双相信号发生器报告文档格式.docx
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三、电路设计
1.方波及矩形波发生电路设计
2.正弦波变换器电路设计
3.幅度控制电路设计
4.输出控制及功率放大电路设计
5.单片机系统电路设计
四、程序设计
1.主程序设计
2.显示与键盘程序设计
3.频率设置程序设计
4.相位差设置程序设计
5.占空比设置程序设计
6.幅度设置程序设计
7.ASK、FSK及信号输出控制程序设计
五、测试方案与结果
1.测试方案
2.测试仪器
3.测试数据
4.测试结果分析
六、结论
附录:
FPGA内部电路原理图
(1)采用专用DDS芯片方法
专用DDS芯片可输出150MHz以上的信号,配合其他电路容易实现双相信号的相位设定、FSK、ASK、占空比调节等功能。
但题目不容许使用,所以该方案应放弃。
(2)直接输出矩形波的DDS方法1
由FPGA或SOPC器件设计DDS方波发生器,再对矩形波进行积分,产生三角波,对三角波进行折线变换产生正弦波;
由于不容许使用DAC变换器,可采用数字电位器进行幅度设置。
但正弦波通带平坦度只调到25%,不能满足指标要求。
而且数字电位器仍然属于DAC类器件。
只好中途放弃。
(3)直接输出矩形波的DDS方法2
由FPGA设计DDS方波发生器,采用开关电容滤波器进行波形变换,通带平坦度达到2%;
采用F/V变换结合模拟乘法器进行幅度设置;
符合题目要求,采用该方案。
本系统的总体结构如图1所示。
图1:
系统总体结构
DDS双相信号发生器的每一路结构如图2所示。
采用
=10MHz晶振,相位累加器为M=20位。
输出频率为:
,
图2:
DDS双相信号发生器结构
N为15位频率控制字。
频率步进值为
9.5367Hz。
频率上下限为
Hz、
Hz。
可以满足8kHz-12kHz频率范围、步进值不大于100Hz的要求。
矩形波的傅里叶展开式为:
如果用低通滤波器滤除三次谐波及以上的信号,只剩下基波分量,就实现矩形波到正弦波的变换。
题目要求最高频率为12kHz。
考虑过渡带,可以确定截止频率为15kHz~20kHz较好。
在相位累加器的高位结果上再加一个常量Φ即可产生需要的相位偏移。
相位偏移器和相位寄存器分别为M=20和N=15位,则相位增量为
,满足要求。
占空比寄存器的内容与相位偏移器的高位结果比较,如果小于等于,则输出高电平,否则输出低电平。
这样,占空比寄存器的内容就决定了输出信号高电平的持续时间,从而调节占空比。
占空比寄存器是N=15位,则占空比增量为
1.方波及矩形波发生电路
如图3所示。
采用EPM10K10实现DDS功能,输出四路方波信号,两路用于产生正弦波、两路用于幅度控制。
没有采用波形表方式,而采用相位比较方式。
各种设置参数通过键盘送给单片机AT89C55,由单片机通过接口设置DDS的各相关参数。
键盘和LED显示由HD8279完成。
EPM10K10内部电路细节见附件。
图3:
方波及矩形波发生电路
2.正弦波变换器电路
图4:
正弦波变换电路
输入TTL方波信号由J1输入,经U1A变成正负对称的矩形波,再经低通滤波器LTC1063CN8变为正弦信号,低通滤波器的截止频率由R9和C4决定。
经试验取R9=26.8K,C4=15PF。
为了满足输出部分模拟乘法器AD835输入±
1V的要求,在LTC1063之前又增加了幅度调整电路U1B:
LF353。
3.F/V变换电路
如图5。
不容许使用任何DAC电路,因此采用U5:
LM331和二阶低通滤波器U5A进行F/V变换,频率--电压关系为
。
后接放大电路U5B实现±
1V幅度衰减。
频率-电压变换关系为1~10kHz----0~1.0000V
图5:
F/V变换电路
4.信号选择电路
信号选择电路
采用MAX339选择正弦、方波/矩形波、ASK、FSK信号输出。
调制信号TZ来自单片机。
