基于DDS的幅度调制AM信号发生器设计终稿毕业论文.doc

基于基于 DDSDDS 的幅度调制的幅度调制 AMAM 信号发生器设计信号发生器设计 摘 要 信号发生器发展到今天 在电子测试 电子设计 模拟仿真 通信工程中 扮演着一个相当重要的角色 有着相当广泛的应用 极大加快了电子测试与设计 工作中的效率 在电子技术和信号仿真应用中已发挥了巨大的作用 本文主要介 绍了基于 DDS 的信号发生器的设计情况 这是一个以 MATLAB 为核心来实现信号 发生器的系统 该系统具有结构简单灵活 抗干扰能力强 产生频率较高 应用 广泛等特点 为实现基于 DDS 的数字调制波 提出以调整指数控制字与频率控制字 通过 查表得到所需数字序列的思想与方法 MATLAB 仿真与样机实验表明该方法是行之 有效的 依据时域和频域卷积定理对信号调制与解调过程进行了分析 并用 MATLAB 软件的快捷 方便 准确的特点对其过程进行仿真 得到了比较满意的结 果 将其仿真的过程应用与理论和实验过程中 这样常有利于激发学生的学习兴 趣和全面推进素质教育 创新教育 通过软件调试后 所要求的各种波形都能按要求实现 由于设计的时间短等 原因 本次设计只是原理性的设计 要达到实用 还有许多的工作要做 由于经 验不足 在设计中还有许多不足之处 需要进一步改进 关键词 DSP Builder FPGA D A 转换器 信号发生器 调幅 THE DESIGN OF THE AM SIGNAL GENERATOR BASED ON DDS The Amplitude Modulation ABSTRACT The development of the signal generator today plays a very important role in the electronic testing design simulation and communications projects It widely spread the application speed up the electronic test also it plays a huge role in the electronic technology and the application of the signal simulation This article mainly introduced the situation of the design which based on the DDS signal generator This is a system which based on MATLAB in order to realize the signal generation This system is simple and flexible the anti jamming ability is strong the frequency is high and the application is wide In order to realize the digital modulating wave based on the DDS we proposed the adjusted indexes control word and the frequency control word through the table look up we can find the thought and the method of the digital sequence The MATLAB simulation and the prototypical experiment indicated this method is effective Through the analysis which based on the time domain and the frequency range convolution theorem of the signal modulation and the simulation on MATLAB software which is convenient and accurate we can get a quite satisfactory result The process of the simulation and the experiment of the theory can commonly stimulate the student s studying interest and the comprehensive advancement for all around development the innovation education After the debugging of the software all kinds of profile can realize according to the request Because of the short time and some other reasons this design is only the principle we still have many work