低成本双路正弦波发生器

加密号:加密号：学校编号:学校名称：队员姓名： 赛点负责人: 教务处章：2008年08月 日低成本双路正弦波发生器摘要本系统利用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149和CPLD为核心，产生两路 1Hz1kHz正弦波信号。利用CPLD产生频率可调方波、占空比可调方波、20KHz的方波， 控制模拟电路进行波形变换，变换出正弦波，正弦波的振幅、频率、相位均可调。模拟电路 中通过放大器、滤波电路、开关几个基本电路的结合实现了波形的转换以及振幅、频率、相 位的控制。本系统还配备有液晶屏显示和键盘控制，提供了友好的人机交流平台。关键字：MSP430F149 CPLD一、设计任务设计、制作一个低成本双路正弦波发生器，每路信号的频率、幅度及两路信号的相位差 均可程控设置。除工作电源外，正弦波发生器由微处理器单元（含键盘显示）控制逻辑单元 和模拟电路单元三部分组成。要求控制逻辑单元不使用任何存储器资源，模拟电路单元不使 用集成DAC且无可调阻容件。并且，微处理器单元以串行方式向控制逻辑单元发送参数控制字，控制逻辑单元产生若 几个频率稳定的逻辑脉冲输出给模拟电路单元，模拟电路单元经过信号变换后得到预定参数 的双路正弦波。二、方案的选择与确定方案一：使用C8051F040使用C8051F040单片机作为系统的控制核心。单片机具有体积小，片上资源丰富，使用 灵活，易于人机对话，有较强的指令寻址和运算功能等优点，但是该单片机体积较大，功耗 较高。方案二：使用MSP430F149使用MSP430F149单片机作为系统的控制核心。MSP430F149具有体积小，片上资源丰 富和I/O 口多可复用的优点，最重要的是MSP430F149具有超低的功耗，这是其他控制器不 可比拟的优势。在此系统中，我们经过细致的思考，最终选择了 MSP430F149作为整个控制系统的控制 核心，其一是它比C8051F040更适合出现在此系统中，但最重要的一点是MSP430F149比 C8051F040具有更低的功耗，符合我们的设计初衷，所以我们选择了方案二。方案一：使用集成函数发生器芯片ICL8038ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将他作为方波信号发生 器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率 输出。为了达到数控的目的，可用高精度DAC来输出电压以控制正弦波的频率。方案二：直接数字频率合成（DDS）DDS是一种纯数字化方法。它现将所需正弦波一个周期的离散样点的幅值数字量存入 ROM中，然后按一定的地址间隔（相位增量）读出，并经DA转换器形成模拟正弦信号，再经低通滤波器得到质量较好的正弦信号。方案三：使用可编程逻辑器件CPLD在此，采用直接数字频率合成(DDFS)技术，并使用单片机控制CPLD的方法。由于CPLD 具有可编程重置特性，因而可以方便地改变控制方式或更换波形数据，而且简单易行，易于 系统升级，同时具有很高的性价比。频率合成是将一个高稳定度和一个高精度的标准频率经 过运算，产生同样稳定度和精度的大量离散频率技术，一定程度上解决了既要频率稳定、精 确，又要频率在较大范围内可变的矛盾。因为比赛要求不能用到DAC，并且由于CPLD具有可编程重置特性，因而可以方便地改 变控制方式或更换波形数据，而且简单易行，易于系统升级，同时具有很高的性价比，所以 我们选择了方案三。三、原理分析与计算31系统总分析：MSP430F149微处理器经过运算对CPLD传输数据，CPLD产生了调节幅度的占空比控 制字、频率控制字、相位控制字，控制字经过DDS后产生占空比可调方波、对A波的频率 和相位可调方波、对B波的频率可调方波以及一个频率为20KHz的方波。输入到模拟电路当 中，通过模拟电路实现调幅、调频、调相等功能，最后输出我们想要的幅度、相位、频率可 调的双路正弦波。波A波B32正弦波产生原理分析窄带范围内的方波经低通滤波后可变换为相应频率的正弦波将幅度为a的直流信号经过反相器得到一个幅度为-a的直流信号，并且将直流信号a0 0 0与-a接入74HC4053当中，此时的开关由20KHz的方波来控制。得到一个幅度为a的模拟方0 0波，经过一个截止频率为20KHz /截止60KHz的低通滤波器，可提取出一个频率为20KHz，幅 度为d的正弦信号。相关计算：由以上分析当中的模拟方波的波形可知：其正半波的平均值等于负半波的平均值，所以该模拟方波的直流分量为0。