在通信、廣播、電視系統(tǒng)中，都需要射頻發(fā)射，即載波，把音頻、視頻信號或脈沖信號運載出去，這就需要能產生高頻信號的振蕩器。正弦波振蕩電路在各個科學技術部門的應用是十分廣泛的。在工業(yè)、農業(yè)、生物醫(yī)學等領域(如高頻感應加熱、熔煉、淬火，超聲波焊接、超聲診斷、核磁共振成像等)都需要功率或大或小、頻率或高或低的振蕩器。

本系統(tǒng)以直接數(shù)字合成(DDS)芯片為信號發(fā)生核心，以單片機為控制和人機界面核心，使用FPGA作為控制核心，組成一個具有多種信號輸出能力的信號發(fā)生電路?？奢敵鲱l率可調的正弦信號、調頻信號、調幅信號和數(shù)字調制輸出信號等，具有廣泛的應用前景[1-2]。

1 系統(tǒng)總體設計方案和工作原理

系統(tǒng)整體框圖如圖1。單片機接收用戶的模式選擇和參數(shù)設置值并經(jīng)過程序處理后送入FPGA。在FPGA中預先構建了實現(xiàn)各種功能的功能模塊。DDS控制模塊用于控制DDS芯片AD9851產生相應頻率的無調制正弦波及調頻正弦波；DAC7611控制模塊用于控制DAC7611數(shù)模轉換器并為DAC904數(shù)模轉換器提供基準電壓；二進制基帶碼控制模塊用于將用戶輸入的二進制基帶碼轉換為串行數(shù)據(jù)，便于后續(xù)處理；數(shù)字調制控制模塊用于判斷用戶選擇的數(shù)字調制方式，并結合二進制基帶碼模塊輸出的數(shù)據(jù)，輸出不同的相位值給ROM中的正弦波表，實現(xiàn)輸出數(shù)字調制信號；DAC904用于D/A轉換輸出數(shù)字調制信號。

2 FPGA內部控制模塊及其實現(xiàn)

2.1 DDS控制模塊

AD9851是ADI公司的專用DDS芯片，采用CMOS生產的具有高集成度的直接數(shù)字合成器，內置32 bit頻率累加器、10 bit高速DAC、高速比較器和可軟件選通的時鐘6倍頻電路。外接參考頻率源時，AD9851可以產生頻譜純凈、頻率和相位都可控且穩(wěn)定度非常高的正弦波。

相位累加器的位數(shù)為N，相位控制字的值為FN，頻率控制字的位數(shù)為M，頻率控制字的值為FM，F(xiàn)c為AD9851內部時鐘頻率。此時，最終合成信號的頻率和相位可由式(1)和式(2)來決定：

FPGA中DDS控制模塊的功能主要是對AD9851寫控制字，使其輸出正弦、AM、FSK、FM波。功能的切換通過寫入不同的控制字得以實現(xiàn)，頻率數(shù)據(jù)由P0、nWR、CS、Addr等微機標準接口寫入。對AD9851的操作由FQD、WCK、Dout、RST輸出口與芯片數(shù)字接口實現(xiàn)。實現(xiàn)FM時，需要在中心頻率周圍產生5 kHz/10 kHz的頻偏，這要求模塊輸出的頻率控制字要隨調制信號幅度變化而變化，在模塊的輸入端給出了當前的頻率控制字增量，模塊讀入這個增量與中心頻率控制字相加，即可得到當前頻率控制字，也即實現(xiàn)了FM。

2.2 幅度調制模塊

實際控制調幅度AM時，保持載波信號幅度不變，控制調制信號的幅度，就可以實現(xiàn)AM在10％～100％之間調節(jié)。通過控制DAC7611輸出信號幅度，即控制DAC904的參考電壓，達到控制調制度的效果。可以通過一個模擬乘法器AD835電路實現(xiàn)調幅信號，且載波信號頻率可以做得很高，也比較容易實現(xiàn)。

2.3 頻率調制模塊

在軟件實現(xiàn)時，根據(jù)調頻信號變化的規(guī)律采用數(shù)字方式控制DDS正弦波發(fā)生器的頻率控制字，存在一個單獨的ROM模塊中，直接作用于輸出波形的頻率值，即實現(xiàn)了對信號源頻率的調制。