need to do in order to achieve the practical use In other words Because of shortage experience there is many deficiencies in the design It also needs some further improve KEY WORDS DSP Builder FPGA D A Converter Signal Generator AM 目录 前 言 无线电技术进行信息传输在现代电子应用中占有及其重要的地位 无线电通 信 电视 雷达 遥控遥测等 都是利用无线电技术传输各种不同信息的方式 在这些信息的传递过程中 都要用到调制技术 所谓调制是在传送信号的以方将 所要传送的信号 附加 在高频振荡器上 再由发送装置进行传送 本文介绍利 用直接数字合成器 DDS 采用 Altera 公司的 DSP 开发工具 DSP Builder 对 AM 调 试信号 FM 调制信号进行建模设计 算法仿真正确后 用 SignalCompiler 工具 将此模型转换成 VHDL 语言源程序 经过分析转换后的 VHDL 程序并将其转换为 ATOM netlist 最后编译 ATOM netlist 至此建模完成 并用 ModelSim 基本单内 核的 VHDL 混合仿真器进行 RTL 级功能仿真 及用 QuartusII 进行门级时序仿真 仿真结果均表明设计的正确性 在设计中选用 Altera 公司含有大量的逻辑资源 现场可编程门阵列 Cyclone 系列器件 EP1C6Q240C8 实现了调制调频信号 高频电子线路是通信及电子工程等专业学生必须的一门专业技术课 课程中 对信号进行调制 解调 混频 滤波等分心处理工程 采用理论推导与计算的教 学方法 课堂气氛相当严肃 沉闷 教学效果差 不利于提高学生素质和培养创 新人才 在理论和实验教学中适时的引入仿真实验辅助教学 并充分利用仿真软 件提供的多种分析功能进行相对深入 细致地分析 加深了学生对理论知识的理 解程度 并且激发了学生获取知识的积极性和主动性 也能克服对调制解调进行 研究时所受到的硬件条件的限制 Matlab 是一种科学的计算软件 它简单易学 书写简洁 编程和调试效率高 人机交互性能好 用解释方式工作 键入程序后可立即得出结果 特别是具有很 强的绘图功能 可以使比较抽象的概念得以直观地展示 繁琐的计算得到大大简 化 近年来已经成为广大科技工作者和教育工作者不可或缺的仿真软件 借助与 Matlab 能使学生把重点放在对概念和方法的理解上 而不是繁琐的公式推导和算 法的编程上 前言应说明本课题的意义 目的 研究范围及要达到的技术要求 简述本课 题在国内外的发展概况及存在的问题 说明本课题的指导思想 阐述本课题应解本课题的指导思想 阐述本课题应解 决的主要问题和采用的研究方法 决的主要问题和采用的研究方法 要求自然 概括 简洁 确切 第 1 章 绪论 1 1 幅度调制的背景 1 1 1 调制技术 把基带信号变换成传输信号的技术 基带信号是原始的电信号 一般是指 基本的信号波形 在数字通信中则指相应的电脉冲 在无线遥测遥控系统和无 线电技术中调制就是用基带信号控制高频载波的参数 振幅 频率和相位 使这些参数随基带信号变化 用来控制高频载波参数的基带信号称为调制信号 未调制的高频电振荡称为载波 可以是正弦波 也可以是非正弦波 如方波 脉冲序列等 被调制信号调制过的高频电振荡称为已调波或已调信号 已调 信号通过信道传送到接收端 在接收端经解调后恢复成原始基带信号 解调是 调制的反变换 是从已调波中提取调制信号的过程 在无线电通信中常采用双 重调制 第一步用数字信号或模拟信号去调制第一个载波 称为副载波 或 在多路通信中用调制技术实现多路复用 频分多路复用和时分多路复用 第二步用已调副载波或多路复用信号再调制一个公共载波 以便进行无线电传 输 第二步调制称为二次调制 用基带信号调制高频载波 在无线电传输中可 以减小天线尺寸 并便于远距离传输 应用调制技术 还能提高信号的抗干扰 能力 调制方式按照调制信号的性质分为模拟调制和数字调制两类 按照载波的 形式分为连续波调制和脉冲调制两类 模拟调制有调幅 AM 调频 FM 和调 相 PM 数字调制有振幅键控 ASK 移频键控 FSK 移相键控 PSK 和差 分移相键控 DPSK 等 脉冲调制有脉幅调制 PAM 脉宽调制 PDM 脉频 调制 PFM 脉位调制 PPM 脉码调制 PCM 和增量调制 M 按照传输特性 调制方式又可分为线性调制和非线性调制 广义的线性调 制 是指已调波中被调参数随调 制信号成线性变化的调制过程 狭义的线性 调制 是指把调制信号的频谱搬移到载波频率两侧而成为上 下边带的调制过 程 此时只改变频谱中各分量的频率 但不改变各分量振幅的相对比例 使上 边带的频谱结构与调制信号的频谱相同 下边带的频谱结构则是调制信号频谱 的镜像 狭义的线性调制有调幅 AM 抑制载波的双边带调制 DSB SC 和单 边带调制 SSB 1 1 2 模模拟拟调调制制 一般指调制信号和载波都是连续波的调制方式 它有调幅 调频和调相三 种基本形式 调幅 AM 用调制信号控制载波的振幅 使载波的振幅随着调制信号变 化 已调波称为调幅波 调幅波的频率仍是载波频率 