电子测量技术课程设计
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电子测量技术课程设计 本文从DDS基本原理出发,利用FPGA来产生正弦波,可以实现频率和相位的控制和调节。相对于现在的DDS芯片,FPGA更加的灵活和方便。同时,也是未来得发展方向。
一、设计要求 1.基本要求 (1)制作完成一路正弦波信号输出,频率范围20Hz~20kHz; (2)具有频率设置和频率步进功能,频率步进10Hz; (3)输出信号频率稳定度优于10-5,用示波器观察时无明显失真; (4)输出电压幅度:在10kΩ负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥20V; (5)数字显示正弦波的电压有效值、频率等,电压有效值精度5%,频率精度0.1%。 2.发挥部分 (1)将正弦波输出信号扩展到三相输出,波形无明显失真,频率可调范围扩展到1Hz~30kHz,频率步进1Hz; (2)在上述信号频率范围内,任两相间的相位差在0°~359°范围内可任意预置,相位差步进1°; (3)在1Hz~30kHz频率范围内,增加矩形波输出信号,频率可任意预置,频率步进2Hz,频率精度0.05%;矩形波信号的占空比可以预置,占空比步进3601,当占空比为41时,误差≤±3602; (4)信号发生器能输出载波频率约为10kHz的调频信号输出,要求调制信号频率在100Hz~1kHz频率范围内可变,用示波器观察载波信号无明显失真;
二、设计方案
方案一:用专用的DDS芯片ADI公司的AD9959,AD9959可以实现最多16电平的 频率、相位和幅度调制,还可以工作在线性调频、调相或调幅模式。AD9959的应用范围包括相控阵列雷达/卢纳系统、仪表、同步时钟和RF信号源,并且有4路带10位DAC的DDS通道,最高取样频率为500 MSPS,完全可以满足题目要求。 方案二:FPGA实现DDS技术,把DDS中的ROM改用SRAM,SRAM作为一个波形抽样数据的公共存储器,只要改变存储波形信息的数据,就可以灵活地实现任意波形发生器。
方案比较:方案一中使用到专用的DDS芯片,利用专门DDS芯片开发的信号源比较多,它们输出频率高、波形好、功能也较多,但它们的ROM里一般都只存有一种波形(正弦波),加上一些外围电路也能产生少数几种波形,但速度受到很大的限制,因此使用不是很灵活。用FPGA设计DDS电路比采用专用DDS芯片更为灵活。因为只要改变SRAM中的数据,就可以产生任意波形,因而具有相当大的灵活性。FPGA芯片还支持在线升级,将DDS设计嵌入到FPGA芯片所构成的系统中,并采用流水线技术,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。因此,采用FPGA来设计DDS系统具有很高的性能价格比。因此我们选择方案一。
三、单元模块设计 本系统由FPGA、单片机控制模块、键盘、LCD液晶显示屏、DAC输出电路和稳压电源电路构成。用FPGA实现直接数字频率合成技术(DDS),产生正弦波、方波、三角波,合成FSK、ASK、PSK、AM、FM 等信号。采用单片机ATMAGE128控制直接数字频率合成器(DDS)的工作、按键及显示。整个系统结构紧凑,电路简单,功能强大,可扩展性强 1. 系统框图
2、FPGA DDS模块(参考附录) 3、单片机最小系统级显示电路 AVCC64PEN1AREF62CND63(ADC0)PF061(ADC1)PF160(ADC2)PF259(ADC3)PF358(TCK/ADC4)PF457(TMS/ADC5)PF556(TD0/ADC6)PF655(TD1/ADC7)PF754GND53VCC52(AD0)PA051(AD1)PA150(AD2)PA249PE0(RXD0/PD1)2PE1(TXD0/PD0)3PE2(XCK0/AIN0)4PE3(OC3A/AIN1)5PE4(OC3B/INT4)6PE5(OC3C/INT5)7PE6(IT3/INT6)8PE7(ICP3/INT7)9PB0(SS)10PB1(SCK)11PB2(MOSI)12PB3(MISO)13PB4(OC0)14PB5(OC1A)15PB6(OC1B)16(AD3)PA348(AD4)PA447(AD5)PA546(AD6)PA645(AD7)PA744(ALE)PG243(A15)PC742(A14)PC641(A13)PC540(A12)PC439(A11)PC338(A10)PC237(A09)PC136(RD)PG134(A08)PC035(WR)PG033PD7(T2)32PD6(T1)31PD5(XCK1)30PD4(ICP1)29PD3(TXD/INT3)28PD2(RXD/INT2)27PD1(SDA/INT1)26PD0(SCL/INT0)25XTAL124XTAL223GND22VCC21RESET20PG4/TOSC119PG3/TOSC218PB7(OC2/OC1C)17U1ATMEGA128DATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5DATA6GND1VCC2VO3D/I4R/W5E6DB07DB18DB29DB310DB411DB512DB613DB714CS115CS216REST17VOUT-18LED+19LED-20LCD12864LCD2LCD12864VCCRP210~20kR210VCCDATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5DATA6DATA7DIECS1CS2RESTDATA7A1B2C3D4E5F6G7N14M13L12K11J10I9H8J4CON2*733.3uf40.1UF520K70.1UF639K110KVCC23.3uf12J3CON212J2CON2EDICS1CS2INPUTOUTPUTRESTINPUTOUTPUT1234J1CON41234J5CON4
VCC
123456789J6CON9
VCC
4、DA转换器模块 5、3路OPA452,后级运算放大电路 21654V-V+37CC3CAPRP3POT2R3RES2CC4OPA452C3ELECTRO1CC8CAPC7ELECTRO112J7CON2R9RES2
R10RES212J6CON212J13CON2-2012J12CON2
+20
四、系统软件设计 1、单片机显示控制程序流程图 (如附录A)
五、系统功能、指标参数 1、系统功能:实现三相三相正弦信号输出
设定 输出 误差 506Hz 505.8Hz 0.2Hz 1000Hz 999.7Hz 0.3Hz 20548Hz 20547.5Hz 0.5Hz 50000Hz 49999.9Hz 0.1Hz 从以上数据可以得出,系统完全符合指标。 测试仪器 Tektronix TDS 2024B 示波器 Luyang YB1731B 3A DC POWER SUPPLY; 数英 TFG3150L DDS函数信号发生器
六、设计总结 本设计提出了一种使用经济有效的低频信号发生器的设计方法,系统可以实现各种频率各种相位的输出,可以实现ASK、FSK调制信号的输出,其他的调制信号也可在以后系统升级中需要的时候设置,也可在载波位10K模拟调频信号的输出,调制信号在100HZ到1KHZ范围内可调。系统功能强大,更可以升级扩长,系统DDS部分用的是 Verilog HDL和VHDL混合编程实现,可以很方便的下载到FPGA芯片中测试,可以得到广泛的应用。
参考文献 [1]《信号与系统》,ALAN V.OPPENHEIM著,西安:西安交通大学出版社,1997年;
[2]《VHDL高等教程》,刘明业著,北京:清华大学出版社,2004年; [3]《Verilog 数字系统设计》,夏宇闻著,北京:北京航空航天大学出版社,2008年; [4]《基于FPGA的DDS调频信号得研究与实现》,石伟,宋跃,李琳著,湖南:湖南科技大学,2000年;
附录A 开始初始化LCD显示开机界面
按键判断通道2通道3通道4通道5通道1LCD显示各参数
各通道信号输出
结束 附录B PIN_84PIN_87PIN_89PIN_92PIN_95PIN_97PIN_101PIN_103
PIN_114PIN_116PIN_118PIN_128PIN_134PIN_137PIN_139PIN_142
PIN_113PIN_115PIN_117PIN_127PIN_133PIN_135PIN_138PIN_141
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