基于单片机与FPGA的实用信号源的设计.doc
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1、基于单片机与FPGA的实用信号源的设计熊旭生 (吉首大学物理科学与信息工程学院,湖南 吉首 416000)摘 要本设计的目的在于设计出一个具有实用价值的、性能较高的信号源。该信号源输出信号精度高,稳定性好,可实现数控调频、调相和波形选择。选用Altera公司的EPF1OK10LC84芯片作为数字处理主芯片、 Atmel公司的AT89C51单片机作为控制芯片,采用直接数字频率合成技术开发了一种新的实用信号源。利用MAX+plus II 10.0并结合VHDL语言设计FPGA,利用Wave 6000并结合汇编语言设计MCU。经模拟仿真达到了预期的性能要求。证明采用软硬结合,利用DDS技术设计信号源
2、的方法是可行的。 关键词:信号源;直接数字频率合成;EDA;FPGA;单片机 The Design of Practical Signal SourceBased On MCU And FPGAXiong Xu-sheng(College of Physics Science and Information Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Hunan China)AbstractThe purpose of the design is to design a signal source which is practical and hig
3、h performance. The output of the signal source has high precision, good stability, and it can realize the numerical control of frequency and phase modulation, and selects waves. The EPF10K10LC84 of the Altera Corporation is the chief chip which processes the digital signal, and the Atmel AT89C51 is
4、the control chip. We develop a new kind of practical signal source from the direct digital frequency synthesis technology. We design the FPGA in VHDL language with the MAX+plus II 10.0,and design MCU with Wave 6000 using assembly language. It has achieved the anticipated performance requirement afte
5、r the analog simulation. It is proved that the designation of the signal source with the DDS technology through the combination of the software and hardware is practicable. Key words: Signal Source;DDS;EDA;FPGA;MCU 目 录第一章 引言(1)1.1信号源的功能、特点和现状(1)1.2基于单片机和FPGA的实用信号源的设计(2) 1.2.1设计的意义(2) 1.2.2 设计实现的功能(2
6、) 1.2.3 设计的原理(2)第二章 信号源的设计技术(4) 2.1 频率合成技术的发展(4) 2.1.1 频率合成技术(4)2.1.2 频率合成技术的技术指标(5) 2.1.3 DDS(直接数字合成)技术理论 (5)2.1.4 DDS设计原理和结构 (5)2.2 EDA技术与FPGA器件(5)2.2.1 EDA技术 (6) 2.2.2 FPGA器件 (7)第三章 系统硬件电路实现 (7)3.1 系统硬件结构图 (8) 3.2 AT89C51单片机介绍 (8)3.2.1 AT89C51的性能 (8)3.2.2 AT89C51的时钟电路 (8)3.2.3 AT89C51的复位电路 (9)3.3
7、 FPGA芯片在系统电路中应用与设计 (9)3.3.1 FPGA芯片的特性(10)3.3.2 芯片的应用功能及使用配置(11)3.4 外设及接口电路实现 (11) 3.4.1 液晶显示 (13)3.4.2 串口通信 (13)3.4.3 波形生成电路 (13)3.5 整体设计结构 (14)3.6 设计模块的划分和各模块设计、仿真 (16)3.6.1分频模块(COUNTER_24) (17)3.6.2相位累加模块(PHASE_ADDER) (17) 3.6.3 相位锁存模块(PHASE_REGISTER) (18)3.6.4频率累加模块(ADDER_12) (18) 3.6.5 查找表模块(LMP
