第ｌ８卷 第２期 Ｖ０ｌ＿１８ Ｎｏ．２ 电子设计工程 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ２０１０年２月 Ｆｅｂ．２０１０ 高输出功率正弦信号发生器 余师倩，张志勇，方力 （武汉大学电子信息学院，湖北武汉４３００７９） 摘要：基于直接数字频率合成ＤＤＦＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ）￣术，依据调制信号相关原理，设计以ＤＤＳ集 成电路ＡＤ９８５１为核心的正弦信号发生器，可精确输出幅度调节范围为５０ｍＶ。， ２０Ｖ ，频率调节范围１００Ｈｚ￣３０ＭＨｚ 的正弦波。还可输出调幅波、调频波、ＰＳＫ、ＡＳＫ信号。该设计在宽频带内能获得大幅度的低失真波形。采用多种抗干扰 措施以减少噪声并抑制高频自激，通过软件补偿提高频带内输出幅度的平坦度。该系统输出波形谐波失真度小，无杂 散动态范围（ＳＦＤＲ）达３９．８ ｄＢｃ，功能稳定，操作简便。 关键词：．ｆｉ－弦信号；调幅；调频；直接数字频率合成（ＤＤＦＳ）；ＡＤ９８５ｌ 中图分类号：ＴＮ７６ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１０）０２一Ｏ０５０—０３ Ｓｉｎｅ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ＹＵ Ｓｈｉ—ｑｉａｎ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ—ｙｏｎｇ，ＦＡＮＧ Ｌｉ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ，， ｒｍａｔｉｏｎ，Ｗｕｈａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｈａｎ ４３００７９，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ Ｏｉｌ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｏｆｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ（ＤＤＦＳ）ａｎｄ ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，ａ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｃｏｒｅ ｃｈｉｐ ＡＤ９８５ １ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｏｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｒａｎｇｅ ｉｓ １ ００Ｈｚ－３０ＭＨｚ ａｎｄ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｒａｎｇｅ ｉｓ ５０ ｍＶｒｒ－２Ｄ Ｔｈｅ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ｇｅｎｅｒａｔｏｒ ａｌｓｏ ｏｕｔｐｕｔｓ ｏｆ ＦＭ，ＡＭ，ＰＳＫ ａｎｄ ＡＳＫ ｓｉｇｎａｌｓ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｓｉｇｎ ａｃｈｉｅｖｅｓ ｗｉｄｅ ａｍｐｌｉｔｕｅｄ，ｌｏｗ ｄｉｓｔｏｒ－ ｔｉｏｎ ｗａｖｅ．Ｔａｋｉｎｇ ａｎｔｉ—ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ，ａｎｄ ｔａｋｅｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅ ｏｆｓｏｆｔｗａｒｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｅｘｐｏｒｔｓ ｈｉｇｈ ａｃｃｕｒａｔｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ，ｗｈｏｓｅ ＳＦＤＲ ｉｓ ｕｐ ｔｏ ３９．