调幅波包络的形状反映 调制信号的波形 调幅系统实现简单 但抗干扰性差 传输时信号容易失真 调频 FM 用调制信号控制载波的振荡频率 使载波的频率随着调制信号变 化 已调波称为调频波 调频波的振幅保持不变 调频波的瞬时频率偏离载波 频率的量与调制信号的瞬时值成比例 调频系统实现稍复杂 占用的频带远较 调幅波为宽 因此必须工作在超短波波段 但抗干扰性能好 传输时信号失真 小 设备利用率也较高 调相 PM 用调制信号控制载波的相位 使载波 的相位随着调制信号变化 已调波称为调相波 调相波的振幅保持不变 调相 波的瞬时相角偏离载波相角的量与调制信号的瞬时值成比例 在调频时相角也 有相应的变化 但这种相角变化并不与调制信号成比例 在调相时频率也有相 应的变化 但这种频率变化并不与调制信号成比例 在模拟调制过程中已调波 的频谱中除了载波分量外在载波频率两旁还各有一个频带 因调制而产生的各 频率分量就落在这两个频带之内 这两个频带统称为边频带或边带 位于比载 波频率高的一侧的边频带 称为上边带 位于比载波频率低的一侧的边频带 称为下边带 在单边带通信中可用滤波法 相移法或相移滤波法取得调幅波中 一个边带 这种调制方法称为单边带调制 SSB 单边带调制常用于有线载波 电话和短波无线电多路通信 在同步通信中可用平衡调制器实现抑制载波的双 边带调制 DSB SC 在数字通信中为了提高频带利用率而采用残留边带调制 VSB 即传输一个边带 在邻近载波的部分也受到一些衰减 和另一个边带的 残留部分 在解调时可以互相补偿而得到完整的基带 1 1 3 数数字字调调制制 一般指调制信号是离散的 而载波是连续波的调制方式 数字调制的主要要求 已调信号的频谱窄和带外衰减快 易于采用相干 或非相干解调 抗噪声和抗干扰能力强 适宜在衰落信道中传输 它有四种基本形式 振幅键控 移频键控 移相键控和差分移相键控 振幅键控 ASK 用数字调制信号控制载波的通断 如在二进制中 发 0 时不发送载波 发 1 时发送载波 有时也把代表多个符号的多电平振幅调 制称为振幅键控 振幅键控实现简单 但抗干扰能力差 移频键控 FSK 用数字调制信号的正负控制载波的频率 当数字信号 的振幅为正时载波频率为 f1 当数字信号的振幅为负时载波频率为 f2 有 时也把代表两个以上符号的多进制频率调制称为移频键控 移频键控能区分通 路 但抗干扰能力不如移相键控和差分移相键控 移相键控 PSK 用数字调制信号的正负控制载波的相位 当数字信号 的振幅为正时 载波起始相位取 0 当数字信号的振幅为负时 载波起始相位 取 180 有时也把代表两个以上符号的多相制相位调制称为移相键控 移相 键控抗干扰能力强 但在解调时需要有一个正确的参考相位 即需要相干解调 差分移相键控 DPSK 利用调制信号前后码元之间载波相对相位的变化 来传递信息 新型调制技术 线性调制技术 PSK QPSK DQPSK OK QPSK 等 恒定包络调制技术 MSK GMSK GFSK TFM 等 在二进制中通常规定 传送 1 时后一码元相对于前一码元的载波相位变 化 180 而传送 0 时前后码元之间的载波相位不发生变化 因此 解调时只 看载波相位的相对变化 而不看它的绝对相位 只要相位发生180 跃变 就表示传输 1 若相位无变化 则传输的是 0 差分移相键控抗干扰能力强 且不要求传送参考相位 因此实现较简单 脉冲调制 脉冲调制有两种含义 第一种是指用调制信号控制脉冲本身的 参数 幅度 宽度 相位等 使这些参数随调制信号变化 此时 调制信号 是连续波 载波是重复的脉冲序列 第二种是指用脉冲信号控制高频振荡的参 数 此时 调制信号是脉冲序列 载波是高频振荡的连续波 通常所说的脉冲 调制都是指上述第一种情况 脉冲调制可分为模拟式和数字式两类 模拟式脉 冲调制是指用模拟信号对脉冲序列参数进行调制 有脉幅调制 脉宽调制 脉 位调制和脉频调制等 数字式脉冲调制是指用数字信号对脉冲序列参数进行调 制 有脉码调制和增量调制等 由于脉冲序列占空系数很小 即一个周期的绝 大部分时间内信号为 0 值 因而可以插入多路其他已调脉冲序列 实现时分多 路传输 已调脉冲序列还可以用各种方法去调制高频振荡载波 常用的脉冲调 制有以下几种 脉幅调制 PAM 用调制信号控制脉冲序列的幅度 使脉 冲幅度在其平均值上下随调制信号的瞬时值变化 这是脉冲调制中最简单的一 种 脉幅调制是 A H 里夫在 20 世纪 30 年代发明的 在第二次世界大战中期 已付之实用 但后来发现 脉幅调制的已调波在传输途径中衰减 抗干扰能 力差 所以现在很少直接用于通信 往往只用作连续信号采样的中间步骤 脉宽调制 PDM 用调制信号控制脉冲序列中各脉冲的宽度 使每个脉冲的 持续时间与该瞬时的调制信号值成比例 此时脉冲序列的幅度保持不变 被调 制的是脉冲的前沿或后沿 或同时是前后两沿 使脉冲持续时间发生变化 脉 宽调制也是 20 世纪 30 年代里夫发明的 但在无线电通信中一般不用脉宽调 制 因为此时发射机的平均功率要不断地变化 脉位调制 PPM 用调制 信号控制脉冲序列中各脉冲的相对位置 即相位 使各脉冲的相对位置随调 制信号变化 此时脉冲序列中脉冲的幅度和宽度均保持不变 脉位调制在第二 次世界大战中期已付之实用 脉位调制的传输性能较好 常用于视距微波中继 通信系统 脉频调制 PFM 