正弦信号发生器

正弦信号发生器

作者：汤其富 刘洋 王志成（河北工程大学）（四号字，宋体） 辅导老师： 董克俭 何明星

摘 要（四号字，宋体，加粗）

本设计运用了基于Nios II 嵌入式处理器的SOPC技术。系统以ALTERA公司的Cyclone系列FPGA为数字平台，将微处理器、总线、外设、数字频率合成器、存储器和I/O接口等部件集中在一片FPGA上。本设计充分利用了片上资源，提高了系统的稳定性和抗干扰性能。完成了正弦型号发生以及AM、FM、ASK、PSK等多种信号调制功能。（小四，宋体）

Abstract

This designation uses this SOPC technology based on Embedded Processor of

Nios II. The system ,using the Cyclone series FPGA as a digital bench,connects the MPU,BUS,DDFS CELL,Digital Modulate,and stores the datum of the Sine wave into the On Chip Memory in order to generate the required wave. With full using of the chip’ s resources, the precision,stabilization and influence resisting were significantly improved.

一、 方案论证与比较（四号字，宋体）

1. 方案论证与比较（小四，宋体，加粗）

（五号，宋体）方案一：数字琐相环式频率合成技术，图A-1-1为其组成框图。利用琐相环将VCO（压控振荡器）的输出频率锁定在所需频率上，可以很好地选择所需频率信号，抑制杂散分量，可以采用集成芯片。但在这种锁相倍频电路中，要减小频率间隔，就必须减小输入频率fi，导致频率转换时间增加。而减小输出间隔和减小频率转换时间是矛盾的，且输出频率在很大范围变化是，N（分频）也要随之变化，环路增益也将大幅度变化，从而使环路的动态特性急剧变化。

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fi 相位 检波 环路 滤波 VCO A 固定 分频 可变分频 相位 ÷NA 滤波 环路 滤波 相位 检波 环路 滤波 VCO B 带通 滤波 VCO C 可变分频 ÷NB fb 混频 fo

图A-1-1 数字锁相环式频率合成技术组成框图

方案二：采用基于直接数字频率合成的专用芯片AD9954。该方案具有频谱纯度高、集成度高等特点。但它只直接提供了实现多种数字调制AM、FM具有一定的难度。

方案三：基于FPGA的片上可编程系统。该方案以高速的FPGA为数字平台，基于直接数字频率合成和数字调制技术原理，嵌入数字合成模块、数字调制模块。虽然专用DDS芯片的功能也比较多，但控制方式却是固定的，因此不一定是我们所需要的。利用FPGA则可以根据需要方便地实现比较复杂的调频、调相和调幅功能，并能简化控制及接口，有利于提高集成度、可靠和灵活性。

2. 方案确定

综合考虑以上三种方案的优缺点以及题目要求和发挥要求，我们选择第三种方案。

二、系统设计与理论分析

1．总体设计思想

SOPC（System On a Programmable chip,片上可编程系统）是Altera公司提出的一种灵活、高效的SOC解决方案。它运用IP核，将处理器、存储器，I/O口等系统设计。键盘控制以及显示模块由AT89S8253单片机实现，单片机获取键盘的值，一方面用于液晶显示，一方

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面将键值的变化送给FPGA，这样就实现了液晶显示与波形改变的同步。正弦波的数据从Matlab Dspbuilder中获得，总共取977个点，取值十分精确，理论上输出的正弦波频率与设定值没有误差。正弦波的数据经高速DA THS5651A1实现模数转换，高速DA的时钟由FPGA提供。

系统总框图如图A-1-2所示。

图A-1-2 基于FPGA的片上可编程系统

2. 各模块实现原理

（1）正弦波产生模块实现原理

如图A-1-3所示，相位累加器最大值为16000000，用二进制表示是24位，取高十位作为正弦波查询表的地址。正弦波表中存储一个周期的正弦波的977个点，输出Sine_out[9..0]为一正弦波，其频率由频率控制字来控制，步值从100Hz～1MHz。计算公式由理论计算部分给出。

相位累加器 正弦波数据 图A-1-3 正弦波产生原理框图

频率控制字 10~1000000 AddResult[23..0] AddResult[23..14] Sine_out[9..0]

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下面是正弦信号产生的在Quartus II 6.0中的原理图：

图A-1-4 Quartus II 6.0中正弦波产生原理图

（2）调制系统实现原理

调制系统实现原理的总示意图如图A-1-5所示。

AM调制信号及调制控制字产生 AM和FM的载波及波形选择 FM调制信号及调制控制字产生 波形选择输出模块 载波 AM FM ASK ASK调制信号及调制控制字产生 ASK和PSK的载波及波形选择 PSK PSK调制信号及调制控制字产生 图A-1-5 调制系统总体框图