８ｄＢｃ，ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｆｕｎｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｎｖｅｎｉｅｎｔ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｉｎｅ ｓｉｇｎａｌ；ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ；ｄｉｒｅｃｔ ｄｉｇｉｔａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ（ＤＤＦＳ）；ＡＤ９８５１ 电子设计实验用到的激励信号源通常是由函数信号发 生器提供。但往往难以兼顾宽频带、宽幅度范围和低谐波失 真．因此需自行设计信号源实现既定信号输Ｈ｛。基于直接数 圆。匝固 Ｉ。。Ａ。’Ｓ 。。Ｋ。。。。’，。。。。Ｐ。。。Ｓ。。。。Ｋ。￣。。。’。 Ｎ。——Ｉ 字频率合成ＤＤＦＳ（Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ）技术， 依据调制信号相关原理．设计出一种基于ＤＤＳ的正弦信号发 生器．能够得到低失真的宽带正弦波以及各种调制信号，带 负载能力强，满足多方面需求，发展前景良好，可广泛应Ｈｊ于 工程领域。 圈圆 同１系统总体设计框图 ＦＰＧＡ ｌ！ 丝 ｌ 赢藕Ｈ而 ２主要功能模块的设计 ２．１ 自动增益控制（ＡＧＣ） １系统总体设计方案 该系统设计是以单片机和ＦＰＧＡ组成的最小系统为控 制平台。利用ＦＰＧＡ运算速度快、资源丰富等特点，实现ＤＤＳ 等功能模块的时序控制。对于模拟部分，ＡＤ９８５ｌ的输出经ｆｊ 动增益控制（ＡＧＣ）、幅度控制、信号调婵（放大、滤波）、功率 为保证ＡＤ９８５ｌ输出的信号平坦度．需增加一级ＡＧＣ电 路，这里采用ＡＤ６０３和反馈控制技术构成ＡＧＣ电路Ｉｌ１。ＡＤ６ｏ＿ ３是ＡＤＩ公司生产的可变增益放大（ＶＧＡ）器件，具有宽频带、 低噪声、高增益精度（最大增益误差０．５ ｄＢ）等特性。应注意其 放大后得到ｌｏｏ Ｈｚ～３０ ＭＨｚ的正弦信号。ＤＤＳ信号源输 的 调制信号和ＡＤ９８５１输出的载波信号经乘法器实现调幅：单 片机控制调频信号的中心频率，ＤＤＳ模块的输出控制频偏， 这两者一同控制ＡＤ９８５ｌ的频率控制字．实现调频：键盘输入 二进制基带码．经并串转换后采用１００ ｋＨｚ固定频率的载波 进行键控，实现２ＡＳＫ和２ＰＳＫ。冈１所示为该系统设计的总 体设计框图。 收稿日期：２００９—０７—０２ ５０－ 输入电压范围是一１．４～１．４ Ｖ．若超出该范围，则严重失真；控制 端（引脚１、２）共模输入电压范围一１．２ ２ Ｖ，若超出范围，则增 益控制不精确 。在ＡＤ６０３输出端接一个由ＴＨＳ４０１ｌ构成的 放大倍数为２的同相放大器．具有缓冲作用，避免自激。 ２．２幅度控制 ＡＤ９８５】通常输出信号幅度固定．用ＡＤ６０３构成可变增 益放大器，其后串接一个由ＴＨＳ４０１１构成的同相放大器，可 稿件编号：２００９０７００７ 有效调节幅度。ＡＤ６０３的引脚１的电压固定，引脚２的电压 作者简介：余师倩（１９８８一），女，湖北汉川人。研究方向 －余师倩．等高输出功率正弦信号发生器 型运算放大器．具有宽带宽、高摆率和低失真的特性。在 ＦＨＳ３００１的输 端并接１只２２ ｐＦ的电容至地，实现滞后补 由ｌ２位串口Ｄ／Ａ转换器ＴＬＶ５６１６调节，以控制ＡＤ６０３增 益，从而控制输ｍ信号的幅度。为了精确控制，引脚ｌ和２都 应连接滤波电容，以滤除纹波，这是因为 即使受微小扰动 偿，防止高频段Ｆ１激。