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基于DDS技术的高频正弦波发生器的设计
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1 引言
正弦信号应用极为广泛，通常作为标准信号，用于电子学性能实验及参数测量，故要求正弦波信号发生器输出波形具有较高的精度、稳定度及低失真度。产生正弦信号的方法很多，可以采用函数发生器 MAX038或 ICL8038集成芯片外接分立元件来实现，通过调节外接电容或电阻来设置输出信号频率。但输出信号受外部分立器件参数影响很大，且输出信号频率不能太高，同时无法实现频率步进调节。另外，采用FPGA+D/A可实现正弦信号发生器的设计，同时可实现频率步进调节，但当输出高频信号时，需要高速D/A来配合工作。
本文采用直接数字合成（DDS）技术，采用专用集成芯片 AD9834作为正弦波产生模块，由 C8051F020作为控制器来完成整个系统的设计。实验结果显示：输出信号频率在 1 KHz 至15 MHz，且无明显失真，输出信号频率实现 100Hz、1KHz、10KHz三级步进调节；在 50欧姆电阻负载情况下，输出电压峰峰值在 2.35V至 10.45V之间；同时可实现模拟调幅信号（AM）、模拟调频信号（ FM）、二进制幅移键控信号（ ASK）、二进制频移键控信号（ FSK）及二进制相移键控信号（PSK）的输出； AM信号的调制度以 10%步进调节； FM信号最大频偏为 5KHz/10KHz可选。
2 系统设计
系统总体框图如图 1所示。系统选取集成混合信号 C8051F020单片机作为主控制器，通过键盘与显示控制芯片 7279来接收功能选择、参数设置等信息，并将输出信号频率等信息实时送往数码管显示。同时，控制器将读取的按键信息转换成控制命令通过串行接口送给 AD9834，由 AD9834产生正弦信号、 ASK、PSK、FSK及 FM信号。而 AM信号的产生则由输出的正弦信号与 1KHz的带偏置正弦信号相乘来实现，通过调节直流分量来调节 AM信号调制度。
2.1 正弦信号发生模块
直接数字合成（DDS）技术具有输出信号精度高、变频速度快、输出信号连续、控制方便及性价比高等诸多优点，因而适用于高频、高精度正弦信号发生器的设计。本系统选取AD9834，其工作原理示意图如图 2所示。它由频率字寄存器、相位字寄存器、相位累加器、加法器、正弦 ROM表及DAC组成。在控制时钟信号作用下，累加器将与输出信号频率对应的频率字进行累加，然后与相位字相加以形成最终相位信息。正弦 ROM表则将相位信息转化为幅值信息，然后由 DAC生成正弦信号 。
输出信号频率精度主要由基准频率精度决定。为增大 AD9834输出信号幅值，采用高频运放 AD811进行信号放大。但考虑到输出信号幅值随频率增大而减小的不足，系统采用数控电位计 X9C102来实现可变增益放大，即依据输出信号频率的不同来改变数控电位计的值，以改变增益[8]。可变增益放大器原理示意图如图 3所示。
图中：R1为数控电位计 X9C102的等效电阻值。
2.2 PSK、FSK、ASK信号的产生
AD9834有两个相位字寄存器 PHASE0、PHASE1，可通过片外引脚 PSELECT或片内控制寄存器相关位来选择 PHASE0或 PHASE1中的值作为输出信号的初始相位字。据此，向 PHASE0和 PHASE1分别写入 0和 π所对应的数值（ 000H和 800H），由控制器 C8051F020产生 10kbps的二进制基带序列接到端口 PSELECT上，输出端便可得到二进制 PSK信号。 [p]
同样，AD9834有两个频率字寄存器 FREQ0、FREQ1，可通过片外引脚 FSELECT或片内控制寄存器相关位来选择 FREQ0、FREQ1中的值作为输出信号的频率字。向 FREQ0和 FREQ1分别写入两不同频率所对应的数值，并由控制器 C8051F020产生 10kbps的二进制基带序列接到端口 FSELECT上，输出端便可得到二进制 FSK信号。
而 ASK信号的生成方法与 FSK的生成方法类似，唯一不同的是：须将一个频率字寄存器中写入 0Hz所对应的数值。
2.3 模拟调频（ FM）信号、模拟调幅（ AM）信号的产生
