信号源的设计和制作毕业设计解读文档格式.docx
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信号发生器频率歩进占空比
Signalsourcedesignandproduction
Abstract:
Thisarticledescribesthebasicprinciplesandworkflowofthesignalgenerator,inthefieldofelectronicinformationtechnology,oftenusesomeofthesignalasameasurementofthereferencesignalorinputsignal,butalsotheso-calledsource.Thequalityofthesignalsourcetoalargeextentdeterminetheperformanceofthesystem,oftencalledthe"
heart"
oftheelectronicsystem.Withthedevelopmentofelectronictechnology,thesignalsourcetotheoutputfrequencyuptoevenhighermicrowavefrequencybandsandfrequencyresolutionofmHzorevensmaller,thecorrespondingfrequencypointsmorefrequencyswitchingtimeofthens-levelhighspectralpurity,frequencypower,volume,weight,havehigherrequirements.Toachievehigh-performancesignalsourcemustbeanewbreakthroughintechnologymeans.Theaboveperformancerequirementsofthesource,researchandproductionofafrequencyandahigherresolution,lessconversiontime,higherspectralpurityofthesignalgeneratorhasbecomethefocusofwidespreadconcern.DDStechnology-basedproductscanbegoodtoachievetheaboveperformancerequirementsoftoday'
stechnologybetterandfasterdevelopmentofequipment,itisinthiscontext,high-precisionsignalgeneratorcameintobeing.
Keywords:
SignalgeneratorFrequencyofstepperDutycycle
.
目录
前言1
1方案论证1
1.1波形产生1
1.1.1正弦波产生2
1.1.2方波产生2
1.2幅度调整2
2主要电路设计与计算2
2.1系统原理总图2
2.2直接数字合成3
2.2.1DDS的基本原理4
2.3FPGA信号发生部分4
2.3.1正弦波5
2.3.2方波6
2.4波形处理部分6
2.4.1正弦波6
2.4.2方波7
2.5FSK信号输出7
2.6单片机控制电路设计7
2.6.1主要功能介绍8
2.7调幅模块设计9
2.7.1MC1496内部结构9
2.8幅度控制10
3软件设计11
3.1软件实现思想11
3.2软件流程图12
4系统调试13
4.1硬件电路调试13
4.1.1调试过程13
4.1.2调试经验总结13
4.2软件调试13
4.3总调试13
5结束语15
参考文献17
前言
本系统基于DDS工作原理并对累加器与地址存储器等加以优化,利用FPGA编程实现DDS硬件功能,实现了题目要求产生频率可调正弦波、占空比可调脉冲的设计目的。
以单片机(AT89S51)为核心,实现对波形、频率、脉冲占空比、幅度调整等的选择与连续控制。
同时,将设定的参数和相关信息通过LCD12864显示。
所设计的信号发生器由振荡电路、稳幅电路、正弦波调幅电路、电压比较电路、脉冲波调幅电路组成。
采用RC振荡方式产生振荡信号,通过二极管IN4148和运放TL082实现振荡信号稳幅,调幅之后输出正弦波信号,再经电压比较器和调幅电路实现脉冲波的占空比和幅度的变化。
采用了多级电阻和多级双联电位器实现频率的分段和步进。
信号发生器技术发展至今,引导技术潮流的仍是外国的几大仪器公司,如日本横河、Agilent、Tektronix等.美国的FLUKE公司的FLUKE-25型函数发生器是现有的测试仪器中最具多样性功能的几种仪器之一,它和频率计数器组合在一起,在任何条件下都可以给出很高的波形质量,能给出低失真的正弦波和三角波,还能给出过冲很小的方波,其最高频率可以达到5MHZ,最大输出幅度也达到10Vpp。
