正弦信号发生器实验报告.doc

正弦信号发生器设计报告第六小组 刘西洲 高超嵩 张莹摘要：本正弦信号发生系统，由MSP430F149最小系统、数字频率合成器（DDS）AD9852模块、 LCD液晶显示屏、按键构成。利用数字频率合成器（DDS）AD9852模块实现了直接数字频率合成技术（DDS），产生稳幅正弦波，并在数字域实现了AM、FM、ASK、PSK等四类调制信号。关键词：正弦信号 DDS LCD显示一、 方案设计与论证1、正弦信号输出方案采用直接数字合成（Direct Digital Synthesizer）方案。DDS 的原理框图如图1所示。图1.DDS原理框图DDS技术频率分辨率高、转换速度快、信号纯度高、相位可控、输出信号无电流脉冲叠加、输出可平稳过渡且相位可保持连续变化。DDS合成的频率频率稳定度好、精确度高，且DDS容易精确控制，所以我们选择DDS方案进行频率合成。2、频率合成模块直接数字频率合成。直接数字频率合成DDFS（Direct Digital Frequency Synthesizer）基于Nyquist定理，自己编写产生正弦波点值软件，生成128点后存入存储器中，通过寻址查表输出波形数据，再经D/A转换，滤波，恢复原波形。DDFS 中大部分部件都属于数字电路，集成度高、体积小、功耗低、可靠性、性价比高，易调试，输出线性调频信号相位连续，频率分辨率高，转换速度快，价格低。其频率稳定度和可靠性优于其它方案，故采用该方案。3、信号调制方案采用MSP430F149模块控制DDS。这样通过MSP430单片机在数字域实现频率合成然后通过DAC形成信号波形。由于信号都是由MSP430单片机在数字域进行处理，可以很方便的将FM和AM等调制在数字域实现。所有调制电路的功能都由MSP430单片机片和DDS内的数字逻辑电路来实现，整个系统的电路设计大为简化，同时由于数字调制避免了模拟调制带来的误差和干扰，大大提高了调制的性能，而且硬件电路设计的软件化，使得电路设计的升级改进工作大为简化。4、 显示模块采用点阵型（128 64）液晶显示模块KM12864，虽然占用I/O口多，控制复杂，但功能强大，可以显示汉字及简单图形，内置8192 个中文汉字（16X16 点阵）、128 个字符（8X16 点阵）及64X256 点阵显示RAM（GDRAM）。可设计出清晰的菜单，提供全面的信息，功耗低，界面友好，控制灵活，使系统智能化、人性化。二、硬件设计1、硬件设计（1） 系统框图如下图用户设置MSP430F149控制字数据DDS及调制电路模块/信号输出键盘输入图2.系统框图（2）键盘输入 4X4键盘矩阵图3.键盘矩阵图（3）MSP430F149最小系统MSP430F149最小系统与键盘输入和DDS模块相连，负责整个系统的控制。（4）DDS及调制电路模块AD9852ASV最高工作频率为300MHZ，由于其工作电流很大导致发热很厉害，所以将系统工作频率设为200MHZ。晶振频率为20MHz，当10倍频选项使能后，系统工作频率可达到200MHz。本系统通过单片机控制AD9852频率控制字实现频率合成，经低通滤波器滤除噪声和杂散信号就可得到比较纯正的正弦信号。同时，由软件产生调制正弦波信号点值，并行输入改变DDS芯片频率控制字，就可实现调频，基本不需要外围电路，且最大频偏可由软件任意改变。AD9852负责在数字域实现正弦波（载频）的合成、FM和AM调制信号（经过离散化的）的合成产生ASK和PSK的调制信号并完成ASK、PSK的调制和FM、AM调制，然后控制DAC输出波形。2、电路连线图图4.硬件连接图三、软件设计设计目的：接收用户键盘输入的数据（信号参数的预制、选择和步进）和控制指令，控制液晶显示，向MSP430F149发送数据及控制指令，控制输出信号波形。设计思路：MSP430F149主单片机完成对AD9852的控制和人机交互控制。48位数据分六次发送，系统以键盘为控制信息输入，MSP430F149获取键盘信号后，处理区别不同的状态，按照程序流程图，对系统进行控制，以达到题目要求。