电子测量技术课程设计

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20Hz20kHz；（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10k负载电阻上的电压峰-峰值Vopp20V；（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1Hz30kHz，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0359范围内可任意预置，相位差步进1；（3）在1Hz30kHz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，当占空比为时，误差；（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100Hz1kHz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4、DA转换器模块5、3路OPA452,后级运算放大电路四、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506Hz505.8Hz0.2Hz1000Hz999.7Hz0.3Hz20548Hz20547.5Hz0.5Hz50000Hz49999.9Hz0.1Hz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； 2VHDL高等教程，刘明业著，北京：清华大学出版社，2004年； 3Verilog 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 附录B 附录C DDS得VHDL程序:library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use IEEE.STD_LOGIC_arith.all;use IEEE.STD_LOGIC_unsigned.all;use work.sine_lut_pkg.all;package dds_synthesizer_pkg is component dds_synthesizer generic( ftw_width : integer ); port( clk_i : in std_logic; rst_i : in std_logic; ftw_i : in std_logic_vector(ftw_width-1 downto 0); phase_i : in std_logic_vector(PHASE_WIDTH-1 downto 0); phase_o : out std_logic_vector(PHASE_WIDTH-1 downto 0); ampl_o : out std_logic_vector(AMPL_WIDTH-1 downto 0) ); end component;end dds_synthesizer_pkg;package body dds_synthesizer_pkg isend dds_synthesizer_pkg;- Entity Definitionlibrary ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use IEEE.STD_LOGIC_arith.all;use IEEE.STD_LOGIC_unsigned.all;use work.sine_lut_pkg.all;entity dds_synthesizer is generic( ftw_width : integer := 32 ); port( clk_i : in std_logic; rst_i : in std_logic; ftw_i : in std_logic_vector(ftw_width-1 downto 0); phase_i : in std_logic_vector(PHASE_WIDTH-1 downto 0); phase_o : out std_logic_vector(PHASE_WIDTH-1 downto 0); ampl_o : out std_logic_vector(AMPL_WIDTH-1 downto 0) );end dds_synthesizer;architecture dds_synthesizer_arch of dds_synthesizer is signal ftw_accu : std_logic_vector(ftw_width-1 downto 0); signal phase : std_logic_vector(PHASE_WIDTH-1 downto 0); signal lut_in : std_logic_vector(PHASE_WIDTH-3 downto 0); signal lut_out : std_logic_vector(AMPL_WIDTH-1 downto 0); signal lut_out_delay : std_logic_vector(AMPL_WIDTH-1 downto 0); signal lut_out_inv_delay : std_logic_vector(AMPL_WIDTH-1 downto 0); signal quadrant_2_or_4 : std_logic; signal quadrant_3_or_4 : std_logic; signal quadrant_3_or_4_delay : std_logic; signal quadrant_3_or_4_2delay : std_logic;begin phase_o = phase; quadrant_2_or_4 = phase(PHASE_WIDTH-2); quadrant_3_or_4 = phase(PHASE_WIDTH-1); lut_in = phase(PHASE_WIDTH-3 downto 0) when quadrant_2_or_4 = 0 else conv_std_logic_vector(2*(PHASE_WIDTH-2)-conv_integer(phase(PHASE_WIDTH-3 downto 0), PHASE_WIDTH-2); ampl_o = lut_out_delay when quadrant_3_or_4_2delay = 0 else lut_out_inv_delay; process (clk_i, rst_i) begin if rst_i = 1 then ftw_accu 0); phase 0); elsif clk_ievent and clk_i = 1 then ftw_accu = conv_std_logic_vector(conv_integer(ftw_accu) + conv_integer(ftw_i), ftw_width); phase = conv_std_logic_vector(conv_integer(ftw_accu(ftw_width-1 downto ftw_width-PHASE_WIDTH) + conv_integer(phase_i), PHASE_WIDTH); if quadrant_2_or_4 = 1 and phase(PHASE_WIDTH - 3 downto 0) = conv_std_logic_vector (0, PHASE_WIDTH - 2) then lut_out = conv_std_logic_vector(2*(AMPL_WIDTH - 1) - 1, AMPL_WIDTH); else lut_out = sine_lut(conv_integer(lut_in); end if; quadrant_3_or_4_delay = quadrant_3_or_4; quadrant_3_or_4_2delay = quadrant_3_or_4_delay; lut_out_inv_delay = conv_std_logic_vector(-1*conv_integer(lut_out), AMPL_WIDTH); lut_out_delay = lut_out; end if; end process;end dds_synthesizer_arch;