方波傅里叶级数的三角函数表示的形式(f广20KHz)f(t) = d sin(2兀x ft) + d sin(6兀x ft) + d sin(10Kx ft) H1112131丁 4ad =o-1兀为了提取基频信号，把低通滤波器的截止频率设为20KHz /截止40KHz,这样当f (t)用过 低通滤波器之后，提取出频率为20KHz的正弦信号。两路不同频率的正弦波经差频与低通滤波后可变换为另一低频正弦波。因为lHzlKHz的信号属于低频信号，不能用低通滤波器获取，故由两个高频信号作 差频获得。sin2f x sin 2吋 2t = 1 ：os2兀(f - f )t - cos 2k (f + f )t121 2 1 2在经过低通录波器滤波后即可得到低频的正弦波。f1是在20001Hz21000Hz之间可调，人 固定20kHz,则通过调制f1的值使所得正弦波在1Hz1kHz之间可调。3.3低通滤波器截止频率的分析低通滤波器有一个截止频率：f截止，当信号通过低通滤波器时，频率高于/截止的都被滤除掉,而频率低于f截止的则无失真的通过了低通滤波器。A.正弦波产生电路截止频率的分析：f(t) = d sin (2nf t) + d sin (6nf t) + d sin (10nf t) H1112131以上为调幅正弦波产生电路当中方波信号的傅里叶级数的三角函数形式，由上可知，为 了提取频率为20KHz的正弦波，低通滤波器的截止频率设置在20KHz f截止60KHz之间，当该方波通过LPF后，频率低于/截止的只有上述的基频信号。B.调频电路中低通滤波器截止频率的分析(QUS为CPLD产生的频率可调方波):sin 2Kf 1t x QUS = sin 2吋 1t xsin 2k f 3 x t + sin 6k f 3 x t + sin10K f 3 x t H1sin a sin b = cos(a -b) - cos(a + b)由上述两个公式可知，当QUS与正弦波相乘之后，得到的信号的频率点在:当 QUS =20001Hz 时，频率点有 1Hz、40001Hz、80003Hz、40003Hz。将的低通滤波器截止频率设置在1Hz f截止20002Hz，提取出频率为1Hz的正弦波。当 QUS =21000Hz 时，频率点有 1000Hz、41000Hz、83000Hz、43000Hz。将低通滤波器的截止频率设置在1000Hz f截止41000Hz，提取出频率为1000Hz的正弦 波。综上所述，当qus在20001Hz变化到21000Hz之间时，将低通滤波器的截止频率设置在 1000Hzf截止40001Hz之间，可提取出频率从1Hz1kHz的正弦波。34调幅分析由稳压器输出一个2.5V左右的电压作为高电平，再利用跟随器和反相器将高电平变换成 一个低电平（0V）。将高低电平接入74HC4053当中，此时74HC4053的开关由CPLD产生的占空比可调方波控 制，当方波为高电平时，开关接通高电平（2.5V）,当方波为低电平时，开关接通低电平（0V）, 此后，得到一个和占空比可调方波相同的波形，经过低通滤波器后，取出幅值a0的直流信号。 此直流信号的幅值大小由方波的占空比决定。相关计算：占空比等于脉冲高电平时间与脉冲周期的比值。f （t） = d + d sin（2n兀 x f x t +0 ）0n1nn=1Et（7则是占空比）丁 4ad =01兀（d 为正弦波幅值）所以当占空比越大，直流信号的幅值就越大，因而，正弦信号的幅值也会随着变大。 根据题目要求幅度分辨率不低于12bit；选择CPLD中调幅信号为12位3.5调相分析（QUS为CPLD产生的频率可调方波）调相部分由两路QUS决定，即当两路不同的QUS与在调频分析当中所说的，与正弦波相 乘之后，即可得到不同的相位。所以只要产生两个相位不同的QUS，就能达到相位调控的目 的。 相关计算:sin（t +0 ）sin（ t） = cos ）t +0 -cos（ ）t +0 1 1 2 2 1 - 2 1 1 + 2 1 由此看出：可以通过调制一路信号的相位来达到调制两路信号相位差的目的。只要设置在 0-359度内可调，就可使正弦波在0-359度内可调。36调频分析A. 模拟乘法器，将正弦波sin2吋1t和sin2寸2t相乘，再低通滤波器滤波。B. 用乘法器将sin2吋1t与QUS相乘再由低通滤波器滤波。C. 