用调制信号控制脉冲的重复频率 即单位时 间内脉冲的个数 使脉冲的重复频率随调制信号变化 此时脉冲序列中脉冲的 幅度和宽度均保持不变 主要用于仪表测量等方面 很少直接用于无线电通信 脉码调制 PCM 1937 年脉幅调制和脉宽调制的发明者 A H 里夫提出用脉 冲的有无的组合来传递声音 后来把这种方法称为脉码调制 但脉码调制到20 世纪 50 年代才开始实用化 脉码调制有三个过程 采样 量化和编码 即先 对信号进行采样 并对采样值进行量化 整量化 再对经过采样和量化后的 信号幅度进行编码 因此脉码调制的本质不是调制 而是数字编码 所以能充 分保证传输质量 由编码得到的数字信号可根据需要再对高频振荡载波进行调 制 脉码调制不是用改变脉冲序列的参数来传输信息 而是用参数固定的脉冲 的不同组合来传递信息 因此抗干扰能力强 失真很小 是现代通信技术的发 展方向 增量调制 M 增量调制是一种特殊的脉码调制 它不是对信 号本身进行采样 量化和编码 而是对信号相隔一定重复周期的瞬时值的增量 进行采样 量化和编码 现在已有多种增量调制方法 其中最简单的一种 是 在每一采样瞬间当增量值超过某一规定值时发正脉冲 小于规定值时发负脉冲 这样每个码组只有一个脉冲 故为二进制一位编码 每个码组不是表示信号的 幅度 而是表示幅度的增量 这种增量调制信号的解调也很简单 只要将收到 的脉冲序列进行积分和滤波即可复原 因此编码和解码设备都比较简单 调制就是对信号源的信息进行处理 使其变为适合于信道传输的形式的过 程 一般来说 信号源的信息 也称为信源 含有直流分量和频率较低的频率 分量 称为基带信号 基带信号往往不能作为传输信号 因此必须把基带信号 转变为一个相对基带频率而言频率非常高的信号以适合于信道传输 这个信号 叫做已调信号 而基带信号叫做调制信号 调制是通过改变高频载波即消息的 载体信号的幅度 相位或者频率 使其随着基带信号幅度的变化而变化来实现 的 而解调则是将基带信号从载波中提取出来以便预定的接收者 也称为信宿 处理和理解的过程 调制在通信系统中有十分重要的作用 通过调制 不仅可以进行频谱搬移 把调制信号的频谱搬移到所希望的位置上 从而将调制信号转换成适合于传播 的已调信号 而且它对系统的传输有效性和传输的可靠性有着很大的影响 调 制方式往往决定了一个通信系统的性能 在通信中 我们常常采用的调制方 式有以下几种 一 模拟调制 用连续变化的信号去调制一个高频正弦波 主要有 1 幅度调制 调幅 AM 双边带调制 DSBSC 单边带调幅 SSBSC 残留边带调制 VSB 以及独立边带 ISB 2 角度调制 调频 FM 调相 PM 两种 因为相位的变化率就是频率 所 以调相波和调频波是密切相关的 二 数字调制 用数字信号对正弦或余弦高频振荡进行调制 主要有 1 振幅键控 ASK 2 频率键控 FSK 3 相位键控 PSK 三 脉冲调制 用脉冲序列作为载波 主要有 1 脉冲幅度调制 PAM Pulse Amplitude Modulation 2 脉宽调制 PDM Pulse Duration Modulation 3 脉位调制 PPM Pulse Position Modulation 4 脉冲编码调制 PCM Pulse Code Modulation 随着通信业务量的增加 频谱资源日趋紧张 为了提高系统的容量 信道 间隔已由最初的 100kHz 减少到 25kHz 并将进一步减少到 12 5kHz 甚至更 小 由于数字通信具有建网灵活 容易采用数字差错控制技术和数字加密 便 于集成化 并能够进入 ISDN 网 所以通信系统都在由模拟制式向数字制式过 渡 因此系统中必须采用数字调制技术 然而一般的数字调制技术 如 ASK PSK 和 FSK 因传输效率低而无法满足移动通信的要求 为此 需要专门 研究一些抗干扰性强 误码性能好 频谱利用率高的数字调制技术 尽可能地 提高单位频谱内传输数据的比特率 以适用于移动通信窄带数据传输的要求 1 2 幅度调制的发展 1 2 1 依据及研究意义 幅度调制 AM 是模拟调制方式之一 它是继 PCM 之后出现的又一种模拟信 号数字化方法 其目的在于简化模拟信号的数字化方法 在以后的三十多年间有 了很大发展 特别是在军事和工业部门的专用通信网和卫星通信中得到广泛应用 不仅如此 近年来在高速超大规模集成电路中已被用作 A D 转换器 幅度调制 AM 接收设备简单 信号带宽较宽 虽然频带利用率不高 但是 AM 制式在通 信质量方面的要求不高 所以能够用在中波和短波的调幅广播中 DSP Builder 是美国 Altera 公司推出的一个面向 DSP 开发的系统级工具 他 作为 Matlab 的一个 Simulink 工具箱 使得用 FPGA 设计 DSP 系统完全通过 Simulink 的图形化界面进行建模 系统级仿真 设计模型可直接向 VHDL 硬件描 述语言转换 并自动调用 Quartus 等 EDA 设计软件 完成综合 网表生成以及 器件适配乃至 FPGA 的配置下载 使得系统描述与硬件实现有机的融合为一体 充分体现了现代电子技术自动化开发的特点与优势 利用可编程逻辑芯片设计 DDS 的方法通常是采用 VHDL 语言输入和原理图法 相结合来设计整个信号发生电路 这种方法通常需要调用很多模块 综合性较强 对设计者要求较高 