三相信号发生器.doc

题目：G_低频三相函数信号发生器作者：摘要本系统基于直接数字频率合成（DDS）技术，系统以ALTERA公司的Cyclone系列的FPGA为数字平台，以TI的MSP430F169系列的单片机作为控制核心，频率范围20Hz300KHz，频率稳定度优于10-5，最小步进1Hz，频率精度优于0.1%。采用OPA552运放使得10k负载上的电压峰-峰值Vopp20V。利用DDS原理同时产生FM调制波形及占空比可控、频率可预置、步进为1Hz的矩形波波形。经仿真与实际测量均满足题目要求。AbstractThe system ,using the Cyclone series FPGA as a digital bench,mainly controlled by Microprocessor Control Unit MSP430F169,is based on Direct Digital Frequency Synthesize (DDFS) technology .The frequence generated ranges from 20Hz to 300KHz and step in 1Hz ,while the stability equals to 10-5 and the Frequency accuracy equals to 0.1% .The use of Operational Amplifier OPA552 results in a stable voltage 20V on 10k loads. At the same time , it can also generate the FM signal and PWM wave ,the Duty- cycle of which can be controlled, the frequency of which can be preferenced and step in 1Hz .According to the simulation and the actual measurement ,it meets the requirements .一、方案论证与比较1、频率合成模块方案一、数字锁相环频率合成技术，组成框图如A-1，锁相环主要由压控振荡器，环路滤波器，鉴相器组成，可与可编程分频器和晶体振荡器一起构成频率合成电路。频率稳定度与晶体振荡的稳定度相同，达10-5，集成度高，稳定性好，但锁相环锁定频率较慢，即频率转换时间较长，且有稳态相位误差。故放弃此方案。图A-1 数字锁相环频率合成方案二、采用基于直接数字频率合成的专用芯片AD9852。该方案具有频谱纯度高、集成度高等特点。由于AD9852自带48位相位累加的数控振荡器，会产生低噪声、高稳定的频率输出波形。但它只直接提供了实现多种数字调制的功能，像二进制PSK、二进制FSK，这类调制方式实现起来比较简单，二要实现模拟线性调制FM具有一定的难度。故此方案也不采用。方案三、采用基于FPGA的直接数字频率合成。其组成框图如图A-2。直接数字频率合成(DDS)，具有频率切换速度快，频率分辨率高、可编程全数字化、相位连续、转换速度高、控制方便且有输出任意波形的能力等优点。用FPGA实现DDS技术比较灵活，可以产生多种调制方式，多种组合方式。故采用此方案。图A-2 基于FPGA的直接数字频率合成2、 单片机控制、显示及输入模块单片机控制模块采用TI的16位超低功耗MSP430系列的单片机，它相比于51系列的单片机具有灵活强大的处理能力、丰富的存储器及外设、超低功耗及有功能强大易于使用的开发工具等特性。显示模块采用点阵型（12864）液晶，可以显示汉字和简单，可设计出清晰地菜单，提供全面的信息，功耗低、界面友好，控制灵活。键盘输入模块采用PS/2键盘输入，类似电脑的键盘输入，按键方便、灵活，同时可以节省单片机的IO口。二、系统设计与理论分析1、总体设计思路单片机从键盘获得控制信息，通过计算得到控制字并通过IO口送给FPGA的频率和相位的控制端口，同时，将信息显示在LCD上。FPGA输出信号通过DA转换产生预置频率和相位的正弦信号或FM已调信号，经过低通滤除谐波分量和杂散信号后得到正弦信号或FM已调信号。然后将该正弦信号或FM已调信号送至功率放大模块放大，使输出信号满足在10k负载电阻上的电压峰-峰值Vopp20V的题目要求。系统结构图如图A-3。图A-3 系统结构框图2、各模块实现原理（1）三相正弦波产生模块实现原理如图A-4，相位累加器为40位的累加器，输出为为0（240-1），取其高八位作为ROM查表的地址输入端，ROM表中存放一个周期的正弦内的256个点的数据。fout1fout3为1、2、3路信号的输出，频率控制字控制输出频率的大小，相位控制字1控制1、2路得信号相位，相位控制字2控制2、3路得信号相位，fclk为系统时钟，公式计算由理论分析给出。图A-4 三相正弦波产生系统框图（2）FM调制系统实现原理调频信号的产生充分利用FPGA的内部资源，由FPGA产生稳定精确的10KHz载波，同样利用DDS原理产生100Hz1000Hz调制信号，由单片机输入最大频偏控制字实现最大频偏的控制。图A-5 FM调制系统实现原理框图（3）矩形波模块实现原理 矩形波形由是锯齿波和占空比控制字来实现，鉴于题目要求频率可变，可以使利用DDS实现锯齿波从而实现频率可变的锯齿波，同时通过改变占空比控制字来实现占空比的改变。