正弦信号发生器实验报告 本文关键词：正弦，信号发生器，实验，报告
正弦信号发生器实验报告 本文简介：正弦信号发生器摘要本正弦波发生器以FPGA为控制核心设计的，该系统主要由FPGA控制模块、STM32单片控制模块，按键输入模块、5110液晶显示模块、以AD9850为核心的DDS模块、运算放大电路和直流稳压电源组成。FPGA运算速度较快，适用于强干扰和要求速度较高的场合。仅用单片FPGA就实现了直接
正弦信号发生器实验报告 本文内容：
正弦信号发生器
摘要
本正弦波发生器以FPGA为控制核心设计的，该系统主要由FPGA控制模块、STM32单片控制模块，按键输入模块、5110液晶显示模块、以AD9850为核心的DDS模块、运算放大电路和直流稳压电源组成。FPGA运算速度较快，适用于强干扰和要求速度较高的场合。仅用单片FPGA就实现了直接数字频率合成技术（DDS），产生稳幅正弦波，并在数字域实现了AM、FM、ASK、PSK等四类调制信号。调制信号既可由用户输入参数由FPGA内部生成，整个系统结构紧凑，电路简单，功能强大，可扩展性强。
关键词：
FPGA
STM32
DDS
AD9850
Abstract
The
sine
wave
generator
is
designed
with
FPGA
as
the
core,the
system
is
mainly
controlled
by
FPGA
module,STM32
monolithic
control
module,key
input
module,liquid
crystal
display
module
5110,with
a
core
of
AD9850
DDS
module,the
operational
amplifier
circuit
and
a
dc
regulated
power
supply.
FPGA
faster
calculation
speed,is
suitable
for
the
strong
interference
and
high
speed
required.
Only
with
a
single
chip
FPGA
to
realize
the
direct
digital
frequency
synthesis
(DDS)
technology,to
produce
steady
sine
wave,and
in
the
digital
domain
for
AM,FM,ASK,PSK
modulation
signal.
Modulation
signal
can
be
input
by
the
user
parameters
are
generated
internally
by
the
FPGA,the
whole
system
structure
is
compact,the
circuit
is
simple,powerful,strong
extensibility.
1、
系统方案比较与论证
根据题目要求，系统分为以下几个模块，各模块的实现方案选择如下：
1．主控器件比较与选择
方案一：采取FPGA它具有体积小、I/O口较多、编程改动灵活的特点、资源丰富、速度高，本晶振为50M,可以通过锁相环（PLL）任意倍频，在信号处理领域中应用广泛，并且稳定性强，为以后系统的升级，作品的商品化提供了保障。
方案二：采取MCS51单片机作为控制中心，MCS51系列单片机是一种廉价的，应用极为广泛的单片机，它体积小，功能强大。可以用汇编或者C语言进行开发。并且这种单片机的接口电路丰富。缺点是运行速度不够快，12个时钟周期一条指令，如果用12MHz的晶振，执行一条指令最快也要1us。因此不适合高速的控制。
同时考虑到题目要求的参数、信号处理的速度以及输入输出的接口需要较多的I/O口，而且在数据转换和输出过程中需要很高的速度，所以在此系统中，选用方案一。
2．正弦信号输出方案选择
方案一：采用专用信号发生器。MAX038是美信公司的低失真单片信号发生器集成电路，内部电路完善，外部电路很少。使用该芯片，设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形信号，但频率精确度和稳定度都难以达到要求。
方案二：以AD9850为核心的DDS模块具有分辨率高、转换速度快、信号纯度高、输出信号无电流脉冲叠加、输出可平稳过渡且相位可保持连续变化，但是外部电路比较复杂。
根据题目要求和以上的方案对比，我们选择方案二。
3．界面显示方案的选择
方案一：采用数码管显示，价格便宜电路设计很简单，但是程序较大，显示界面易抖动，延时时对系统速度有较大影响，且功耗高，需要增加对外围电路的设计，市场竞争力不强。