然后对信号滤波，电路中这两个７阶的 椭 滤波器分别滤除频率大于ｌ１ ＭＨｚ的信号谐波和频率大 也会导致输ｍ电 很大变化。同２为系统的控幅电路。 于１８ ＭＨｚ的信号谐波。无源滤波器对阻抗匹配要 求很高，又闪滤波器会将信号幅度衰减一半．则采用 ＴＨＳ３（Ｊ０ｌ构成的同相放大器对滤波器进行阻抗匹 配，并将信号放大２倍。输入阻抗匹配采用同相放大 器，冈为同相放大器 有输入阻抗高、输出阻抗几乎 为零的特点，具打隔离作用。滤波器后接射随，对滤 波器的输 阻抗进行 配且具有缓冲作用。最后衰 减大信号，对不同幅度段的信号分档处理，一路直 通，…路作ｌ０倍衰减，一路作４Ｏ倍衰减。衰减器采 降Ｉ ２控幅电路 刖 型网络实现。通道选择由电磁继电器切换。图３ ２．３调幅（ＡＭ） 测幅电路是由乘法器和加法器组成。该电路采用模拟乘 法器ＡＤ８３５实现。实际控制调幅度ｍ 时，保持载波信号幅度 不变．控制凋制信号的幅度在０．１～１ Ｖ范 内变化．就可使 电｛ 继 蔷墓 至 篱 ｍ 在１０％ １００％之间变化ｌ 。为使ＡＤ８３５正常Ｔ作，电源不 仅连接０．１ Ｆ的瓷片电容和４．７ Ｆ的钽电容进行去耦，还 须加磁珠以防止高频信号十扰。 ２．７功率放大 图３信号调理电路框网 调制信号由ＦＰＧＡ内部的ＤＤＳ模块产生，再ＩＩ］高速Ｄ／Ａ 转换器ＤＡＣ９０２实现数模转换，而ＤＡＣ９０２的电＿【Ｉｉ基准 串 输出信号频率范围为１００ Ｈｚ～３０ ＭＨｚ．要在该频带内得 到大幅值，这里采用分立元件搭建准互补推挽功放Ｉ 。在输入 信号的一一个周期内，两管半周期轮流导通．减小单管的静态损 耗，具有较高的输ｍ效率和功率。 同时由于电路的ｘ，ｔ，Ｆｊ￣性，可在输出负载端得到完整的双 行Ｄ／Ａ转换器ＴＬＶ５６１６程控侧节，这样可节省端口资源。 ２．４调频（ＦＭ） ＤＤＳ模块产生调制信号，控制频偏，同时通过单片机控 制总线输入ＦＭ的中心频率，然后将二者相加，｝｝ｉ二者的干仃控 制ＡＤ９８５ｌ的频率控制字，就可使ＡＤ９８５１产生涮频信号？ ２．５键控《ＡＳＫ，ＰＳＫ）［４１ 极性波形 ．此电路前级南ＴＨＳ３００１构成同相放大器．电压放 大倍数为４ｖ＝ｌ＋Ｒ ｌｏ；后级选用ＮＳＣ公司的２Ｎ３９０４和 ２Ｎ３９０６ 极管（特征频率ｆ￣２ｏｏ～３００ ＭＨｚ），采取并联的方式 扩流／６／。通过Ｖ１）１、Ｖｍ的电压箝位实现ｉ极管的微导通，避免交 越失真。 图４为功率放大电路。 通过键盘任意输入８位二进制信号，通过并串转换，得 到串干于序列码 转换时钟频率即为基带码率。用该序列码控 制ＤＤＳ模块中产乍ｌ００ ｋＨｚ载波的频牢控制字的累加。当序 列值为“０”时，将相位指向幅值为０处，为“１”时则相位累加 器正常Ｔ作。然后经数模转换，即可得到２ＡＳＫ信号。 至于ＰＳＫ，这里只产生２ＰＳＫ信号。通过键盘任意输入８ 位二进制信号。通过并串转换，得到串行序列码 为使柑位跳 变恰好发生在过零点．将ｌ００ ｋＨｚ载波信号１０分频作为转 换时钟，码元为“１”时，将相位累加器初值置盯；码元为“０” 时．将相位累加器初值置０。 ２．６信号调理 信号捌理电路是该系统没计巾的重要部分，由丁在这一 级的处理．本设计存高频段和高幅度段仍能获得高质量的波 形。ＡＤ９８５１输出信号绎ＡＧＣ、幅度调节模块，幅度被放大到 很大，在频率较高时产生谐波失真， 此需进行滤波 、输入信 号幅度太低，滤波效果受到影响。本设计的幅度范 很宽，需 将信号先放大再衰减。先采用ＴＨＳ３００１构成的同相放大器将 信号放大约３倍。ＴＨＳ３００ｌ是ＴＩ公司的高速低噪电流反馈 图４功率放大电路 一５ｌ一 电子设计工程）２０１０年第２期 ３系统软件设计 该系统数字设计部分大多是在ＦＰＧＡ内部完成．凶此Ｃ 高至２０ ，波形无明显失真。此外，该系统能顺利实现各种 调制功能。该设计结构紧凑，操作方便，作为一种高质量信号 源可适应多方面需求１７－９１，可用作实验室测试电路的激励源或 应用于工程领域。 参考文献： 语言只需完成控制和运算即可。系统初始化后，等待按键中 断。