正弦信号发生器

1、题号：A武汉理工大学第六届电工电子创新设计大赛设计报告题目：正弦信号发生器参赛者：王琳学院班级：信息学院电子1002联系方式：1312992895评分标准：项目满分基本要求设计与总结报告：方案比较、设计与论证，理论分析与计算，电路图及有关设计文件，测试方法与仪器，测试数据及测试结果分析。50仿真完成情况50发挥部分完成第（1）项10完成第（2）项10完成第（3）项10完成第（4）项10特色与创新10正弦信号发生器（A题）摘要本设计是以FPGA为核心，Msp430F2618超低功耗单片机作为系统控制器。在FPGA上应用直接数字频率合成技术(DDFS)技术，数字调制技术产生所需要的波形，通过Msp

2、430单片机和FPGA通信控制设置各种参数。本设计充分利用FPGA的片上资源，提高了系统的稳定性，和抗干扰能力，又充分发挥了单片机的控制优势搭建良好的人机交互界面。AbstractThe design is based on FPGA as the core Msp430F2618 ultra-low-power microcontroller as a system controller. Applications on the FPGA direct digital synthesis (DDFS) technology, digital modulation technique to g

3、enerate the required waveform set various parameters by Msp430 microcontroller and FPGA communication control. The design takes advantage of the FPGA on-chip resources, to improve the stability of the system, and anti-jamming capability. Give full play to the advantages of microcontroller control to

4、 build a good man-machine interface.1. 方案论证与比较1.1方案论证与比较方案一：使用DDS合成集成芯片AD9852作为核心器件，该方案具有频谱纯度高，集成度高等特点。由于AD9852自带有48为相位累加的数控振荡器，会产生低相噪，高稳定的频率波形输出。但它只直接提供了多种数字调制功能，对于二进制ASK，和二进制FSK，调制相对简单，而要实现模拟线性的AM，FM调制具有较大的难度。方案二：基于FPGA的SOPC片上可编程嵌入式系统。该方案以高速的FPGA为数字平台，基于直接数字频率合成和数字调制原理，在其中嵌入32位的NIOS II CPU软核，同时加入其

5、它的IP核，诸如液晶驱动，键盘驱动模块，实现系统的高集成化及复用。该方案资源利用率高，可复用性好，可配置性强等特点，可实现功能强大，性能稳定的系统。但是对于系统的设计能力要求太高，软件调试复杂，NIOS II编译慢，开发周期相对较长。方案三：基于单片机和FPGA相结合的方式。以FPGA为数字处理核心，直接应用直接数字频率合成技术，和数字调制技术产生所需的波形，而单片机则作为波形参数设置，液晶显示的控制。FPGA的控制完全由单片机的控制字来实现，简单可靠，调试简单，在保证系统的精度和稳定度的前提下，又可以实现很好的人机交互界面。系统框图如下图1-1：图1-1 基于单片机和FPGA相结合的系统方案

6、1.2方案的确定综合考虑以上三种方案的优缺点、软件的开发难度和软件的开发周期以及考虑到题目的发挥部分要求。我们采用第三种方案。基于单片机和FPGA相结合的方案，单片机和FPGA通信简单可靠，对于液晶的显示，和波形的参数设计也非常容易，从而可以缩短了设计的时间，以及做更多的扩展功能。2. 系统设计和理论分析2.1总体设计思路本系统根据题目要求，以FPGA为核心，利用直接数字频率合成技术，产生题目要求的不同频率的正弦波，应用数字调制技术在FPGA内实现AM,FM,ASK,FSK的调制。通过单片机MSP430和FPGA通信，来由单片机直接控制FPGA，大大的减少了FPGA的控制复杂度，同时由单片机把

7、数据显示在屏幕上，实现良好的人机交互界面。2.2数字部分2.2.1各模块的实现（1）正弦波产生模块实现原理：如下图2-1所示，相位累加器为32位的累加器，输出为0（232-1），取高12位作为正弦查找表的输入地址。正弦表存储了一个周期的正弦波212个点的数据，即存储深度为4096，输出宽度为8位，所以wave7.0输出的就八位的正弦波。其频率由“频率控制字”控制。图2-1 正弦波发生框图（2）调制系统实现原理1).AM调制通过正弦波模块产生载波和1K的调制波信号，通过对AM信号的幅值调节来调节调幅度，再进行直流叠加后和载波相乘即AM调制。AM硬件实现原理如下图2-2图2-2调幅硬件框图2).F

8、M调制调制波产生模块，通过对1KHz的正弦波经幅频变换，正弦波的最大值对应10KHz,最小值对应-10KHz。通过频偏控制开关选择5KHz和10KHz调频控制字。在已调波产生模块中，调制波模块输出的调频控制字与载波频率控制字相加得混合频率控制字，再经频率累加器，正弦表查询，输出即为FM波。FM硬件实现原理图如下图2-3图2-3调频硬件框图3).ASK调制ASK调制由M序列和100KHz载波相乘实现，通过移位寄存器随机输出0,1序列，在M为1时，输出载波信号，在M为0时输出0。ASK硬件实现原理图如下图2-4图2-4 ASK硬件框图4).PSK调制PSK调制由M序列选择不同相位控制字和载波相乘，

