第4章数字式移相信号发生器的设计.ppt

第4章 数字式移相信号发生器的设计 4.1 设计任务 4.2 设计方案论证 4.3 系统硬件设计 4.4 系统软件设计 4.5 系统设计总结 4.1 设计任务 设计一个数字式移相信号发生器，示意图如图4.1所示，设计基本要求如下: (1) 频率范围:20 Hz～20 kHz，频率步进为20 Hz，输出频率可预置。 (2) A、B输出的正弦信号峰—峰值可分别在0.3～5 V范围内变化。 (3) 相位差范围为0～359°，相位差步进为1°，相位差值可预置。 (4) 数字显示预置的频率和相位差值。 4.2 设计方案论证 4.2.1 方案1——以MCU为核心的实现方案 波形的生成及对频率和相位的控制均由单片机编程实现。波形生成程序生成正弦波信号在一个周期内的波形数据，这些数据循环输出至D/A转换器，通过在输出数据指令之间插入NOP指令实现对频率的控制，原理框图如图4.2所示。 此方法产生的信号频率范围、步进值取决于所采用的每个周期的输出点数及单片机执行指令的时间（与单片机的结构及选用的晶体振荡频率等有关）。此方案的优点是硬件电路简单，所用器件少，可相对容易地产生各种波形，在低频区基本上能实现所要求的功能；缺点是控制较复杂，精度不易满足，生成波形的频率范围小，特别是难以生成高频波形。 例如，对输出信号频率fmax=20 kHz而言，因为移相分辨率为1°，则一个周期至少要采样360个点，即MCU发送波形幅度数据的速度fcp≥ fmax×360即fcp≥7.2 MHz，则前后发送2个波形幅度数据的时间间隔Tmax≤0.1388 μs，但是MCU的指令执行周期一般有几个μs，从而MCU发送信号一个周期的波形数据一般要几十个μs。故以MCU为核心的实现方案难以产生高频波形。 4.2.2 方案2——MCU与FPGA相结合的实现方案 该方案采用DDS（Direct Digital Synthesis，直接数字频率合成）技术产生数字式移相正弦波信号。信号生成主要由FPGA部分实现，FPGA部分主要包括相位累加器和波形查找表（波形查找表也可以由FPGA外部的存储器实现）。该方案利用单片机（MCU）作为控制芯片，由MCU产生频率控制字和相位控制字并送给FPGA。这样，需要高速运行的电路均由FPGA实现，大大减轻了对MCU速度的要求。由此可见，该实现方案更具有可行性，而且能很好地体现技术的先进性。 1. 系统框图 采用MCU和FPGA相结合的方案的整体系统框图如图4.3所示。 2. 系统功能划分 在本系统中，单片机主要用来实现输出信号的频率和相位差的设置，输出信号的频率和相位差的显示，向FPGA提供频率控制字和相位控制字； FPG主要用来实现DDS技术。系统中，除了单片机和FPGA以外，还有波形查找表电路、模/数转换电路、低通滤波器电路、信号稳幅输出及幅度调节电路、直流稳压电源电路等。 4.3 系统硬件设计 4.3.1 DDS设计技术 1. DDS技术的发展历史 1971年，美国学者J.Tierncy、C.M.Rader和B.Gold提出了以全数字技术从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。随着电子技术的发展和水平的提高，一种新的频率合成技术——直接数字频率合成（DDS，Direct Digital Synthesis）技术得到了飞速发展。DDS技术是一种把一系列数字形式的信号通过D/A转换而成模拟形式的信号合成技术，目前使用最广泛的一种DDS方式是利用高速存储器作查找表，然后通过高速D/A转换输出已经用数字形式存入存储器的正弦波。 DDS技术具有输出信号频率切换时间短，输出信号频率稳定度高，输出信号的频率和初相位可以快速程控切换，输出相位可连续改变，可编程以及灵活性大等优点，它以有别于其他频率合成方法的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的佼佼者。DDS广泛用于接收机本振、信号发生器、仪器仪表、通信系统、雷达系统等，尤其适合跳频无线通信系统的应用。 2. DDS的基本原理 DDS技术将输出波形的一个完整周期的幅度值都顺序地存放在波形存储器中，通过控制相位增量产生频率、相位可控制的波形。DDS电路一般包括基准时钟、相位增量寄存器、相位累加器、波形存储器、D/A转换器和低通滤波器（LPF）等模块，如图4.4所示。 相位增量寄存器寄存频率控制数据，相位累加器完成相位累加的功能，波形存储器存储波形数据的一个周期幅度值数据，D/A转换器将数字量形式的波形幅值数据转化为所要求合成频率的模拟量形式信号，低通滤波器可滤除高次谐波分量。 整个系统在统一的时钟下工作，从而保证所合成信号的精确度。累加器由N位加法