本文利用 Quartus 和 Matlab Simulink 之间的接口工具 DSP Builder 来设计整个 DDS 系统 DSP Builder 具备一个友好的开发环境 并 且和 Quartus 交互性强 易于使用 设计者只需简单了解 VHDL 描述语言 就可 以直接调用已经建立好的 Matlab 和 Simulink 设计流程 通过 Simulink 的图形 化界面进行建模 系统级仿真 并对调用 Quartus 进行综合 网表生成和适配 最后完成向 FPGA 的配置下载过程 整个设计思路灵活 图形界面简单直观 开 发周期短 因此 以 AM 信号发生器为例 基于 DSP Builder 设计相对于传统的 FPGA 设 计方法具有较高的实用价值 1 2 2 国内外发展状况 DDS 系统由频率控制字 相位累加器 正弦查询表 D A 转换器和低通滤波 器组成 参考时钟一般为高稳定度的晶体振荡器 其输出用于同步 DDS 各组成部 分的工作 AD9852 是由 ADI 公司生产的高性能 DDS 芯片 主要由 DDS 核心 寄存器 DAC 数字乘法器 反辛格函数滤波器 比较器 I O 接口等电路组成 需要产 生一个载波频率为 f0 调制频率为 f 的幅度调制信号 则给 AD9852 输入一个 48 位的频率控制字 产生一个频率为 f0 的固定幅度的载波 AD9852 可以通过数字 乘法器控制输出信号的幅度 要产生一个调制频率为 f 的振幅调制信号 只需产 生一系列随着调制信号幅度变化的幅度控制字 则可直接产生数字式的调幅波 由于系统是通过实时改变 DDS 的幅度控制字和频率控制字 来实现调幅和调 频的功能 因此对控制器的处理速度提出了较高的要求 本设计采用 DSP 芯片 TMS320C31 为控制器 通过键盘和液晶显示作为用户的人机接口 由于 DDS 输出 的信号是通过 DAC 产生的 因此不可避免的存在一些杂散 故需在 DDS 输出级设 计一个低通滤波器 用 AD9852 实现调制信号的产生 突出地体现了直接数字频率合成器的频率 分辨率高 频率转换速度快 输出频谱纯的特点 同时通过控制其调幅 调相 线性调频等功能 可产生多种复杂波形信号 用 FPGA 实现 DDS 较专用 DDS 芯片更为灵活 只要改变 FPGA 中 ROM 内的数据 和控制参数 DDS 就可以产生任意调制波形 且分辨率高 具有相当大的灵活性 将 DDS 设计嵌入到 FPGA 芯片所构成的系统中 其系统成本并不会增加多少 而 购买专用芯片的价格则是前者的很多倍 所以采用 FPGA 设计 DDS 系统具有很高 的性价比 综上所述 采用幅度调制技术设计信号发生器能够在传输速度 抗干扰性 电路复杂程度等方面有很大的优点 所以基于 DDS 技术设计的幅度调制 AM 信号 发生器具有一定的实用性 第 2 章 硬件系统设计 2 1 AM 信号的产生 2 1 1 DDS AM信号序列产生方法 要用DDS原理得到调幅波 必须先产生载波信号序列和调制信号序列 如图1调 幅信号产生框图 图中fr为全局时钟频率 首先以载波频率控制字Kc经过第一级波 形查找表 产生载波信号序列Uc 同样以调制频率控制字K 经过第二级波形查 找表 产生调制信号序列U 输出数模转换的信号序列U0必是Uc U 载波幅 度控制字Ac和调制指数控制字A 的函数运算结果 图1DDS AM波产生框图 设载波信号Uc t U CMcos 2 fc t fc为载波频率 由DDS基本原理 设查找表地 址位数为x 存储空间P0 2x 则载波频率控制字Kc fcP0 fr 载波离散信号Uc iTr UCMcos ziKc P0 同理可得调制信号控制字K f P0 fr 调制离散信号U jTr U Mcos 2jK P0 在调制信号频率较低时 通过降低 fr来提高调制信号的精度 在实际应用中 AM 的调制信号一般比较小 因此可通过对 fr分频使调制信号保持较高的精度 图 1 中设计了一个分频器 其分频系数为Z 则调制信号频率控制字 K Zf P0 fr 必然调制波累加次数 j 与载波累加次数 i 之间存在关系 j floor i z floor 为向负无穷取整运算符 由外 MCU 计算得到载波幅度控制字 Ac和调制 指数控制字 A 此时图 1 中的载波离散信号和调制离散信号为 U c iTr UCMcos 2iKc P0 2 1 2调制指数控制字分析及 MATLAB仿真 由已调幅波的振幅定义 ka为比例常数 因此 已调波可以用下式表示 式中 ma ka U M UCM为调制指数 在图 1 中设数模转换的位数为l 乘法器取 l l 位 在波形查找表 1 2 中存储 标准波形U b UM cost UM为数模转换输出的最大振幅 设载波幅度控制字 Ac UCM UM 调制指数控制字A maUCM UM 则 UAM t UM A c A co s t cos t 所以DDS调幅信号序列表达式 且调幅指数 ma A U M UCM 为了便于 Matlab6 5 仿真 令 P0 1024 fr 4000Hz l 10 显然只要改变频率控制 字 载波幅度控制字 调制指数控制字就可得到符合自己要求的调制波 图 2 上 图给出了取载波频率为 200Hz kc 51 调制频率为 20Hz Z 4 k 20 调幅指数 为 0 9 的波形图和频谱图 图 