方案二：液晶5110，体积小，可以显示丰富的内容，不需要外围电路，控制方便，耗能较低，使用起来显示的效果会更加的完美。
方案三：采用SSD1289触摸式液晶显示屏。相对于液晶5110来说，此种液晶显示屏具有如下优点：彩色屏幕显示，人机交互显得更加人性化；具有可触摸屏，能节省外围电路的设计；但是功耗太大，性价比不高。
综合考虑，我们选择选择方案二。
4．末级放大电路部分
系统的输出要求在频率范围内50负载电阻上正弦信号输出电压的峰峰值为6V+/-1V，因此一定要在末级加上放大电路。
方案一：用晶体管组成放大电路
用分立的晶体管元件构成的放大电路，优点是灵敏度高、能承受的较大的功率、动态范围广等，它们的通频带也较宽。但是，分立元件组成的电路调试起来很困难，特别是在高频段，而且容易引入噪声和失真。
方案二：用运算放大器构成放大电路
一个较好的解决方案是利用集成的运算放大器，但是一般的运放的频带都满足不了本系统1KHz~10MHz这么宽的范围。因此一定要采用低噪声，宽频带的高速运放。OPA842具有高达400MHz的频带，用来作末级放大，则可达到题目提出的高指标。
所以在此系统中，选用方案二。
二、理论分析与计算
1．DDS电路的设计
本系统用AD9850芯片作为DDS,AD9850的最大采样速率为125M，为了达到最高频率10MHz的要求，我们采用的DDS系统时钟为100M，结合FPGA的特性，通过时钟的2倍频给DDS的提供系统时钟。
根据DDS的原理，我们设计了一个32位相位累加器，来控制输出正弦波的频率，由于系统时钟为100MHz，因此可以计算出1Hz为：
1Hz
=
2^32
/
100MHz
则1HMa的频率控制字为42.94967296
则输出的频率：
F
=
频率控制字
42.94967296
通过改变按键控制的输出的键值来设定输出波形的频率。
2．键盘设计
该系统中只有4个按键，所以我们采用独立式键盘，用4个I/O控制4个键。通过单片机来检测按键的闭合和弹起，该电路简单实用。
三、电路与程序设计
根据题目要求，经仔细分析计算，充分考虑各种因素，制定整体制作方案。整体方案以FPGA为控制核心，通过与STM32经行通信，由STM32来控制液晶的显示和按键的调节。系统方框图如图1所示。
图1系统方框图
1．电路设计
(1)
系统电源设计
本系统采用线性稳压电源供电，采用电源芯片L7905、L7805、LM317和LM317该电源具有稳定性好，负载响应快，输出纹波小，效率高等优点。
图2
系统电源+-5v原理示意图
图3系统电源+-电压可调原理示意图
(2)
DSS电路设计
DDS电路采用以AD9850芯片为核心设计的，AD9850芯片最高速度可达125M,且芯片功耗低，输出波形稳定，完全能够满足系统要求。
图4系统DDS原理示意图
(3)
后级放大电路设计
由于频率要求为1K—1MHZ,选择高速芯片OPA842，考虑到后级需50欧的带载，所以在后级加一个电压跟随器提高带载能力。中间级采用反相比例放大，其优点为反相比例存在虚地，故无共模输入信号能很好的稳定输出。前级的跟随用于隔离作用，使输入信号稳定的能放大。
图5后级放大电路原理示意图
2．程序设计
系列微控制器是由FPGA与单片机经USART通信而经行回放，以单片机控制液晶显示和数据处理而FPGA则控制波形的输出，从而来实现系统要实现的功能，软件总体设计流程图如图所示。
图6程序流程图
四、系统测试
1．测试仪器
数字式万用表（FLUKE
15B）；泰克TDS
2012
B
2．测量数据
设定值
测量值
峰峰值
10M
10.0043M
1.84V
1M
1.00043M
3.04V
100K
100.042K
3.0V
10K
10.00043K
3.04V
1K
1.00035K
3.08V
100Hz
100.01Hz
3.04V
五、结论
系统结构简单，性能稳定，完成了全部基本功能和发挥功能
基本要求
发挥功能
实现情况
正弦波输出频率范围：1kHz～10MHz；
实现
具有频率设置功能，频率步进：100Hz；
实现
输出信号频率稳定度：优于10-4；
实现
输出电压幅度：在负载电阻上的电压峰-峰值Vopp≥1V；
实现
失真度：用示波器观察时无明显失真。
实现
在频率范围内负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vopp=6V±1V；
未实现
产生模拟幅度调制(AM)信号
未实现
产生模拟频率调制(FM)信号
未实现
产生二进制PSK、ASK信号
未实现
参考文献
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附件一
STM32最小系统板电路原理图