9、在M为1时，输出载波信号，在M为0时将载波信号相位偏移180度。PSK硬件实现原理图如下图2-5图2-5 PSK硬件框图（3）频率稳定度的实现我们采用50MHz,频率误差不会超过10-6的晶振作为频率参考源，经FPGA内部的PLL倍频得到200MHz作为系统主频。（4）显示及键盘模块的实现显示及键盘模块通过单片机MSP430控制，再通过MSP430和FPGA通信将频率控制字，频偏选择控制字，调制方式控制字送给FPGA。2.3模拟部分（1）数模转换模块的实现自制电阻网络(R-2R)DA如下图2-6所示，A0-A11在电阻网络上流过的电流In=Vo/1000,但在输出端形成的电压Vn=In*100

10、0*2n。在电阻网络的输入端用反向器74HC04来增大电流的输出能力。图 2-6 电阻网络(R-2R)DA（2）电压幅度调节的实现由于FPGA的输出电压只有3.3V，为了达到发挥部分的要求，我们在输出采用运算放大器搭建的正向放大器，Vout=1+R3R5,R3为滑动变阻器。调节R3和R5的比，即可以达到输出6V的要求。图2-6 电压幅度调节电路2.4理论分析和计算根据题目要求，频率范围为1KHz-10MHz，步进为100Hz，我们扩展题目的要求，产生1Hz-20MHz的波形输出。根据输出频率:fOUT= fclk2MFTW最小分辨率为：fmin= fclk2M其中M为相位累加器的位数，FTW为

11、频率控制字，fclk为系统时钟，输出信号的频率由频率控制字FTW控制。当FTW不断增加时，fout可以不断增加，但是考虑到采样定理，fout应该小于fclk/2。根据实际情况，一般fout应该不应该小于fclk/5。刚开始用的DA是DAC902，所以fclk受到模数转换部分的影响，不能达到200MHz的时钟频率，而且高频特性很不好。所以我采用电阻网络来搭建DA，高频特性很好，所以不需用考虑到fclk的时钟问题。综合考虑。选取200MHz的时钟频率，则在最高10MHz的时候依然有20个点。经过后级处理后无明显失真。选取相位累加器位数M=32,频率分辨率为:fmin= fclk2M = 2

12、5;108232=0.046566(Hz)这样可以很简单的实现1Hz-100Hz的步进。AM调制度的理论分析与实现。对于AM信号S（t）=Ac×1+mtcos（c）t其中Ac用来确定功率电平，mt为调制信号调制度=Amax-AcAc×100%从而可通过FPGA改变调制信号和载波信号的幅度比就可以任意调制度调制。3. 软件设计利用FPGA产生正弦信号发生模块，AM模块，FM模块，ASK模块，FSK模块。过MSP430将键盘的选择，和各种控制字通过模拟SPI协议送给FPGA。图 3-1 软件流程图4.系统测试4.1测试条件测试环境：室温约25°C测试仪器：EM1715

13、A 直流稳压电源 RIGOL DS5062MAE 数字示波器 60MHz 1GSa/s RIGOL DG1011 DDS信号发生器 60MHz 300MSa/s4.2测试方法及结果正弦波频率范围及其稳定度测试标称频率实测频率平均频率频率稳定度第一次第二次第三次10Hz10101010<10-6100Hz100100100100<10-61KHz1.0001.0001.0001.000<10-610KHz10.00010.00010.00010.000<10-650KHz50.00049.99949.99949.9992×10-5100KHz100.0099.9

14、9899.99899.9992×10-5500KHz499.99499.99499.99499.992×10-51MHz999.98999.98999.98999.982×10-55MHz4.99994.99994.99994.99992×10-510MHz9.99989.999810.0009.99992×10-515MHz15.00014.99914.99914.9996×10-5 (2)正弦波幅度范围测试频率1KHz50Khz100KHz200KHz300KHz400KHz幅度/v6.876.746.666.416.226.14

15、频率500KHz1MHz2MHz5MHz10MHz12MHZ幅度/v6.135.985.765.435.175.09 (3) AM调制度测试载波频率设置调制度实测调制度100KHz10%基本无偏差50%100%1MHz10%基本无偏差50%100%10MHz10%基本无偏差50%100%(4)FM调制频偏1K-10K测试由于实验设备有限，FM调制在示波器上看不太出来，所以在十七楼实验室用无线通信分析仪验证一下FM频偏的准确性，由于时间有限只测试了频偏1K载波100K的频谱，如下图4-1所示。图 4-1 100KHz频偏1KHz图(5)ASK测试图图4-2 500KHz的ASK调制图(6)PSK测试图图