低频三相函数信号发生器

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1、低频两相函数信号发生器（B题）摘要：本系统基于FPGA来开发DDS函数发生器，以凌阳单片机SPAICE061A为控制核心，并由D/A转换器、四阶巴特沃思低通滤波器、电流电压转换器、lcd12864液晶显示器和波形移位等模块组成，单片机负责显示、键盘识别和频率控制字与相位控制字的串行输出。系统可输出单相正弦波、两相正弦波和调频信号波，具有输出波频率预置和步进、两相输出波相位差可预置和步进等功能。综合测试证明，本系统实现了赛题的所有要求。关键词：低频两相FPGADDS单片机步进一、引言目前广泛采用的频率合成技术主要有直接合成、锁相频率合成和直接数字合成三种方式。随

2、着数字技术的飞速发展，高精度大动态范围DAC 的出现和广泛应用，用数字控制方法从一个参考频率源产生多种频率的技术，即直接数字频率合成(DDS) 技术异军突起。DDS技术是一种新型全数字频率合成技术，可直接从相位出发合成所需的波形。它在相对带宽、频率转换时间、相位连续性、正交输出、高分辨力等方面具有显著的特性。本系统即是基于直接频率合成(DDS)技术产生低频两相函数信号发生器的设计与制作，整个系统以单片机和CycloneII系列FPGA为控制核心，先把欲产生信号波的波形数据存储在FPGA内定制的ROM中，由单片机的串口发出频率控制字和相位控制字来控制输出波形的频

3、率和相位，控制字的输出可使用单片机的串口来完成，这样可大大节约单片机的I/O资源。二、系统设计方案与论证1．系统总体方案方案一：纯单片机方式由单片机、D/A转换器及波形数据存储器等组成系统，单片机承担DDS信号波形的合成、所有的逻辑和时序控制等工作。此方案除了要求单片机完成基本的处理分析以外，还需要完成信号波数据的存储、按键的处理、信号显示等控制与变换工作。其优点在于系统规模小，有较大的灵活性，但单片机内部资源和处理速度均难满足要求，此方案极难实现。方案二：基于IP核技术的FPGA由带有IP核的FPGA来完成采集、存储、显示及D/A转换等功能，由IP核实现人机

4、交互及信号输出分析等功能。这种方案的优点在于系统高度集成、结构紧凑、操作方便；缺点是调试过程繁琐、难度大，难以在短时间内完成系统设计。方案三:单片机与FPGA结合用单片机完成人机界面、系统控制、处理变换等，而用FPGA完成信号输出和生成相应的逻辑控制时序，这种方案结合了单片机和FPGA的长处，兼顾了前两个方案的优点。同时大多数FPGA都带有内置的EAB存储阵列，可将波形数据存储在FPGA内嵌ROM中，这样节省了片外存储器。基于以上分析，我们选择方案三。2．基于DDS产生可控频率和相位的信号波原理本系统不仅要求输出单相正弦波和两相正弦波，而且要求输出正弦波的频率

5、与相位均可预置和步进，这就要求增加相位控制字和频率控制字10，频率控制字和相位控制字均由单片机控制输出。DDS合成信号波的过程如下（以正弦波为例）：首先将正弦波的波形数据存入波形存储器中，并给波形存储器和寄存器同一基准时钟fc，在此同一时钟的控制下寄存器输出的数同相位控制器输出的数相加后形成一N位有效地址来查询波形存储器中的值，并在时钟fc的控制下将对应的波形数据输出。当全加器经过k次循环相加后又回到初始值k，则波形存储器就会输出对应的一个正弦波周期内的波形数据，这样通过ROM可将相位值转换为与之对应的D位幅度码S(n)，然后经D/A转换器变成阶梯波S(t)，

6、再经过低通滤波器平滑后，就可以得到合成的信号波形。合成的信号波形形状取决于波形存储器ROM中存储的幅度码，而且相位控制字可控制输出波形的相位在0o~359o的范围内加减。因此，理论上将DDS可以产生任意波形。图1DDS的工作过程和原理3.两相正弦波产生原理采用FPGA设计DDS函数发生器可以方便的输出双路信号，而不必增加硬件成本，设计思想如下：设计时将一相的波形数据复制到新建的波形数据ROM表中，作为另一项波的波形数据，在第一相查表地址的基础上加上相位增量（由相位控制字决定），所得的值即为第二路信号的查表地址，由此便可实现两相信号波形的输出，其原理如下图2：图

7、2两项正弦波生成原理4．系统整体框图由题意知，本系统主要由数模转换模块、显示模块、键盘模块、低通滤波电路模块、电压放大模块和移位电路模块等组成，原理框图如下图2所示：10图3系统整体原理框图三、模块方案论证和选择1.单片机模块方案一：选用AT89S52该单片机为51系列增强型8位单片机，具有32个I/O口和8K的内部存储器，晶振频率为12MHz，一个指令周期为1ms。方案二：选用C8051F005单片机该单片机具有32个I/O口和32K的ROM，还具有一个12位8通道ADC和256个字节的数据RAM以及2K的片外RAM，具有很高的可扩展性，并且其晶振频率为24

8、MHz，一个指令周期为0.5ms。本系