章