由單片機輸入中心頻率和最大頻偏后，啟動數(shù)字FM，F(xiàn)PGA內部時鐘單元將產生一個128 kHz的時鐘，用于累加8 128 bit正弦波表地址，得出相應正弦幅度量化值。該幅度值一方面作為輸出信號輸出至外部D/A的數(shù)據(jù)端口，用于恢復正弦信號；另一方面作為頻率控制字的計算依據(jù)，根據(jù)相應公式計算出頻率控制字。寫時序控制器在時鐘的作用下將生成的頻率控制字寫到DDS芯片AD9851內，從而產生一個頻率與正弦信號幅度成比例的調頻信號。

2.4 數(shù)字調制模塊

在具體的編程實現(xiàn)過程中，在FPGA內設置二進制基帶碼模塊和數(shù)字調制控制模塊。通過二進制基帶碼模塊，將鍵盤輸入的0、1值轉換為串行數(shù)據(jù)，便于后續(xù)處理。通過數(shù)字調制控制模塊判斷用戶選擇的方式為ASK、PSK還是FSK，結合二進制基帶碼模塊輸出的數(shù)據(jù)，輸出不同的相位值給ROM中的正弦波表，實現(xiàn)輸出數(shù)字調制信號。

對于ASK，將載波信號與二進制基帶信號相乘；對于PSK，用二進制基帶信號控制載波的相位，當二進制基帶信號的上升沿(下降沿)到來時，載波反相，其他時間相位不變，得到的輸出經(jīng)D/A轉換后就是PSK信號，對于FSK，0、1各代表不同的頻率值，二進制基帶信號控制頻率控制字。

假設載波固定頻率為100 kHz，基帶序列碼速率為10 kb/s，當實現(xiàn)2ASK時，如果基帶序列為1碼，應輸出5個正弦載波，為0則應輸出零電平?？蓪⒒鶐蛄械乃俾士刂妻D為控制當序列符號為1時能輸出正弦波的數(shù)量，而載波的頻率是通過向自制DDS信號源寫入載波頻率控制字實現(xiàn)的。因此，當確定載波頻率時，從單片機輸入一個數(shù)字x表示當序列符號為1時能輸出正弦波的數(shù)量，則可確定基帶序列碼的速率。如圖2所示，數(shù)字x通過din[7..0]輸入并存儲到了模塊內部一個寄存器中，內部一個計數(shù)器從0開始計數(shù)，每當計滿x-1，計數(shù)器清零，并且使內部一個標志位flag取反。當flag為1時，輸出端口adr-out[9..0]輸出一定規(guī)律的連續(xù)地址查表RAM-1 024 B存儲器(里面存的是正弦波表)，控制輸出正弦載波；當已輸出x個時，flag取反為0，則控制輸出一個固定地址到RAM-1 024 B，這個固定地址里存為0值，則此時輸出0電平。循環(huán)下去即可實現(xiàn)2ASK調制。同理，當選擇輸出2PSK時，每當flag取反一次則將輸出的正弦載波反相一次，則就實現(xiàn)了2PSK調制。當選擇輸出2FSK時，每當flag取反一次，則分別將兩個頻率控制字送入自制DDS信號源，從而控制輸出了兩個頻率相互變化的2FSK輸出。

3 電路調試及仿真

電路調試采用計算機仿真和硬件調試相結合的方式，以QuartusII 5.0為設計環(huán)境，用Verilog HDL硬件描述語言編程，完成各個功能模塊的設計，并對設計好的各個模塊進行仿真測試，再將各個模塊相互連接。分配好FPGA的各個引腳后，對文件編譯并將生成文件下載到FPGA中，完成設計。

3.1 軟件仿真

在FPGA內編譯后，仿真時序如圖3所示。

②2ASK波形記錄如圖7所示。
③2FSK波形記錄如圖8所示。

4 系統(tǒng)軟件設計

本機用戶界面設計采用多鍵切換方式，即每個工作模式都由一個對應的按鍵去觸發(fā)，觸發(fā)后再設置輸出頻率、調制度等參數(shù)，單片機根據(jù)用戶輸入的參數(shù)對硬件進行相應設置，主要包括寫頻率控制字、寫幅度控制字等。軟件流程如圖9所示。

本文介紹的多功能正弦信號發(fā)生器可以輸出頻率可調的正弦波以及調制度可調的AM、FM、FSK、PSK、ASK波。實驗證明，使用這種方法產生的波形具有穩(wěn)定及高精度的特點，有一定的開發(fā)和生產價值。