MAX339输出送给AD835的X输入端。
5.幅度调节及功率放大电路
如图6。
采用模拟乘法器AD835实现幅度调节,其输入输出关系为W=
在电路中近似有Z=0,Y来自F/V变换电路,X来自信号选择电路。
为提高带载能力并扩大输出范围,在AD835之后又加了放大电路AD817。
图6:
幅度调节及功率放大电路
6.ASK、FSK产生电路
图7:
ASK、FSK产生电路
两路正弦信号SIN1、SIN2分别输入给双四选一数据选择器MAX339的数据输入端X0、X1,SIN1同时输入给令一个四选一数据选择器的Y1,Y0接地。
调制信号TZ作为低位地址选择信号。
当TZ变化时,在X,Y输出端分别产生ASK、FSK信号。
图8:
主程序流程图
软件系统包括主程序、显示与键盘程序、频率设置程序、相位差设置程序、占空比设置程序、幅度设置程序、ASK、FSK及信号输出控制程序八个主要模块。
由于篇幅所限,仅列出主程序流程图。
测试方案如下:
(1)测量两路方波、矩形波、正弦波的输出。
(2)测量两路正弦波的幅度设置功能。
幅度设置区间:
200mV~3.5V。
用数字万用表测量幅度并记录,计算实际值与设定值的偏差。
(3)测量两路正弦波的幅频特性。
最大幅度输出,设置频率区间:
10khz~12khz。
(4)测量两路正弦波的失真度。
频率区间:
8khz~12khz。
输出幅度:
3.7V。
用示波器测量失真度并记录。
(5)测量两路正弦波的相差设置功能。
频率:
12khz。
相差区间:
0.1~359.9度。
用示波器测量相差并记录,计算实际值与设定值的偏差。
(6)测量两路矩形波的占空比设置功能。
10khz。
占空比区间:
0.1~99.9%。
用示波器测量占空比并记录,计算实际值与设定值的偏差。
(7)ASK、FSK功能。
2路均设置为ASK和FSK输出,用示波器观察波形。
(1)TektronixTDS2012B示波器;
(2)SP53180频率计;
(3)UNI-T五位半数字万用表。
测试项目
设置值
测试记录
误差
波形输出功能:
信号频率10kHz,幅度为3.5V。
第1路输出正弦波
有
满足要求
第1路输出方波
第1路输出矩形波
第2路输出正弦波
第2路输出方波
第2路输出矩行波
正弦波幅度设置:
频率为10kHz
VA=200mV
VA=210.5
200mV以下无法设置
VA=3.5V
VA=3.505V
VB=200mV
VA=201.5
VB=3.5V
信号平坦度:
两路输出正弦波,幅度设为3.5V。
F=8kHz
VA=3.58V
VB=5.48V
F=12kHz
VA=3.55
VB=3.46
信号失真度
1F=8kHz
A:
无失真
B:
有失真
3F=12kHz
两路正弦波的相差
Φ=0°
Φ=0.085
Φ=1°
Φ=1.012
Φ=180.0°
Φ=180.1
Φ=359.9°
Φ=359.9
脉宽设置
WA=0.1%
TAH=
无法测量
WA=99.9%
TAL=99.9%
WB=0.1%
TBH=
WB=99.9%
TBL=99.9%
2路均设置为ASK输出,用示波器观察波形特征
载波为10kHz正弦波,调制频率10Hz。
2路均设置为FSK输出,用示波器观察波形特征
上边频12kHz,下边频8kHz,调制频率10Hz。
满足题目基本部分和发挥部分的大部分指标要求。
但幅度设置在200毫伏以下时不能满足指标要求。
这是由于F/V变换器在低频率值时噪声太高。
可采用更好的F/V变换器实现。
此外,有一路信号的正弦波在8KHZ时,失真较大,这是由于截止频率设置不精确。
所设计的双相信号发生器完成了题目的大部分功能和基本指标,但仍有很多问题有待完善,如频率波形有时不稳定、幅度设置下限不足、信号噪声大且有失真、键盘操作不方便。
我们会继续努力,完善系统,锻炼自己。
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