图A-6矩形波模块实现原理框图（4）电压及功率放大电路的实现由题目要求实现在10K负载时峰峰值大于20V，则可以估算要求输出电流较小约为1.414mA，因此仅用一般大电流输出运放即可满足要求。本设计从成本考虑采用免费申请的TI公司运放OPA552,其带宽达12MHz可以满足题目要求（030KHz）范围。另外，由于单极性DA的选择，运放还包括单双极性波形变换的功能。图A-7 电压及功率放大电路3、理论分析与计算（1）正弦波频率精度的分析DDS的输出频率fo和参考时钟fR、相位累加器长度n以及频率控制字FSW的关系为：fofRFSW/2n ,DDS的频率分辨率为fo=fR/2n ，设计中fR=50MHz, n=40(即采用40位累加器)，计算得fo约为0.0000454735Hz，即便在频率很低1Hz的情况下也远远超过题目精度要求（0.1%）。（2）相位精度分析DDS的相位分辨率为360/2n ，设计中n=40,计算得P很小，即理论上相位误差很小可忽略。（3）调频波精度分析FM的载波及调制波形精度与正弦波精度相同，设计中将最大频偏设置为15KHz。（4）矩形波的频率精度由于其原理也是利用DDS设计，因此其精度与正弦波一致。三、软件设计单片机方面使用功能强大的“IAR Assembler for MSP430”编译软件，主要负责键盘输入处理，LCD显示及频率相位控制字的计算。FPGA方面采用QuartusII中的原理图输入和Verilog语言进行设计，主要负责三相正弦波、FM调频信号和矩形波信号的产生。总体软件流程如图A-8。图A-8 软件流程图四、仿真测试1、三相正弦信号和矩形波信号的仿真仿真时钟设置为50MHz，仿真时长200us；初始化频率20KHz；初始化相位三路各相差120；初始化矩形波频率20KHz，占空比0.25。截图如A-9。图A-9三相正弦信号和矩形波信号的仿真2、调频FM信号的仿真仿真时钟设置为50MHz，仿真时长200us；载波为10KHz，调制信号为1KHz，最大频偏为15KHz，截图如图A-8。图A-10调频FM信号的仿真3、单片机控制、显示及键盘输入的仿真该模块采用Protues7.2仿真软件进行仿真，由于该模块中没有MSP430的单片机的模型，所以我们采用程序和MSP430一样的51单片机进行仿真，键盘采用矩阵键盘形式，LCD还是12864的图形点阵，仿真截图如图A-11。设置三相正弦波频率为20KHz，相位三路各相差120；矩形波频率20KHz，占空比0.25，FM载波为10KHz，调制信号为1KHz，最大频偏为15KHz，用仿真示波器观察最后送给FPGA的串行控制字组（一共有7组），截图如图A-11。 图A-11 单片机控制、显示及键盘输入的仿真五、结语本次设计的低频三相信号源，主要运用了DDS基本原理，利用单片机作为主控，FPGA作为信号产生模块，设计的三相正弦信号、FM调频信号和矩形波信号，经仿真测试和实际测量（测量结果见附件）符合题目给定的基本要求和发挥部分。六、参考文献1 沈建华 杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践 北京：清华大学出版社,2008.2 康华光. 电子技术基础 模拟部分（第五版）北京: 高等教育出版社 2006 3 杜慧敏, 李宥谋, 赵全良. 基于Verilog的FPGA设计基础 西安: 西安电子科技大学出版社, 2006附件：一、实测数据记录测试仪器示波器：日立牌双踪模拟示波器计数器：E312B型通用计数器表一 输出正弦波幅度范围的测试设置频率（Hz）实测频率（Hz）峰峰值（V）误差20.019.99921.500.0050000%100.0100.00021.410.0000000%500.0500.00021.400.0000000%1000.0 1.000000K21.380.0000000%5000.04.999998K21.350.0000400%10000.09.999999K21.300.0000100%20000.019.999994K21.120.0000300%100000.0100.000000K20.820.0000000%300000.0299.999998K20.210.0000007%表二 输出正弦波频率范围与稳定度的测试设置频率（Hz）第一次计数数值（Hz）第二次计数数值（Hz）第三次计数数值（Hz）20.019.99920.00020.001100.0100.000100.000100.000500.0500.000500.000500.0001000.01.000000K999.999999.9975000.04.999998K4.999998K4.999997K10000.09.999999K9.999995K9.999995K20000.019.999994K19.999992K19.999990K100000.0100.000000K99.999950K99.999970K300000.0299.999998K299.99981K299.99979K表三 输出矩形波频率范围的测试设置频率（Hz）实测频率（Hz） 误差20.019.9990.0050000%100.099.9950.0050000%500.0499.9980.0004000%1000.0999.9960.0004000%5000.04.999990K0.0002000%10000.09.999990K0.0