三相信号发生器Word下载.docx

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方案二、采用基于直接数字频率合成的专用芯片AD9852。

该方案具有频谱纯度高、集成度高等特点。

由于AD9852自带48位相位累加的数控振荡器，会产生低噪声、高稳定的频率输出波形。

但它只直接提供了实现多种数字调制的功能，像二进制PSK、二进制FSK，这类调制方式实现起来比较简单，二要实现模拟线性调制FM具有一定的难度。

故此方案也不采用。

方案三、采用基于FPGA的直接数字频率合成。

其组成框图如图A-2。

直接数字频率合成（DDS），具有频率切换速度快，频率分辨率高、可编程全数字化、相位连续、转换速度高、控制方便且有输出任意波形的能力等优点。

用FPGA实现DDS技术比较灵活，可以产生多种调制方式，多种组合方式。

故采用此方案。

图A-2基于FPGA的直接数字频率合成

2、单片机控制、显示及输入模块

单片机控制模块采用TI的16位超低功耗MSP430系列的单片机，它相比于51系列的单片机具有灵活强大的处理能力、丰富的存储器及外设、超低功耗及有功能强大易于使用的开发工具等特性。

显示模块采用点阵型（128×

64）液晶，可以显示汉字和简单，可设计出清晰地菜单，提供全面的信息，功耗低、界面友好，控制灵活。

键盘输入模块采用PS/2键盘输入，类似电脑的键盘输入，按键方便、灵活，同时可以节省单片机的IO口。

二、系统设计与理论分析

1、总体设计思路

单片机从键盘获得控制信息，通过计算得到控制字并通过IO口送给FPGA的频率和相位的控制端口，同时，将信息显示在LCD上。

FPGA输出信号通过DA转换产生预置频率和相位的正弦信号或FM已调信号，经过低通滤除谐波分量和杂散信号后得到正弦信号或FM已调信号。

然后将该正弦信号或FM已调信号送至功率放大模块放大，使输出信号满足在10kΩ负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥20V的题目要求。

系统结构图如图A-3。

图A-3系统结构框图

2、各模块实现原理

（1）三相正弦波产生模块实现原理

如图A-4，相位累加器为40位的累加器，输出为为0~（240-1），取其高八位作为ROM查表的地址输入端，ROM表中存放一个周期的正弦内的256个点的数据。

fout1~fout3为1、2、3路信号的输出，频率控制字控制输出频率的大小，相位控制字1控制1、2路得信号相位，相位控制字2控制2、3路得信号相位，fclk为系统时钟，公式计算由理论分析给出。

图A-4三相正弦波产生系统框图

（2）FM调制系统实现原理

调频信号的产生充分利用FPGA的内部资源，由FPGA产生稳定精确的10KHz载波，同样利用DDS原理产生100Hz—1000Hz调制信号，由单片机输入最大频偏控制字实现最大频偏的控制。

图A-5FM调制系统实现原理框图

（3）矩形波模块实现原理

矩形波形由是锯齿波和占空比控制字来实现，鉴于题目要求频率可变，可以使利用DDS实现锯齿波从而实现频率可变的锯齿波，同时通过改变占空比控制字来实现占空比的改变。

图A-6矩形波模块实现原理框图

（4）电压及功率放大电路的实现

由题目要求实现在10K负载时峰峰值大于20V，则可以估算要求输出电流较小约为1.414mA，因此仅用一般大电流输出运放即可满足要求。

本设计从成本考虑采用免费申请的TI公司运放OPA552,其带宽达12MHz可以满足题目要求（0—30KHz）范围。

另外，由于单极性DA的选择，运放还包括单双极性波形变换的功能。

图A-7电压及功率放大电路

3、理论分析与计算

（1）正弦波频率精度的分析

DDS的输出频率fo和参考时钟fR、相位累加器长度n以及频率控制字FSW的关系为：

fo＝fR×

FSW/2n,DDS的频率分辨率为Δfo=fR/2n，设计中fR=50MHz,n=40（即采用40位累加器），计算得Δfo约为0.0000454735Hz，即便在频率很低1Hz的情况下也远远超过题目精度要求（0.1%）。

