2022年正弦波发生器 .pdf

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1、正弦信号发生器正弦波发生器的种类有很多，基于题目要求输出频率稳定度优于1 的负次方，只有石英晶体震荡器和以石英晶体震荡器为参考频率的采用合成方法可以满足这个要求。又由于输出频率范围步进为只有频率合成器才能满足要求。频率合成器的分类：根据要求输出频率范围步进为频率偏低，而带宽很宽。因此我们采用直接数字频率合成器（）才能满足要求。根据发挥部分要求，该系统有调幅（），调频（），二进制相位键控调制（），二进制幅度键控调制（） 要具备以上只有才具备此强大的功能。因此我们是直接用来构成此系统。方案：用基于的可编程硬件语言进行系统设计利用一块的最大的实现设计的数字化，集成化。在实现过程中，使用语言编写各个器

2、件，把各个器件进行封装成模块，最后对各个模块进行配置和组装，就可以得到整个系统。本方案系统结构高度集成化，资源利用率高，可配置性强，可实现功能强大，性能稳定的系统。数字基带信号键盘数码管滤波放大电路名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 11 页 - - - - - - - - - 主要部件及参数的计算：一：FPGA 实现 DDS: DDS 技术是在信号的采样定理的基础上提出来的，从“相位”的概念出发，进行频率合成，图 1.DDS 实现原理框图DDFS 技术的原理

3、：将对正弦信号的采样量化数据存入ROM 存储器中，在时钟的控制下，依次或隔一定步进读取ROM 中的数据，再通过D/A 转换芯片及后级的低通滤波器来实现频率合成的一种方法。其主要的组成部分包括相位累加器，正弦信号采样量化数据存储ROM 表、D/A 转换及低通滤波器。DDS 参数计算：DDS 的主要参数包括正弦信号的采样点数，最高输出频率maxof，最低输出频率minof及频率分辨率of 等。根据 DDS 原理可知，在时钟控制下将所有ROM 存储数据依次读出，则输出的信号周期最长maxocTNT ，即输出频率最低为mi nof；只读出两个点（ /2 和3 /2）的采样数据，则输出的信号周期最短mi

4、 n2ocTT ，即输出频率最高为ma xof。其中cT 为时钟周期。相应计算如下。（1）输出信号频率通式：/ 2nocfSf，其中2n为采样点个数N，故可知 n为采样后ROM 的地址位数；其中S 为步进长度，即每S 个地址取一个采样点；（2）输出最低频率minof：min1/2 |/2nnocScfSff；（3）输出最高频率maxof：3max2/ 2 |/8nnoccSfSff；虽然根据奈奎斯特采样定理2，一个周期采样两个点即可保证信号的频谱信息不丢失，但为了输出信号滤波后失真较小，一个周期至少采样8 个点；故可知S 的取值范围应该为 1 32n；（4）频率分辨率of ：/ 2nocff，

5、与最低频率一致。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 11 页 - - - - - - - - - 在本题中要求频率步进为100HZ;相应的频率控制字步进为的 次方DDS 的频率稳定度就是去累加器时钟的频率稳定度，FPGA 内部的时钟晶振频率稳定度为 10 的负 6 次方，优于题中 10 的负 4 次方的要求。ROM 资源：我们设计充分利用CycloneII 系列 FPGA 芯片 EP2C8的片上资源来实现一个基于DDS 的正弦信号源。我们在此芯片的片上设计的可

6、用ROM单元为 2 的 12 次方，因此，片上ROM 资源能够存储（ 212=4096）个 12位二进制采样点的数据。采样其（0，2 ）区间上的函数值 . 因此输出函数值时，不需要进行补码转换3；非常方便。地址位长度： ROM 的寻址地址为 15位二进制数；步进位长度：步进最大应为214/22=212，即步进为 12位的二进制数ROM 存储单元5：ROM 存储单元的数据可以通过Matlab 进行计算获得，并将其存储为 dds_sin.mif。其 Matlab 程序如下。；12-12 depth=4096; %存储单元数 ; widths=12; %数据宽度为8 位; N=0:1: 4096;

7、s=sin(pi*N/2048); %计算 0pi/2 的 Sin 值; fidc=fopen(dds_s.hex,wt); %以wt 的形式打开 ,n 为换行% 写入 dds_s.txt % fprintf(fidc,depth=%d;n,depth); fprintf(fidc,width=%d;n,widths); fprintf(fidc,address_radix=dec;n); fprintf(fidc,data_radix = dec;n); fprintf(fidc,Content Beginn); for(x=1:depth) fprintf(fidc,%d:%d;n,x-1

8、, round(2048*sin(pi*(x-1)/ 2048)+2048); % 8 位二进制量化,由于有符号位 ,所以乘 127即可 ,round()四舍五入取整; end fprintf(fidc,end;); fclose(fidc); DDS 在 FPGA 中的实现框图如下：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 11 页 - - - - - - - - - 二：幅度调制（ AM ）: 幅度调制是用调制信号去控制高频正弦载波的幅度，使其按调制信号的规律变

9、化的过程. 是由调制信号和载波信号在FPGA 内进行全数字的乘法运算，由于在系统内进行乘法运算全是正数因此不需要进行符号区分，因此大大地减少了难度，只需对数据直接相乘，得到24 位 2 进制数。调制 AM 的计算如下：U(am)=UcmCOS （ Wct） *(U0+KaUa(A T)=UcmU0(1+KaUa/U0*COS(At)*COS(At) Ka 为比例系数；U0 为调制信号的直流成分。Ucm，Wc 为载波的幅度，和角频率；Ua，A 为调制波的幅度与角频率；若定义 ma=Ua/U0 则 U(am)=UcmU0 【1+KaMaCOS(At) 】 cos（Wct）名师资料总结 - - -精