选择不同的输出模式，然后主程序调用相应的子程序，最 后向ＦＰＧＡ写入相应的控制字．分别实现正弦波、调幅波、调 ［１］黄根春，陈小桥，张望先．电子设计教程【Ｍ】：北京：电子工 业出版社．２００７． 频波、键控波的输出。图５为该系统程序流程。 【２】Ａｎａｌｏｇ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｉｎｃ．ＡＤ６０３ Ｄａｔａｓｈｅｅｔ［ＥＢ／ＯＬ］．２Ｏｏ４．ｈａｐ：／／ ＷＷＷ．ａｎａｌｏｇ．ｃｏｒｎ／ｓｔａｔｉｃ／ｉｍｐｏｒｔｅｄ－ｉｆｌｅｓ／ｄａｔａｓｈｅｅｔｓ／ＡＤ６０３．ｐｄｆ． ＿【３】马海洋，曾真，徐广嵌．正弦信号发生器［Ｊ］．电子设计工程， ２００８，１６（１２）：７７－８１． ［４】樊昌信，曹丽娜．通信原理［Ｍ】．北京：国防工业出版社， ２００８． ［５】谢自美．电子线路设计、实验、测／Ｅ［Ｍ］．武汉：华中科技大学 出版社．２０００． ＋ ［６］王正齐，陈华奇，邓如岑．２００３年全国大学生电子设计竞赛 索尼杯宽带放大器『Ｊ１．电子世界，２００４（１）：３５—３８． 图５系统程序流程 ， 【７］夏新凡，陈晓君，伍玉，等．正弦信号发生器的设计【Ｊ】．电子 设计工程，２００９．１７（５）：ｌ３一ｌ５． ４结束语 实际测试时．本系统设计较好地完成了预期的各项指 ［８］万天虎，何常胜，李华．水轮发电机组一次调频仿真与参 数辨ｉｚ［Ｊ］．陕西电力，２００９，３７（５）：５５—５８． ［９】曾真，施智强，何欣，等．宽带放大器［Ｊ］．电子设计工程， ２００８．１６（１ １）：５７－５８． 标。输出正弦信号的频率范围为１００ Ｈｚ～３０ ＭＨｚ，带５０ ｎ负 载时，幅度可达１２ ＶＰＰ，用频谱分析仪观测，无杂散动态范嗣 达到３９．８ ｄＢｃ。不带负载时，输出信号幅度更可低至５Ｏ ｍＶ， （上接第４９页） ＧＰＲＳ的污水处理监控系统，基于Ｗｉｎｄｏｗｓ２０００环境下的Ｉｎ－ ｔｏｕｃｈ ８．０系统进行监控软件的２次开发．通过系统的投产运 行，该系统在处理污水的能力方面较以前有较大幅度的提 ＣＯＤ 升，且节约了经济成本。ＧＰＲＳ技术由于其优越性，在自动控 制、环境监测等方面将发挥更大的作用 。 参考文献： ’ 达标值 【１】葛玉连，赵保康，喻一萍．浅谈城市污水处理及工业污水 日期／ｄ 在线监测【ＪＪ．排灌机械，２００５，３２（６）：３４—３７． 图４出水检测ＢＯＤ５数据变化图 ［２】李汉玲．ＧＰＲＳ在污水处理监控系统中的应用【Ｊ］．机械工程 与自动化．２００８（３）：１７７—１７９． 机立即报警，并记录有关数据、工况，以供分析处理。计算机 所测数据可按一定时间间隔记录到硬盘上．也可根据用户的 要求在各种条件下存盘．用户可根据需要随时调取有关数据 ［３】李平均．基于ＧＰＲＳ网络的单片机的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ接入［Ｊ】．微电 子学与计算机，２００６，２３（３）：３４—３６，３９ 进行显示、打印。同时还可实现网络发布功能，使各终端通过 Ｗｅｂ访问服务器。实时了解监控数据，同样可以实现各种动 画、表格、曲线的显示．满足不同权限的用户实时了解各站点 工作情况及监测数据的需求。 【４］张娜．Ｉｎｔｏｕｃｈ ８．０组态软件及其应用［Ｊ】．仪器仪表用户， ２００７，ｌ４（６）：ｌ３５－１３６． 【５】李平均，申健，范威基于ＧＰＲＳ网络的单片机的Ｉｎｔｅｒｎｅｔ 接入ｆＪ】．机械工程与自动化，２００６（３）：１５—１７． ５结论 本研究项目针对传统污水监控系统由于监控点位置分 散，通过有线的方式布置系统存在成本过高、缺乏灵活性等 【６】李汉玲．ＧＰＲＳ在污水处理监控系统中的应用叨．机械工程 与自动化，２００８（３）：２２—２４． 【７】郑远锋，何林泰．无人值班变电站遥视系统的应用【Ｊ】．陕西 电力，２００７，３５（７）：３５—４０． 缺点，采用ＧＰＲＳ技术为某污水处理公司设计一套基于 －５２－