（2）相位精度分析

DDS的相位分辨率为360/2n，设计中n=40,计算得ΔP很小，即理论上相位误差很小可忽略。

（3）调频波精度分析

FM的载波及调制波形精度与正弦波精度相同，设计中将最大频偏设置为15KHz。

（4）矩形波的频率精度

由于其原理也是利用DDS设计，因此其精度与正弦波一致。

三、软件设计

单片机方面使用功能强大的“IARAssemblerforMSP430”编译软件，主要负责键盘输入处理，LCD显示及频率相位控制字的计算。

FPGA方面采用QuartusII中的原理图输入和Verilog语言进行设计，主要负责三相正弦波、FM调频信号和矩形波信号的产生。

总体软件流程如图A-8。

图A-8软件流程图

四、仿真测试

1、三相正弦信号和矩形波信号的仿真

仿真时钟设置为50MHz，仿真时长200us；

初始化频率20KHz；

初始化相位三路各相差120°

；

初始化矩形波频率20KHz，占空比0.25。

截图如A-9。

图A-9三相正弦信号和矩形波信号的仿真

2、调频FM信号的仿真

载波为10KHz，调制信号为1KHz，最大频偏为15KHz，截图如图A-8。

图A-10调频FM信号的仿真

3、单片机控制、显示及键盘输入的仿真

该模块采用Protues7.2仿真软件进行仿真，由于该模块中没有MSP430的单片机的模型，所以我们采用程序和MSP430一样的51单片机进行仿真，键盘采用矩阵键盘形式，LCD还是128×

64的图形点阵，仿真截图如图A-11。

设置三相正弦波频率为20KHz，相位三路各相差120°

矩形波频率20KHz，占空比0.25，FM载波为10KHz，调制信号为1KHz，最大频偏为15KHz，用仿真示波器观察最后送给FPGA的串行控制字组（一共有7组），截图如图A-11。

图A-11单片机控制、显示及键盘输入的仿真

五、结语

本次设计的低频三相信号源，主要运用了DDS基本原理，利用单片机作为主控，FPGA作为信号产生模块，设计的三相正弦信号、FM调频信号和矩形波信号，经仿真测试和实际测量（测量结果见附件）符合题目给定的基本要求和发挥部分。

六、参考文献

[1]沈建华杨艳琴.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与实践北京：

清华大学出版社,2008.

[2]康华光.电子技术基础模拟部分（第五版）北京:

高等教育出版社2006

[3]杜慧敏,李宥谋,赵全良.基于Verilog的FPGA设计基础西安:

西安电子科技大学出版社,2006

附件：

一、实测数据记录

测试仪器

示波器：

日立牌双踪模拟示波器

计数器：

E312B型通用计数器

表一输出正弦波幅度范围的测试

设置频率（Hz）

实测频率（Hz）

峰峰值（V）

误差

20.0

19.999

21.50

0.0050000%

100.0

100.000

21.41

0.0000000%

500.0

500.000

21.40

1000.0

1.000000K

21.38

5000.0

4.999998K

21.35

0.0000400%

10000.0

9.999999K

21.30

0.0000100%

20000.0

19.999994K

21.12

0.0000300%

100000.0

100.000000K

20.82

300000.0

299.999998K

20.21

0.0000007%

表二输出正弦波频率范围与稳定度的测试

第一次计数数值（Hz）

第二次计数数值（Hz）

第三次计数数值（Hz）

20.000

20.001

1.000000K

999.999

999.997

4.999997K

9.999995K

19.999992K

19.999990K

99.999950K

99.999970K

299.99981K

299.99979K

表三输出矩形波频率范围的测试

误差

99.995

499.998

0.0004000%

999.996

4.999990K

0.0002000%

9.999990K

0.0001000%

19.999981K

0.0000950%

99.999980K

0.0000200%

299.999987K

0.0000043%

二、实物、实测照片（图片已压缩）

1、整体实物电路

2、相位

频率设置为20KHz，1、2路相差120°

频率设置为10KHz，1、2路相差180°

频率设置为20KHz，1、2路相差90°

3、矩形波

频率5000Hz，占空比0.750

4、调频波

载波10KHz，调制波频率1KHz和100Hz