2 下图给出了取载波频率为 100Hz kc 26 调制频 率为 6Hz Z 15 k 23 调幅指数为 1 0 的波形图和频谱图 此频谱结构与其他方 法合成的调频信号的频谱结构是一致的 图 2 MA TLAB 仿真图 2 1 3 DDS AM 波 FPGA 设计及实验 图3给出了DDS调幅信号发生器的核心QuartusIIFPGA设计电路图 图中 add1 add2是12bit加法器和12bitD寄存器dff1 dff2 分别构成调制波相位累加器 载波相位累加器 每一 个时钟 相位累加 器累加频率控制字 产生波形查找表地 址 rom1存储载波波形数据 rom 2存储调制波 形数据 均为4K 10bit的余弦波 每一个调制信号系统时 钟 zclk调制波相位 累加器累加一次 rom2输出数据 与调 制指数控制字Am 9 0 相乘 输出数据dm 17 0 取高10bit与载波幅度控制字Ac 9 0 在 add3中相加 add3输出一个10bit数的 结果 mult2为8bit 10bit的乘法器 其作用是把add3输出结果与rom1输出数据相乘 得到已调制信号的离散序列 再经 过data conversion模块转换成 DAC器件 的数据格式输出 完成整个调制过程 在系统时钟为100 MHz时 为确保调制波形 不失真 一周取10个点 载波频率可达10 MHz 调制信号频率范围 可达0 100kHz 调制 指数范围可自0 未调制 到1 百分百调幅 图3 DDS AM的FPGA设计 为了简化仿真和实验 取全局时钟频率1 5MHz 设置载波频率取为 100kHz 调制信号取1 6kHz 调制指数为0 5 相位累加器 rom有效数据和数模转化位数 都为8bit 管教绑定 2 2 FPGA 软件设计思想 2 2 1 DDS 的工作原理 直接数字频率合成技术是根据奈奎斯特取样定理 从连续信号的相位 出发 将一个信号取样 量化 编码 形成一个信号函数表 存于ROM 中 合成时 通过改变相位累加器的频率控制字 来改变相位增量 而相位增量的不同将导致 一个周期内取样点的不同 从而改变频率 6 在采样频率不变的情况下 通过改 变相位累加器的频率控制字 将这种变化的相位 幅值量化的数字信号通过D A变 换及LPF Low pass Filter 低通滤波器 即可得到合成的相位变化的模拟信号频 率 16 n为相位累加器ROM查找表D A转换LPF低通滤波器 时钟信号Fclk 频率控制字K 输出F 图3 1 DDS的基本结构图 DDS 的基本结构如图所示 主要由相位累加器 波形ROM DAC 以及低通 滤波器等组成 N位相位累加器在取样时钟的控制下与频率控制字K 所决定的相 位增量相加 相位累加器的高位输出作为波形ROM 的地址 实现波形相位到幅 值的转换 波形数据经DAC 转换成模拟量 通过滤波器输出相对平滑的波形 本设计就是运用DDS技术做的信号发生器 2 2 2 软件设计原理总图 以下图 4 2 是 FPGA 部分软件总原理框图 Location PIN 222 OptionValue VCC rsr INPUT Location PIN 29 OptionValue VCC m12 INPUT Location PIN 21 Location PIN 41 Location PIN 128 Location PIN 132 Location PIN 133 Location PIN 134 Location PIN 135 Location PIN 136 OptionValue dout 7 0 OUTPUT rst din 7 0 r ready bo1 1 0 px3 8 0 pd1 2 0 fd2 6 0 change inst rst n 8 0 clk dout 11 0 dizhi inst1 address 11 0 clock q 7 0 fangbo inst2 clk n 2 0 dclk pinxuan inst5 clk rx sig1 q 7 0 rxd3 inst6 address 11 0 clock q 7 0 sanjiao inst7 sanjiao 7 0 zhengxuan 7 0 fabo 7 0 n 1 0 dout 7 0 xuan3 1 inst8 address 11 0 clock q 7 0 zhengxuan inst10 GND Cyclone inclk0 frequency 50 000 MHz Operation Mode Normal Clk Ratio Ph dg DC c012 250 0050 00 inclk0c0 pll5 2 inst3 clk40clk8 fenpin160 inst11 din 7 0 clk fuzhi 6 0 dout 7 0 fuzhi inst13 clk40clk8 fenpin3 inst9 L1 1 0 L2 11 0 L3 6 0 L1 1 0 L3 6 0 L2 11 0 图 2 6FPGA 设计原理框图 2 2 3 FPGA 软件设计原理 FPGA 的软件设计数据的来源是串口由 LabVIEW 发送来的波形参数 首先 做一串口的接收程序 并把接收到的数据转换成波形数据 在这里每一波形数据 为 7 个字节 即七个 8 位二进制数 