本程序设计了一级菜单结构、10个按键及友好提示界面（键盘输入，液晶显示）。用户可通过键盘选择菜单项设置输出信号的参数（频率、调制度、频偏等），或选择输出信号（正弦波、调幅波、调频波等）。当用户选择输出时，程序把设置的参数送至MSP430F149，并对MSP430F149发出控制命令使其输出需要的信号。由于系统由软件调频，要求频率变化的控制迅速，故采用并行方式控制AD9852修改AD9852的频率控制字, 提高速度，实现较好的调频效果。图5.系统软件流程图图6.按键流程图四、理论分析与参数设计1、载频参数计算本题要求：正弦波输出频率范围：1kHz10MHz；具有频率设置功能，频率步进为100Hz；输出信号频率稳定度优于10-4；在负载电阻上的电压峰-峰值Vopp1V；用示波器观察时无明显失真。2、AM调制参数设计本题要求：产生1KHz的正弦调制信号；在1MHz10MHz范围内调制度ma可在10%100%之间程控调节，步进量10%。3、FM调制参数设计本题要求：产生1KHz的正弦调制信号；在100kHz10MHz频率范围内产生10kHz最大频偏，且最大频偏可分为5kHz/10kHz二级程控调节。4、ASK/PSK调制参数设计本题要求：产生码速率为10kbps的二进制基带序列信号，载波频率为100kHz。ASK、PSK调制和AM，FM调制共用一套本振（即合成正弦信号的DDS模块），所以通过设定频率控制字可设置载波频率为需要的100kHz。而码率为10kbps二进制基带序列信号则可以通过预置好的移位寄存器循环移位获得。五、指标测试1、测试仪器： LDS20205数字示波器、YB43020模拟示波器2、测试方案：(1) 模块测试 将系统的各模块分开测试，调通后再进行整机调试，提高调试效率。 (2) 系统整体测试 将硬件模块和相应的软件的进行系统整机测试。依据设计要求，分别对输出波形、输出电压峰峰值、输出频率输出测试。(3)基本要求测试正弦波频率范围测试将输出端接50负载，对输出电压进行测试，测试数据见下表：设置频率/Hz实测频率/HzVpp/V1K9995.8410K10.0K5.80100K100k5.841M1M5.685M5.00M6.7210M10.0M6.8频率步进设置测试在题目要求的范围内选取1kHz测试点进行测试。测试结果见下表。初始频率/Hz步进值步进级数实测频率(Hz)1k100Hz+31.30K50KHz+4201K100Hz-3700201K50KHz-351K频率稳定度：使用了晶体振荡器为振荡源。输出电压幅度：频率/Hz1K100K10M输出电压Vopp/V5.845.846.8输出波形失真观测： 通过观察示波器，观察输出波形无明显失真。(4)发挥部分测试幅度调制信号调制度测试采用调制度测量仪对系统输出信号进行测试，测试结果见下表。调制信号频率(Hz)载波频率(Hz)设置调制度ma(%)实测调制度ma(%)80010M2020.980010M4038.480010M100100调制度步进测试通过键盘输入改变，观察得本系统提供的预置调制度，10%调制度增减步进均可正常工作。频率调制信号频偏测试调制信号频率(kHz)载波频率(Hz)设置最大频偏(kHz)实测最大频偏(kHz)800100k54.5109.0150K55.01010.0PSK、ASK调制测试从示波器上同时观察PSK、ASK信号波形，可观察到产生正确的PSK、ASK信号，且有二进制基带信号的产生。六、结论经测试，由MSP430F149、数字频率合成器（DDS）AD9852模块、 LCD液晶显示屏、按键构成的正弦信号发生器达到了题目提出的所有要求，并在大部分指标上有所超越。由于采用了较为灵活的设计方案，本系统具有结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展性强的特点，并且调试相对容易，进度可控制性强。在测试的过程中，出现了一些问题，首先，正弦波调制信号频率未达到题目要求的1KHz，最大频率为800Hz左右，出现这个问题的原因是在程序设计的过程中，对于调制信号产生过程中程序设