8、_ROM_SIN) (18)3.7 芯片引脚功能定义 (19)第四章 控制系统软件设计 (20)4.1 各级菜单的设计 (20) 4.2 系统软件设计 (20) 4.2.1主程序设计及流程(21) 4.2.2 自检子程序 (21) 4.2.3 键盘扫描子程序 (22)4.2.4 串口通信子程序设计(23) 第五章 电路调试 (25)5.1 DDS电路的模拟仿真 (25) 5.2 低通滤波器的设计 (26) 第六章 系统误差分析与改进措施 (28) 6.1 系统误差分析 (28)6.2 系统的改进措施(27)第七章 结语(30) 致谢 (31) 参考文献 (32)第一章 引言1.1 信号源的功能
9、、特点和现状信号源是现代一些电子系统中不可缺少的一部分。在系统没有外部信号输入时,由其产生一组编码方式和实际接收信号完全相同的理想数据流,用来替代外部实际信号。它可用于系统的测试、自检、故障分析,也可用于理想试验。因此设计一个好的信号源非常重要13。传统信号源的电路基本上是由运算放大器和一些外接阻容元件组成的振荡电路,电路调试困难,工艺结构复杂,且对阻容元件参数的选择要求严格;另外,由于阻容元件的稳定性差,加上频率、相位的调节和换档是通过按钮改变桥路阻值来实现的,所以,其可靠性不高,难于保证输出的信号频率和波形的精确度,因而其应用范围受到一定的限制。采用直接数字频率合成技术的信号源与以往的射频
10、信号源、锁相信号源和模拟频率合成信号源相比较,具有电路简单、所用阻容元件少、性能可靠、输出信号的波形频率精度和准确度高、易于程序控制和调试的优点。目前,利用直接数字频率合成技术制成的信号源概括起来有4种形式:采用微处理器和数模转换器组成的数字式低频信号源;利用DSP(Digital Signal Processing,数字信号处理器);运用单片机、计数器、只读存储器、D/A转换器和滤波器等组成的信号源;利用单片机与精密函数发生器构成的程控信号源14。 自从90年代以来,单片机以其灵活的控制、丰富的接口在我国得到了广泛的应用。然而,单片机本身也有自己的缺点和不足。首先,单片机采用软件实现控制,这
11、就决定了其低速性和处理的顺序性。其次,单片机接口终究有限,如果扩展,必须增加大量的外围电路,这就增加了子系统的复杂性,从而增加电路板的面积和布线的复杂度,导致系统的不稳定性增加。FPGA(Field Programmable Gate Array,现场可编程门阵列)的出现弥补了这一不足。FPGA采用硬件实现逻辑,其处理速度比单片机高两个数量级;再则,FPGA的功能可以采用软件任意实现,这样,它可以实现所有数字外设的功能,节省大量外设,从而节省空间,增加系统的稳定性。本设计充分利用了单片机灵活的控制、丰富的外设处理能力和FPGA器件的快速性、外设的替代性,采用最新的DDS(Direct Digi
12、tal Frequency Synthesis,直接数字频率合成)技术,实现频率、幅值可调的任意波形的输出。本信号源相对于传统的信号源具有体积小、可靠性强、准确度高等特点。采用FPGA设计的信号源较采用专用芯片的信号源更灵活。因为,只要改变FPGA中的查找表数据,DDS就可以产生任意波形,因此具有相当大的灵活性。此外,FPGA的功能完全取决于设计需求,可以复杂也可以简单,而且FPGA芯片还支持在系统现场升级,虽然在精度和速度上稍有不足,但也能基本满足绝大多数系统的设计要求。另外,将DDS设计嵌入到FPGA芯片所构成的系统中,其系统成本并不会增加多少。本设计由于受到D/A转换器及运放速度的限制,
13、只能输出最大频率为几十千Hz的波形,如果采用高速D/A转换器和高速运放,可以实现几十MHz的输出。1.2 基于单片机和FPGA的实用信号源的设计1.2.1设计的意义近些年来,对信号源的要求随技术的发展越来越高,以往的信号源只可输出单一的正弦或几种如三角、正弦、脉冲、方波等波形,且一台仪器的输出频率也较窄,一般只是在超低频或低频范围,波形的精度和稳定度等重要指标都不是很高。信号源有很多种,包括正弦波信号源、函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等15。本设计的目的在于设计出一个具有实用价值的,性能较高的信号源。该信号源输出信号的波形类型、频率、幅度、相位由使用者自行设置。
14、1.2.2 设计实现的功能 本设计完成的信号源具有以下几个功能:(1)实现方波、矩形波、梯形波、锯齿波、三角波、正弦波、余弦波、指数波等任意波形的输出。 (2)输出波形频率、幅值、相位连续可调,输出波形频率最低可以达到0.0l Hz,最大频率受器件性能限制。最小分辨率可以达到0.01 Hz,输出波形幅值范围05V(峰峰值),可按步进0.1 V(峰峰值)调整。 (3)实现自定义波形的输出。 (4)能够采集波形,将采集的波形输出,实现波形的复制再现。 (5)具有非易失性存储器,能够存储十个波形的数据,能保存所采集的波形。1.2.3 设计的原理本设计采用DDS技术,该技术是一种用数字控制信号的相位增