每当从串口接收到 7 个字节 就相当于收到 了一组新的波形指令 把这些波形指令解码后波形类型参数送到一个波形选择模 块 3 选 1 模块 以选择产生想要波形 频率系数参数送到地址发生器模块 用 于地址发生器的地址发生间隔 地址间隔不同频率就不一样 频段参数送到一个 频选模块 分频模块 根据频段参数进行分频 就是对地址发生器的地址发生 频率进行分频 频段越高 频率越小 分别为 10 分频 100 分频 1000 分频 10000 分频 100000 分频 1000000 分频 对应着频段 200KHz 20KHz 2KHz 200Hz 20Hz 2Hz 峰峰值参数送到幅值模块 由于 ROM 查询表里的波形数据为最大数据 因此幅值模块相当于一个除法器 根据 峰峰值参数来得到正确的峰峰值 这就是整个 FPGA 部分的设计思想 17 2 4 数模转换电路及芯片 DAC0832 LM324 数模转换电路也是该系统的重要组成部分 其中 DAC0832 芯片为电流输出方 式的转换芯片 所以它的输出必须接有实现从电流到电压的转换的运放电路 芯 片的数据锁存允控制输入端 ILE 接高电平 数据转送控制端 XFER 置低电平 这 样只要通过对 CS WR1 WR2 的控制 即可决定芯片是否处于直通状态 输入口 ID0 ID7 与单片机输出信号端 P2 口连接接收信号 信号选择端 CS 由单片机的 P3 4 控制 两个写选通信号端 WR1 WR2 相连 由 P3 5 口控制 转换出的模拟信号从 输出端 I OUT1 输出与运算放大器 LM324 芯片的 1 号输入端连接 DAC0832 是 8 位双缓冲 D A 转换器 片内带有数据锁存器 可与微处理器直 接接口 电流输出 建立时间 1uS 单电源 5V 15V Vref 输入端电压 10V Vref 10 分辨率 8 位 功耗 20mW 为便于 DAC0832 的使用 特将其应用特性总结如下 DAC0832 是微处理器兼容型 D A 转换器 可以充分利用微处理器的控制能力实 现对 D A 转换的控制 这种芯片有许多控制引脚 可以和微处理器的控制线相连 接受微处理器的控制 如 ILE CS WR1 WR2 XFER 端 有两级锁存控制功能 能够实现多通道 D A 的同步转换输出 DAC0832 内部无参考电压源 须外接参考电压源 DAC0832 为电流输入型 D A 转换器 要获得模拟电压输出时 需要外加转换电 路 从 a 点输出电压为 0 5V b 点输出为 5V 电压 分辨率为 8 位 电流稳定时间 1us 可单缓冲 双缓冲或直接数字输入 单一电源供电 5V 15V DIP 封装如图 2 4 所示 DAC0832 CS WR1 AGND DI3 DI2 DI1 DI0 VREF Rfb DGND VCC ILE WR2 XFER DI4 DI5 DI6 DI7 MSB IOUT2 IOUT1 图22 1 图 2 2 DIP 封装 管脚定义如表 2 1 所示 表 2 1 管脚定义 管脚名功能 ILE 数据允许信号 高电平有效 CS 输入寄存器选择信号 低电平有效 VREF 参考电压输入 WR1 输入寄存器写选通信号 低电平有效 WR2 DAC 寄存器写选通信号 低电平有效 XFER 数据传送信号 低电平有效 D0 D7 数据输入 IOUT1 IOUT2 电流输出线 AGND 模拟信号地 DGND 数字信号地 RFB 反馈信号输入 操作原理 内部逻辑图如图 2 5 所示 图 2 3 内部逻辑图 操作方法 当 XFER 为低电平 WR2 输入负脉冲时 则在 LE2 产生正脉冲 LE2 为高 电平时 DAC 寄存器的输入与输出寄存器状态一致 LE2 的负跳变 输入寄存器 内容存入 DAC 寄存器 DAC0832 的输出是电流型的 在控制系统中 通常需要电压信号 电流信号 可以通过运算放大器转换为电压信号 设计中用到的 LM324 是一种比较常见的集成运算放大器 它的两个输入端分 别为同向输入端和反向输入端 这里的同向与反向是指运放的输入电压与输出电 压之间的相位关系 其内部逻辑及外观如图 2 6 所示 12 3 4 OUTPUT1 INPUT1 1234567 8910 11 121314 INPUT1 INPUT2 INPUT2 INPUT3 INPUT3 INPUT4 INPUT4 OUTPUT2 OUTPUT3OUTPUT4GND V 图 2 4 LM324 在设计中我们仅仅用到了 1 个运算放大器 从单片机产生的数字信号通过 D A 转换电路得到的模拟信号传输给 LM324 经放大后从 1 口输出 2 5 LED 数码显示电路 一 一 数码显示的控制是用芯片74HC164来完成此功能的 74HC164 为8 位移位寄存器 其主要电特性的典型值如下 表2 2 74hc164电特性 型号 Fm Pn 74164 36MHz 185mW 54 74hc164 36 MHz 80mW 当清除端 CLEAR 为低电平时 输出端 QA QH 均为低电平 串行数 据输入端 A B 可控制数据 当A B 任意一个为低电平 则禁止新数据输入 在时钟端 CLOCK 脉冲上升沿作用下QA为低电平 当A B有一个为高电平 则另一个就允许输入数据 并在CLOCK上升沿作用下决定QA的状态 引出端符号 CLOCK 