本模块用一个按键实现最大偏频为 5KHz/10KHz二级程控的选择。用 8038产生一个频率为 1kHz、峰峰值为 2V的正弦波作为调制信号，依据按键信息判断是 5K偏频还是 10K偏频，然后单片机 F020的 A/D采集调制信号，利用公式 2把频率转换成数字量写入 AD9834的频率字寄存器中，从而实现模拟调频。
将 8038产生的频率为 1kHz的正弦信号作为调制信号，而控制器 C8051F020的 D/A模块产生直流信号，两信号通过加法电路形成有偏置的正弦调制信号。此信号与 AD9834产生的正弦信号（载波）经乘法器 AD534产生模拟调幅波。通过调节直流信号大小可以改变模拟调幅信号的调制度。
2.4 按键与显示模块
该模块选用键盘显示管理芯片 7279来实现。7279可以自动扫描按键阵列，并将按键信息存储。控制器可以通过串行接口读取按键信息，并可将要显示的信息送入 7279，由 7279自动完成数码管的扫描显示。这种设计既简化硬件连接，又便于软件处理。
2.5 系统软件设计
系统软件设计的总体思想是：控制器读取键盘信息，如果是功能键按下，则根据功能选择执行相应的功能程序段；如果是调节键按下，则暂停信号输出，直至参数设置完毕后，再根据功能选择项输出相应信号。
3 测试结果对本系统最终结果进行了实验测定，结果如表 1所示：
4 结论
本文采用高性能混合信号 C8051F020单片机和 DDS芯片 AD9834实现高频正弦信号发生器的设计，克服了传统方法中输出信号受外界元件参数影响的缺点，同时 AD9834内部集成有高速 A/D，可直接输出正弦信号，避免外接 A/D，简化系统硬件结构，提高了系统稳定性；基于 AD9834频率字及相位字可选的特点，外接部分电路即可产生 AM、FM、ASK、 PSK、FSK等调制信号；AD9834输出正弦信号精度高、稳定性好、输出信号连续、控制方便。将基于上述优点的信号发生器应用于工程实践中，可以提高系统性价比，创造良好的经济效益。同时，基于 DDS技术的信号发生器将获得广泛的应用。
本文作者创新点：利用乘法器将带偏置的正弦调制信号与载波信号相乘以产生 AM信号，通过调节直流分量的大小以调节 AM信号调制度；通过 A/D采集调制信号，依据调制信号幅值信息来改变输出信号频率，从而实现 FM信号的产生。
正弦信号应用极为广泛，通常作为标准信号，用于电子学性能实验及参数测量，故要求正弦波信号发生器输出波形具有较高的精度、稳定度及低失真度。产生正弦信号的方法很多，可以采用函数发生器 MAX038或 ICL8038集成芯片外接分立元件来实现，通过调节外接电容或电阻来设置输出信号频率。但输出信号受外部分立器件参数影响很大，且输出信号频率不能太高，同时无法实现频率步进调节。另外，采用FPGA+D/A可实现正弦信号发生器的设计，同时可实现频率步进调节，但当输出高频信号时，需要高速D/A来配合工作。
本文采用直接数字合成（DDS）技术，采用专用集成芯片 AD9834作为正弦波产生模块，由 C8051F020作为控制器来完成整个系统的设计。实验结果显示：输出信号频率在 1 KHz 至15 MHz，且无明显失真，输出信号频率实现 100Hz、1KHz、10KHz三级步进调节；在 50欧姆电阻负载情况下，输出电压峰峰值在 2.35V至 10.45V之间；同时可实现模拟调幅信号（AM）、模拟调频信号（ FM）、二进制幅移键控信号（ ASK）、二进制频移键控信号（ FSK）及二进制相移键控信号（PSK）的输出； AM信号的调制度以 10%步进调节； FM信号最大频偏为 5KHz/10KHz可选。
2 系统设计
系统总体框图如图 1所示。系统选取集成混合信号 C8051F020单片机作为主控制器，通过键盘与显示控制芯片 7279来接收功能选择、参数设置等信息，并将输出信号频率等信息实时送往数码管显示。同时，控制器将读取的按键信息转换成控制命令通过串行接口送给 AD9834，由 AD9834产生正弦信号、 ASK、PSK、FSK及 FM信号。而 AM信号的产生则由输出的正弦信号与 1KHz的带偏置正弦信号相乘来实现，通过调节直流分量来调节 AM信号调制度。
2.1 正弦信号发生模块