AM和FM的载波均用的是系统的正弦信号，而1KHz调制信号均自行产生，产生原理和

正弦波产生原理相同;ASK和PSK的100KHz固定载波和二进制基带序列按照要求都是自行产生。

AM的调制信号是有符号数据，幅值是－500～＋500，而载波信号（正弦信号）的幅值大小为0～1000;首先，将调制信号与调制度相乘，得到有某种调制度的调制信号，然后将该信号加上500变为正值;另一方面，载波信号数据分别减去500变为有符号数据，此时的载波信号再与调制信号相乘，得到的数据用二进制表示，对数据处理后输出，即为AM波。此种方式产生AM波，绕开了（载波信号＋载波信号×调制信号）这一步，避免了因时序不能十分准确地吻合而使波形失真。

下面是AM信号产生的在Quartus II 6.0中的原理图：

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图A-1-6 Quartus II 6.0中AM波产生原理图

FM波的调制信号是1KHz的正弦信号，幅值为0～1000，在进行最大频偏的二级程控调节时，如果是产生最大为10KHz的频偏时，就直接将调制信号加到载波（正弦波）的控制字上;如果是产生最大为5KHz的频偏时，就先将调制信号除以2，再加到载波（正弦波）的控制字上。这样就产生了两种最大频偏的FM波。

下面是FM信号产生的在Quartus II 6.0中的原理图：

FM输出

图A-1-6 Quartus II 6.0中FM波产生原理图

ASK波的载波信号是10KHz的正弦信号，我们根据ASK调制原理，当二进制序列值为1是，输出载波信号，当二进制序列值为0时输出为0，比采用载波与二进制序列相乘方法占用资源较少。其实现原理框图如下：

M序列产生器 载波

图A-1-7 ASK波产生原理框图

输出控制模块： 1：载波 0：0 ASK波

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PSK波的载波信号也是10KHz的正弦信号，当二进制序列的值为1时载波信号就反相。下面是PSK信号产生的原理框图：

M序列产生器 载波

图A-1-8 PSK波产生原理框图

输出控制模块： 1：反相 0：载波 PSK波

（3）相位/幅度的转换

将相位累加器的输出值的高十位作为ROM的地址，对应输出正弦波对应的点值，因为ROM

中存储的是一个周期的正弦波的值，所以也就是实现了相位/幅度的转换。

（4）频率稳定度的实现

采用20MHz的有源晶振，经FPGA内部锁相环倍频得到时钟信号，稳定度十分高。

3. 理论分析与计算

我们设计的相位累加器最大值人16000000，而系统的时钟频率是160M，所以如果每次相位累加器加1，那么输出的正弦信号频率为10Hz;如果每次加2，输出的频率为20Hz...

因此，正弦信号的输出频率＝频率控制字（100～1000000）×10Hz。

此时的频率分辨率为10Hz，如果增大相位累加器的最大值就可以提高频率分辨率，但对于此系统没有必要。

三、软件设计

本设计采用了QuartusII6.0设计软件，编制了五个功能模块：正弦信号发生模块、AM信号发生模块、FM信号发生模块、ASK信号发生模块、PSK发生模块，用ATMEL公司单片机控制按键和显示，FPGA和单片机的软件流程图分别如图A-1-9和图A-1-10所示。

开始 初始化 选择工作模块 SineWave FM AM ASK PSK 选择频偏 输入调制度 AM产生程序 载波及二进制序列 载波及二进制序列 PSK产生 输频率字 正弦波产生 ASK产生

图A-1-9 FPGA软件流程图

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开始 初始化 键盘扫描 波形选择 步进值选择 频率加 调制度或频偏选择 复位 单片机复位 将相应键盘值送给FPGA

图A-1-10 单片机软件流程图

四、系统测试

1. 测试仪器

PC Based Digital Storage Oscilloscope with Logic Analyzer and FFT（型号：DSO-25216，128K）。

1. 测试结果

（1）正弦波测试结果见表 A-1-1

表A-1-1 正弦波测试结果

标称频率 1kHz 10kHz 50kHz 100kHz 500kHz 1MHz 2MHz 3MHz 4MHz 5MHz 6MHz 7MHz 8MHz 9MHz 10MHz 实测频率/Hz 一次 二次 1000.00 9999.9 50001 100001 500000 1000010 2000010 1000.02 10000.1 50001 100000 500010 1000000 2000000 三次 1000.01 10000.2 50001 100002 500000 平均频率/Hz 1000.01 10000.067 50001 100001 500003.333 频率稳定度 0.00001 0.0000067 0.00002 0.00001 0.00002 0.000003 0.000002 幅值/V 999999 1000003 1999999 2000003

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（1）AM,FM,ASK,PSK波测试结果见表 A-1-2

表A-1-2 正弦波测试结果

AM信号 FM信号 ASK信号 PSK信号 载波频率在1KHz～10MHz间可调，调制度在10%～100%间可调 载波频率在1KHz～10MHz间可调，二级程控5KHz、10KHz最大频偏 100KHz固定载波频率，二进制序列码速率为10Kb/s 100KHz固定载波频率，二进制序列码速率为10Kb/s

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/6q9g.html