时钟输入端 CLEAR 同步清除输入端 低电平有效 A B 串行数据输入端 QA QH 输出端 逻辑及封装图 图图 2 5 双列直插封装 图 2 6 内部逻辑 本设计中两个 74HC164 分别控制数码管的显示和选通 其中控制选通信号的 74HC164 的输出端 QA QH 通过电阻 三极管与数码管的共阴极连接 用 P1 2 口控 制 CLOCK 脉冲信号 另一个则通过电阻直接与数码管连接输送显示的数字 P1 1 口控制 CLOCK 脉冲信号 它们的 CLEAR 端都始终接高电平 A B 两输入端相连共 同接到 P1 0 口上 二 二 显示器是最常用的输出设备 特别是发光二极管显示器 LED 和液晶显示 器 LCD 由于结构简单 价格廉价和接口容易 而得到广泛的应用 尤其是 在单片机系统中大量应用 本设计中用到的是 LED 下面分别介绍发光二极管显 示器 LED 的接口设计和相应的程序设计 LED 结构与原理 发光二极管显示器是单片机应用产品中常用的廉价输出设备 它是由若干个 发光二极管组成显示的字段 当二极管导通时相应的一个点或一个笔划发光 这 样就能显示各种字符 常用的七段 LED 显示器的结构如图 2 8 所示 LED 数码 显示器有两种结构 将所有发光二极管的阳极连在一起 称为共阳接法 公共端 comm 接高电平 当某个字段的阴极接低电平时 对应的字段就点亮 而将所有 发光二极管的阴极连在一起 称为共阴接法 公共端 comm 接低电平 当某个字 段的阳极接高电平时 对应的字段就点亮 如图 2 9 每段所需电流一般为 5 15mA 实际电流视具体的 LED 数码显示器而定 图2 7 引脚与符号 图2 8 共阳极和共阴级 下面介绍使用译码器或软件译码的一些接口电路 点亮LED 显示器有静态和动态两种方法 所谓静态显示 就是显示某一字符时 相应的发光二极管恒定得导通或截止 这种方法 每一显示位都需要一个8 位的输出口控制 占用的硬件较多 一般仅 用于显示位数较少的场合 所谓的动态就是一位一位地轮流点亮各位显示器 对每一位显示器而言 每 隔一段时间点亮一次 利用人的视觉留感达到显示的目的 显示器的亮度跟导通 的电流有关 也和点亮的时间与间隔的比例有关 动态显示器因其硬件成本较低 而得到广泛的应用 为了显示字符和数字 要为LED 显示器提供显示段码 或称 字形代码 组成一个 8 字形的7段 再加上一个小数点位 共计8 段 因此提 供LED 显示器的显示段码为1 个字节 各段码的对应关系如下 表2 3 各段码对应关系 段码位D0D1D2D3D4D5D6D7 显示段DpCDEFABG 设计中用到的是动态显示 用 LED 显示器显示十六进制数和空白及 P 的显示段 码 从 LED 显示器的显示原理可知 为了显示字母数字 必须最终转换成相应段 选码 种转换可以通过硬件译码器或软件进行译码 其中的共阴极接法在设计中 得以应用 单片机信号通过移位寄存器 74HC164 输出 8 位信号由三极管放大信号 与数码管的共阴极连接 控制数码管的显示 第 3 章 软件系统设计 2 1 系统组成及实现功能 2 1 1 建立设计模型 首先需要建立一个新的设计模型 步骤如下 1 打开 Matlab 环境界面如图所示 可以看到 Matlab 的主窗口界面被分 割成三个窗口 命令窗口 工作区 命令历史记录 在命令窗口 可以输入 Matlab 命令 同时获得 Matlab 对命令的响应信息 出错警告提示等 2 建立工作库 在建立一个新的设计模型前 最好先建立一个新的文件 夹 作为 work 目录 并把 Matlab 当前的 work 目录切换到新建的文件夹下 可 以使用 Windows 在外部建立 也可以使用 Matlab 命令来完成这些操作 例如在 Matlab 主窗口中的命令窗口中输入 cd e mkdir myprj sinwave cd myprj sinwave 其中 e myprj sinwave 是新建的文件夹 是用来为 Matlab 工作目录的 Mkdir 是一个建立新目录的 Matlab 命令 cd 是切换工作目录的 Matlab 命令 3 了解 simulink 库管理器 当成功地把 Matlab 当前目录切换到新建的 设计目录后 可以在 Matlab 命令窗口输入 simulink 命令 开启 Matlab 的图形 化建模仿真环境 simulink 4 simulink 的模型文件 打开 simulink 库管理器后 需要新建一个 simulink 的模型文件 在 simulink 的库管理器中选择 File 菜单 在出现的菜单 项中选择 New 在弹出的子菜单中选择新建模型 Model 以此类推 画出 AM 调制原理图 图 2 2 2 2 AM 调制器系统设计方案 2 2 1 DDS 原理 AM 设计 实现调幅调频信号的核心是正弦波信号的产生 频率控制 模拟幅度调制信 号 模拟频率调制信号等功能都是围绕该信号展开的 在设计中采用DDS技术产 生不同频率的正弦波 以实现调幅调频信号 DDS是以数控的方式产生频率 相位和幅度可以控制的正弦波 如图1所示为 基本DDS结构 由相伴位累加器 相位调制器 正弦ROM查找表 D A构成 相位累加器是整个DDS的核心 完成相位累加运算 相位累加器的输入是相 位增量B凹 只要对相位的量化值进行简单的累加运算