直接数字合成（DDS）技术具有输出信号精度高、变频速度快、输出信号连续、控制方便及性价比高等诸多优点，因而适用于高频、高精度正弦信号发生器的设计。本系统选取AD9834，其工作原理示意图如图 2所示。它由频率字寄存器、相位字寄存器、相位累加器、加法器、正弦 ROM表及DAC组成。在控制时钟信号作用下，累加器将与输出信号频率对应的频率字进行累加，然后与相位字相加以形成最终相位信息。正弦 ROM表则将相位信息转化为幅值信息，然后由 DAC生成正弦信号 。
输出信号频率精度主要由基准频率精度决定。为增大 AD9834输出信号幅值，采用高频运放 AD811进行信号放大。但考虑到输出信号幅值随频率增大而减小的不足，系统采用数控电位计 X9C102来实现可变增益放大，即依据输出信号频率的不同来改变数控电位计的值，以改变增益[8]。可变增益放大器原理示意图如图 3所示。
图中：R1为数控电位计 X9C102的等效电阻值。
2.2 PSK、FSK、ASK信号的产生
AD9834有两个相位字寄存器 PHASE0、PHASE1，可通过片外引脚 PSELECT或片内控制寄存器相关位来选择 PHASE0或 PHASE1中的值作为输出信号的初始相位字。据此，向 PHASE0和 PHASE1分别写入 0和 π所对应的数值（ 000H和 800H），由控制器 C8051F020产生 10kbps的二进制基带序列接到端口 PSELECT上，输出端便可得到二进制 PSK信号。 [p]
同样，AD9834有两个频率字寄存器 FREQ0、FREQ1，可通过片外引脚 FSELECT或片内控制寄存器相关位来选择 FREQ0、FREQ1中的值作为输出信号的频率字。向 FREQ0和 FREQ1分别写入两不同频率所对应的数值，并由控制器 C8051F020产生 10kbps的二进制基带序列接到端口 FSELECT上，输出端便可得到二进制 FSK信号。
而 ASK信号的生成方法与 FSK的生成方法类似，唯一不同的是：须将一个频率字寄存器中写入 0Hz所对应的数值。
2.3 模拟调频（ FM）信号、模拟调幅（ AM）信号的产生
本模块用一个按键实现最大偏频为 5KHz/10KHz二级程控的选择。用 8038产生一个频率为 1kHz、峰峰值为 2V的正弦波作为调制信号，依据按键信息判断是 5K偏频还是 10K偏频，然后单片机 F020的 A/D采集调制信号，利用公式 2把频率转换成数字量写入 AD9834的频率字寄存器中，从而实现模拟调频。
将 8038产生的频率为 1kHz的正弦信号作为调制信号，而控制器 C8051F020的 D/A模块产生直流信号，两信号通过加法电路形成有偏置的正弦调制信号。此信号与 AD9834产生的正弦信号（载波）经乘法器 AD534产生模拟调幅波。通过调节直流信号大小可以改变模拟调幅信号的调制度。
2.4 按键与显示模块
该模块选用键盘显示管理芯片 7279来实现。7279可以自动扫描按键阵列，并将按键信息存储。控制器可以通过串行接口读取按键信息，并可将要显示的信息送入 7279，由 7279自动完成数码管的扫描显示。这种设计既简化硬件连接，又便于软件处理。
2.5 系统软件设计
系统软件设计的总体思想是：控制器读取键盘信息，如果是功能键按下，则根据功能选择执行相应的功能程序段；如果是调节键按下，则暂停信号输出，直至参数设置完毕后，再根据功能选择项输出相应信号。
3 测试结果对本系统最终结果进行了实验测定，结果如表 1所示：
4 结论
本文采用高性能混合信号 C8051F020单片机和 DDS芯片 AD9834实现高频正弦信号发生器的设计，克服了传统方法中输出信号受外界元件参数影响的缺点，同时 AD9834内部集成有高速 A/D，可直接输出正弦信号，避免外接 A/D，简化系统硬件结构，提高了系统稳定性；基于 AD9834频率字及相位字可选的特点，外接部分电路即可产生 AM、FM、ASK、 PSK、FSK等调制信号；AD9834输出正弦信号精度高、稳定性好、输出信号连续、控制方便。将基于上述优点的信号发生器应用于工程实践中，可以提高系统性价比，创造良好的经济效益。同时，基于 DDS技术的信号发生器将获得广泛的应用。
本文作者创新点：利用乘法器将带偏置的正弦调制信号与载波信号相乘以产生 AM信号，通过调节直流分量的大小以调节 AM信号调制度；通过 A/D采集调制信号，依据调制信号幅值信息来改变输出信号频率，从而实现 FM信号的产生。