国内也有不少公司已经有类似的仪器。
如南京盛普仪器科技有限公司的SPF120DDS信号发生器,华高仪器生产的HG1600H型数字合成函数/任意波形信号发生器。
1方案论证
本系统需设计制作一个能产生正弦波及脉冲波的信号源。
其中要求信号频率在20HZ到20KHZ(可适当扩展到100KHZ)范围内实现程控步进可调,步长做到1HZ,脉冲波占空比在2%到98%间可实现步长为2%的程控调整,同时要求幅度可调,波形性能良好。
综合这些因素,可知本系统的核心在于波形的产生(包括频率与占空比的控制)及幅度的程控。
因此,方案考虑如下。
1.1波形产生
1.1.1正弦波产生
方案一:
采用函数发生器(如MAX038)产生波形,方法较为简便易行,但此方法产生的波步长进度较低且稳定度不高。
方案二:
采用锁相技术,通过VCO的频率锁定实现对波的步进及稳定性的高精度控制,但难以使输出频率范围达到要求,且硬件电路较为复杂不易调整,不适于产生低频信号。
方案三:
采用单片机控制查表实现,单片机既作为控制器,又作为信号发生器,节省了硬件开支,但为达到精度对单片机要求相对较高且存储空间较大。
方案四:
采用FPGA编程实现数字式频率合成(DDS),频率带宽较宽,频率转换时间较短,分辨率较高,可控性好。
综上考虑,我们采用了方案四,实现正弦波的产生及频率控制。
1.1.2方波产生
采用硬件电路直接振荡产生(如555芯片电路),产生的波频率较为稳定,但步进调整十分复杂,不利于精确控制。
采用先产生正弦波,后经比较起比较得到。
这样可以提高精度,但电路较复杂,成本高,调试不方便。
采用FPGA直接计数分频得到,此法在保证范围满足要求时,使步进及占空比精度得到较大的提高,且实现要求所需硬件较低。
综上,采用方案三,达到产生脉冲波及其占空比控制的目的。
1.2幅度调整
利用VCA810、AD603等程控放大芯片,搭建电路实现。
此法在步进调整时较为方便,易于控制,但调整精度不足。
利用DAC0832或DAC0800等芯片实现控制要求。
电路连接较为方便,可调整度高,精度满足要求。
综合考虑,取用方案二。
2主要电路设计与计算
2.1系统原理总图
图2.1-1系统原理总图
2.2直接数字合成(DDS)
直接数字合成(DirectDigitalSynthesis、DDS)是一种新的频率合成技术和信号产生的方法。
直接数字频率合成器(DDS)具有超高速的频率转换时间,极高的频率分辨率和较低的相位噪声,在频率改变与调频时,DDS能够保持相位的连续,因此很容易实现频率、相位和幅度调制。
此外,DDS技术大部分是基于数字电路技术的,具有可编程控制的突出优点。
因此这种信号产生技术得到了越来越广泛的应用,很多厂家已经生产出了DDS专用芯片,这种器件成为当今电子系统及设备中频率源的首选器件。
例如ANALOGDEVICES公司的AD9850
就是一个可以工作在125MHz时频率的,具有10bitDAC的DDS芯片。
AD9854是一个可以工作在300MHz时钟频率,具有I/Q两路12bitDACDDS芯片。
当今通信系统迅速发展,软件无线电成为很热门的话题,DDS在这些系统中都成为很重要的一门技术。
有兴趣的同学可以参考上面提到的两款芯片资料,了解当今DDS系统。
2.2.1DDS的基本原理
DDS的原理框图如图2.2.1-1所示。
图中相位累加器可在每一个时钟周期来临时将频率控制钟字(TUNINGWORD)M累加一次,如果记数大于2N,则自动溢出,而只保所决定的相位增量留后面的N位数字于累加器中。
正弦查询表ROM用于实现从相位累加器输出的相位值到正弦幅度值的转换,然后送到DAC中将正弦幅度值的数字量转变为模拟量,最后通过滤波器输出一个很纯净的正弦波信号。
图2.2.1-1DDS原理框图
2.2.2DDS的各组成部分的具体参数及其相互关系
作为频率信号源,DDS系统的输出频率范围、频率分辨率、频率稳定度、波形的谐波失真等是我们主要关心的指标。
由于电路复杂性、价格及现有技术条件的限制,我们不可能无限地提高这些指标,那么这些限制关系是怎样的呢?
下面我们做一些简要的分析。
相位累加器的位数N、数模转换比特数n、时钟频率fc及其稳定度、LPF的特性等是决定DDS系统指标的重要参数。
事实上,我们可以认为DDS系统是模拟信号转化成数字信号的逆过程,即是将单频正弦模拟信号采样、量化的逆过程。
单频正弦模拟信号的频率对应于DDS系统的输出信号频率,采样频率对应于DDS系统的时钟频率fc,量化比特数对应于DDS系统的数模转换比特数n。
2.3FPGA信号发生部分
2.3.1正弦波
正弦波实现框图如下图所示:
图2.3.1-1正弦波实现框图
在此系统部分中,我们对传统DDS发生器进行了两点改进:
第一点,传统直接数字频率合成器的累加器采用。
可溢出的L位累加器(或称相位累加器)产生正弦函数的相位变量
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