由于模拟乘法器比较昂贵，所以我们将sin2吋1t反相，利用开关电路，实现模拟乘法器的功 能：相关计算(f = 20KHz ； QUS为CPLD产生的频率可调方波):sin 2兀ft x QUS = sin 2ft x sin 2吋 x t + sin 4吋 x t + sin 6吋 x t + b sin a sin b =丄cos(a -b) - cos(a + b)由于题目要求产生的正弦波频率在1Hz到lKHz之间，所以设定QUS为一个频率由 20001Hz到21000Hz之间的频率可调方波，并将相乘后的结果传输给低通滤波器，由上述公 式可知，低通滤波器的截止频率在1000Hz f截止40001Hz之间，经过调频电路后产生的最 低频率为20001-20000=1Hz，当QUS频率为21000Hz时，输出的频率为1000Hz。QUS的频率由20001Hz到21000Hz增加时，输出正弦波的频率同时增加3.7 DDS原理频率控制字Fword (36bit)，通过加法器1，并且在通过寄存器后产生一个反馈给加法器1,在节点B取最高位赋给A作为已调频率方波，同时，取高十位给加法器2,此时加法器2 输入相位控制字Pword，进行加法运算之后，通过寄存器2输出频率相位均已调的方波。频率准确度:50MHz2360.07%Hz 0.1%Hz达到题目要求,所以选择频率控制字36位.调频信号的频率计算公式:236 f.（N为频率控制字）A9相位分辨力：360o2 10沁 0.35。 1o达到题目要求，所以选择频率控制字10位.四、关键电路设计实现4.1微处理器与CPLD接口电路接口技术用的是串行通信，数据的串行通信有两种方式：同步和异步。因为同步通信仅 需要一根数据传输线，结构简单，但是效率低，并且对数据的传输时钟要求非常严格，增加 了设计的难度；所以选择异步通信，这种方式需两根传输线，一个CLK1线，一个DATA线， 当时钟产生上升沿的时候，开始采集数据，并且我们在这里增加了第三路判断DATA起始位的 信号EN。4.2 CPLD内部逻辑If接口模块产生Fword-a（A波的频率控制字）、Pword-a（A波的相位控制字）、zkw-a（控 制A波幅度的占空比控制字）、Fword=b（B波的频率控制字）、zkw-b（控制B波幅度的占空比 控制字）五个控制字，五个控制字通过DDS模块，产生了四个输出：PWMA （占空比可调方波A）、 PWMB （占空比可调方波B）、FAOUT（频率和相位已调方波）、FBOUT（频率已调方波），同时输出 一个频率为20KHz的方波。输入到模拟电路当中，控制调频、调幅、调相电路。4.5低通滤波电路我们的滤波电路用的是切比雪夫-I型三阶滤波电路。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，虽然频率响应的幅频特性不如后者平坦，但是切比雪夫滤波器和理想滤 波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带盛在幅度波动。我们想要快速衰减而 允许通频带存在少许幅度波动，所以用第一类切比雪夫滤波器。I类切比雪夫滤波器原理图：C- I Voutw. v.hr J_/ /4.6模拟电路逻辑题图基准电压调幅PWM调制直 流 电 压产生差频基 准信号方波正弦波差频电路方波正弦波五、测试六、创新1控制逻辑单元输出给模拟电路单元的信号线不超过5条；2当两路信号频率为1到10间的倍频关系时能同步，示波器观测两路波形稳定;3设定的输出信号电压值在整个频段内，变换量小于5%；4.两路正弦信号幅度设置为零时，输出噪声小于5mV；5取消微处理器单元，控制逻辑单元也能实现独立设置特定参数信号的输出；七、心得体会通过为期十天的比赛，我们不仅仅是在电子设计方面的能力得到了提高，更是在自身的 耐性，刻苦，合作等方面得到了难以想象的改善，并且，在整个过程中，也相当于是一种学 习，小组成员们遇到困难，提出问题，共同解决，而且有很好的实践环境，是平时的学习当 中所不能尝试的。这次电子设计大赛是以三人小组为单位，我们小组中的三位成员之中有的还是第一次见 面，不过这似乎并没有影响我们对于此次比赛的热情，因为我们都有着一样的心情，希望在 十天的设计实验过程中，在电子设计方面的能力得到一定的提高，在这样一种心情之下，整 个设计实验过程就好像是昙花，虽然略显仓促，但是昙花由含苞到怒放的过程才是最得人心, 而绽放之后人们却兴致缺缺，就好像比赛之后的名次，亦不是我们最在意的一样。这次的电子设计大赛对于我们来说，再是单纯意义上的一次比赛，更是对人生的一次磨 练，对自身耐心与涵养、交流与合作能力以及刻苦努力品质的一种提升，是我们成长道路上 的一个里程碑，经过这次比赛，我相信，我们小组的成员对于电子设计方面会有更加深刻的 理解，在自我学习，解决问题与自身品质方面也会得到显著地提升。