15、量技术,具有频率分辨率高、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。基于DDS技术的信号源是通过改变相位增量值(每个时钟周期的度数)来改变输出频率的。所有相位点的数据都放在查找表中。采用插值描点的方式,将要产生的波形用若干个点代替,然后依次输出,每个点的电平由查找表中的相应点的数据经过D/A得到。这个过程相当于采样保持及A/D转换的逆过程。将经过D/A转换器产生的波形经过低通滤波,就得到了所需要的波形。控制D/A转换器的参考电压,就可以实现幅值可调;控制两个插值点之间的相位,就可以实现频率可调13。本设计的控制器利用单片机完成,DDS合成芯片利用FPGA实现。单片机通过键盘进行人机交互,获得欲输出信
16、号的波形,幅值,频率,或者,通过A/D转换器获得欲再生的波形;然后,将生成波形的参数送给FPGA芯片,并控制启动FPGA芯片工作。FPGA芯片控制基准电源产生合适电压,作为D/A转换器的参考电压,然后从查找表中获得数据,送到D/A转换器,送出一个点的数值。依次处理完查找表一个周期数据后,再重新开始,输出下一个周期的波形。经过D/A转换的信号再经过低通滤波,滤掉插值频率和高次干扰波,就可以得到需要的任意波形。控制单片机上外接的A/D转换器和片外的EEPROM,即可实现波形的采集与存储。根据设计要求、实际需要及实验室条件,相应地选择了以下器件及设计工具。在进行系统硬件电路设计时,选用Atmel公司
17、的AT89C51单片机作为控制主芯片、Altera公司的EPF10K10LC84作为DDS合成FPGA芯片。选择Capture CIS设计系统电路的原理图,选择PowerPcb 5.0设计PCB图,选择PSpice软件和Matlab软件进行模拟仿真。在进行FPGA芯片设计时,选用了Altera公司的MAX+plus II 10.0 工具作为芯片设计平台,选择VHDL硬件描述语言进行设计;在进行单片机设计时,选用Wave公司的Wave6000和汇编语言进行设计。第二章 信号源的设计技术2.1 频率合成技术的发展目前,频率合成的基本方法主要有3种:直接式频率合成(Direct Frequency
18、Synthesis,DS),间接式频率合成(Indirect Frequency Synthesis,IFS),直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesis ,DDS)。在设计信号源时,应该根据系统性能指标要求,综合三种基本方法,设计性能更好的信号源。2.1.1 频率合成技术频率合成是指以一个或多个参考频率源为基准,在某一频段内,综合产生并输出多个工作频率点的过程。基于此原理制成的频率源为频率合成器,简称频综。频率合成技术是现代通讯电子系统实现高性能指标的关键技术之一,很多电子设备的功能实现都依赖于所用频率合成器的性能,因此人们常将频率合成器比喻为众多
19、电子系统的“心脏”,而频率合成理论也因此在二十世纪得到了飞跃的发展。2.1.2 频率合成技术的技术指标频率合成技术有着诸多技术指标,这些技术指标决定了频率合成技术的特性及优缺点,下面介绍一些基本得频率合成技术的技术指标22。频率范围:频率合成后生成频率的波动范围,由最小合成频率和最大合成频率决定,合成的频率介于两者之间。也常用相对带宽来衡量频率范围。 (2.1.2)分辨率: 频率合成后两相邻相位点之间的间隔,不同要求的频率合成对分辨率的要求差别很大。切换时间:从发出频率切换的指令开始,到频率切换完成,并进入允许的相位误差范围所需要的时间。它与频率合成的方式密切相关。谐波抑制与杂散抑制:谐波抑制
20、是指载波整数倍频率处单根谱线的功率与载波功率之比,而杂散抑制指与载波频率成非谐波关系的离散谱功率与载波功率之比。它们表征了频率输出谱的纯度。频率源中的谐波和杂散主要由频率源中的非线性元件产生,也有频率源内外干扰的影响,还与频率合成的方式有关。长期频率稳定度:频率源在规定的外界条件下,在一定的时间(年、月、日)内工作频率的相对变化,它与所选用的参考源的长期频率稳定度相同。短期频率稳定度:主要指各种随机噪声造成的瞬时频率或相位起伏,即相位噪声,它可以用频域(单边带相位噪声谱密度)和时域(阿仑方差)来表征。2.1.3 DDS(直接数字合成)技术理论DDS技术是一种用数字控制信号的相位增量技术,具有相
21、位连续、频率分辨率高、频率转换速率快、稳定性好、可灵活产生多种信号的优点。它采用插值取样的方式,将要合成的波形用若干个点代替,然后依次等时间间隔输出,每个取样点的电平由预先存贮好的数据经过D/A得到。这个过程相当于采样保持及A/D转换的逆过程。控制两个取样点之间的时间间隔及相位,就实现了频率连续可调。DDS由于具有极高的频率分辨率,极快的变频速度,变频相位连续,相噪较低,易于功能扩展和全数字化便于集成等优点,因此在短短的二十多年里得到了飞速的发展和广泛的应用21。2.1.4 DDS设计原理和结构图2.1.4是DDS原理的电路结构图13:相 位累 加器(PR) 频 率控 制器(FC) 查 找 表
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