10、品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 11 页 - - - - - - - - - 调制波的另外一种形式为由上图可知道Up=Ua （p-p）+Uv Ua=Ua(p-p)/2 Ma= Uv/ Ua=(Up-Uv)/(Up+Uv) Up 为调制信号的峰值。Uv 为调幅波包络的谷值。三：频率调制（ FM ）: 调频原理框图调频就是用调制信号x 去控制高频载波信号的频率。调频信号 us的一般表达式可写为：tmxUu)cos(cms式中c 载波信号的角频率；mU 调频信号中载波信号的幅度；m 调制

11、度。下面绘出了这种调频信号的波形。图a为调制信号 x 的波形 ,它可以按任意名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 11 页 - - - - - - - - - 规律变化 ; 图 b 为调频信号的波形 ,它的频率随x 变化。若 x=Xmcost，则调频信号的频率可在mcmX 范围内变化。为了避免发生频率混叠现象，并便于解调，要求mcmX 。三：2ASK 信号的产生信号的产生方法比较简单。首先，因信号的特征是对载波的“通断键控”，用一个模拟开关作为调制载波的输出通断

12、控制门，由二进制序列( )S t控制门的通断，( )S t 时开关导通；( )S t 时开关截止，这种调制方式称为通断键控法。所以在这里，我们采用的是通断键控法，调制的基带信号和载波信号分别从“基带输入”和“载波输入”输入，其原理框图和电路原理图分别如图x t O O t us a) b) 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 11 页 - - - - - - - - - 四：PSK 信号的产生信号是用载波相位的变化表征被传输信息状态的，通常规定相位载波和 相位

13、载波分别代表传和传，相位的选择是由基带信号来控制，其时域波形示意图如图所示绝对码与相对码的转换是通过逻辑运算关系来实现。转换关系如下所示：Bk=A ；绝对码与相对码变换图如下所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 11 页 - - - - - - - - - 五：2FSK 信号的产生信号是用载波频率的变化来表征被传信息的状态的，被调载波的频率随二进制序列、 状态而变化，即载频为0f时代表传，载频为1f时代表传。显然，信号完全可以看成两个分别以0f和1f为载频

14、、以na和na为被传二进制序列的两种信号的合成。信号的典型时域波形如图所示，其一般时域数学表达式为tnTtgatnTtgatSnsnnsnFSK102cos)(cos)()(（ ）式中，002 f，112 f，na是na的反码调制原理框图产生的波形示意图：六：数字基带信号的产生基带信号是一连串的二进制数字信息。基带信号是在FPGA 内由VHDL语言产生实现，实现如图所示：名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 11 页 - - - - - - - - - 根据题目

15、要求：在100KHZ 的固定频率下进行二进制的幅度键控（2ASK）和相移键控（ 2PSK）；基带信号信号码元的速率固定为10KB/S；由此可在2ASK 和 2PSK调制下每个码元周期含有10 个载波。可根据要求基带的序列。七：型低通滤波器参数的计算题目要求频率范围在10MHZ 以内，因此滤波器的范围必须大于10MHZ ，而且最低位0HZ,考虑这些因素，我们选择 型 LC 低通滤波器。设计流程：首先设计两个DDS ，一个为频率可调的DDS 正弦波发生器，一个为固定频率正弦波发生器。其中ROM 采用的是12 位存储器，键盘采用的是32 为二进制，然后进行累加。从ROM 中进行查表产生正弦波的数字信

16、号。累加时钟通过FPGA 中的锁相环进行实现，这里我们是得到150Mhz 的时钟频率，然后用VHDL 语言编写个模块，最后进行封装在一个模块中，得到一个可以产生波形模块。控制选择模块的建立，在波形产生后，我们对需要的波形进行控制产生。DAC 模拟部分主要是对数字的转换过程，由于DAC 的转换速率不少于100MHZ ，我们在设计时必须提供一个高于100MSPS 的转换速率的脉冲。这里我们采用150MSPS；因为这样可以保持与DDS 输出的数据保持同步，其次，我们在设计时将严格的将数字地与模拟地，和数字电源与模拟电源隔离，这样可以减少电路的系统噪声。是有效的正弦波免受干扰。滤波器，我们主要是滤去杂

17、波。我们用Multism 进行仿真，得到一组R L C 的参数。功率放大电路。由于从DAC902 中产生的波形VCC 很低 我们需要对它进行放大才能达到题目要求的6V 左右的电压。在 6V（p-p）情况下，有效值为2.12V，输出功率为90mW，是大功率输出，因此我们选择AD811 电流反馈运算放大器。AD811 为高速宽带名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 11 页 - - - - - - - - - 运放，单倍增益，3dB 时带宽为 140Mhz ，满足题

18、目要求。软件运行流程：通过 VHDL 语言编写完各模块后，然后下载到FPGA 内，建立硬件系统，运行程序，软件工作的流程图如下所示：测试：正弦波输出：测试项目指标测试情况备注步进名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 11 页 - - - - - - - - - 频率稳定度波形失真程度频率设置功能AM 调制度 10%100% 调制步进10% 调制信号的产生FM 调频功能频偏 5KHZ 10KHZ 2ASK 有无PSK 有无2FSK 有无基带信号的产生有无频率测试：设定频率测量频率相对误差峰峰值1HZ 10HZ 100HZ 1KHZ 10KHZ 100KHZ 500KHZ 1MHZ 10MHZ 15MHZ 25MHZ 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 11 页 - - - - - - - - -