2023年虚拟智能DDS任意信号发生器研制.doc

虚拟/智能DDS任意信号发生器研制 设计说明书 张志坚 杜应彪 詹金星 李贵仁 钟伟群 陈旭贵 〔电子工程系〕 指导老师：宋 跃 胡升平 余炽业 黎山峰 林盛鑫 2006年2月15日 一、虚拟与智能DDS任意信号发生器设计思想 本系统采用虚拟与智能兼容方式，以单片机为控制中心和总线转换、FPGA为系统核心和数字载体，在虚拟方式时，由Delphi编程产生的可视化虚拟控制软件界面，在PC机控制下虚拟地实现任意信号发生器的功能。智能方式时采用单片机P89LV51RD2为CPU,在FPGA内建键盘扫描电路，借助C51语言编程通过触摸按键和液晶显示器JHD12232实现人机对话,智能地实现任意信号发生器的功能。信号发生器设计中采用直接数字频率合成法〔DDS〕，借用FPGA中内部可重构RAM实现两个4K×10bit的波形存贮功能，相位累加器为32位，存贮器为10位，时钟频率为100MHz(±0.5ppm)。2个信号输出通道，能输出0.01Hz～10MHz的正弦波、三角波、矩形波、锯齿波、数码流以及FM、AM、ASK、FSK自定义波，其频率、幅度、初相、占空比〔方波〕、码元速率〔数码流〕调幅指数、调频系数均步进可调。 二、虚拟与智能DDS任意信号发生器设计特点及技术指标 本仪器是一台精密的任意函数信号发生器，具有输出函数信号、调频、调幅、FSK、ASK、猝发、可编程数码流、频率扫描、幅度扫描及任意波形等信号的功能。本仪器是电子工程师、电子实验室、生产线及教学、科研的理想测试设备。 “任意波形发生器〞双通道输出，在与PC机相连时，设计出了具有自主知识产权的DELPHI仪器操作界面，用户通过界面用时域或频域输入方法产生任意波形，仪器核心具有柔性设计的特点，仪器功能可软件升级，仪器通过键盘和液晶实现智能工作方式，仪器的性价比高，可广泛应用于工程测试、科研、教学等领域。 1、波形特性 主波形：正弦波，方波，三角波，锯齿波，数码流，随机噪声 任意波形：计算机界面输入 波形幅度分辨率：10 bits 储存波形：正弦波，方波，三角波，锯齿波等4种波形 波形长度：2048点 波形幅度分辨率：10 bits 脉冲波占空系数：0 - 100%〔频率≤100kHz〕， 2、频率特性 频率范围：主波形： 100μHz - 10MHz 储存波形： 100μHz -100kHz 分辨率：100μHz 频率误差：≤±5×10-6 频率稳定度：优于±1×10-6 3、幅度特性 幅度范围〔频率≤10MHz〕：10mV - 18Vp-p〔高阻〕，1mV - 10Vp-p〔50Ω〕 幅度误差：≤±1%+0.2mV (频率1KHz正弦波) 输出阻抗：50Ω 4、调幅特性 载波信号：储存波形和任意波形〔B通道波形〕，频率范围同主波形 调制方式：内调制 调制信号：储存波形和任意波形〔A通道波形〕 调制信号频率：100μHz - 1MHz 失真度：≤2% 调制深度：1% - 100% ASK：载波频率为任意设定，数码流、码元速率都可编程 5、调频特性 载波信号：储存波形和任意波形〔B通道波形〕，频率范围同主波形 调制方式：内调制 调制信号：储存波形和任意波形〔A通道波形〕 调制信号频率：100μHz - 1MHz 频偏：最大频偏为载波频率的50% FSK：频率1和频率2任意设定，数码流、码元速率都可编程 6、频率扫描特性 信号波形：储存波形和任意波形 扫描范围：扫描起始点频率〔100цHz ≤ F ≤ 10MHz〕 扫描终止点频率〔100цHz ≤ F ≤ 10MHz〕 扫描步进：〔100цHz ≤ F ≤ 10MHz〕 步进时间：1ms - 20s 扫描方式：线性扫描，向上或向下或来回扫描 控制方式：自动 7、幅度扫描特性 信号波形：储存波形和任意波形 扫描范围：扫描起始点频率〔10mV ≤V ≤ 10V〕。 扫描终止点频率〔10mVz ≤V ≤ 10V〕。 扫描步进：〔10 ≤V≤ 10V〕。 步进时间：1ms - 20s 扫描方式：线性扫描，向上或向下或来回扫描 控制方式：自动 8、伪随机噪声： 随机码元移位速率可调 9、可编程数码流： 码元：32位可编程输入 波特率：1kbps—1000kbps 电平：10mV—10V 三、虚拟与智能DDS任意信号发生器系统设计 1.结构设计简介 图2 系统框图 本系统主要由FPGA、单片机、键盘、EPC2、FLASH、LCD、DA输出电路和计算机软件控制界面等组成。系统框图如以下列图2所示。 2.系统运行设计 系统上电后，首先是单片机和FPGA的自身初始化。单片机初始化主要是内部程序的初始化，如串口、中断、堆栈和一些相关的内部存放器初始化。FPGA初始化是EPC2对FPGA系统的配置。单片机和FPGA的自身初始化完毕后，单片机就对LCD、键盘、FLASH初始化并对整个系统进行自检。最后从两个通道输出1KHz的正弦波。 系统初始化完成后，如果有用户在键盘上操作时，键盘扫描系统会自动地向单片机系统发出中断请求。如果此时单片机没有更高级的中断要处理的话，就会立即响应键盘的中断请求，从FPGA中读取键值，并根据键值进行数值运算，运算完成后得出控制命令并将命令发往FPGA系统进行控制。并将相应的显示数据送往LCD中进行显示。例如从键盘得到的是波形选择命令，那么单片机就会根据波形命令，向FLASH读写模块发送波形地址并起动FLASH模块，从FLASH中读取相应的波形数据到DDS信号产生模块的RAM中。并将波形信息送往LCD中进行显示。 如果是用户在计算机界面上进行操作时，计算时机根据界面的软件操作指令，从串口发送数据帧到单片机中。单片机串口一旦接收到数据帧就会向CPU请求中断。当单片机接收到一个完整的数据帧后，就立即对数据帧进行拆包，提取出控制命令和数值数据。 然后根据命令，将数值数据发往FPGA进行控制。例如用户在界面上进行任意波形操作时，单片机将接收到波形命令和相应的任意波形数据。然后单片机就起动FLASH读写模块，并进任意波形数据送入FLASH模块，再由FLASH模块将任意波形数据写人FLASH中进行波形存储。一个完整的任意波形写人FLASH完成后，FLASH模块自动地将刚刚所写的任意波形数据反读回来送入DDS信号产生单元的RAM中。 图3 FPGA设计 3.FPGA设计 FPGA内局部：接口单元、内部状态存放器单元、时钟控制单元、频率控制单元、DDS信号产生单元、其它波形产生单元、波形选择单元、输出控制单元、FLASH读写单元、键盘扫描单元。如以下列图3所示。 接口单元是FPGA与单片机的接口、总线扩展模块，它主要完成总线扩展、地址译码功能。主要输出8位数据信号、24位地址信号、256个片选信号、读/写控制信号。 在标准的单片机16位寻址的总线接口根底上增加多一个锁存器和一个P10口进行总线扩展。单片机是利用MOVX指令读写外部端口数据的，P0口先送出外端口的低8位地址，再送出或接收数据，如果将送出的数据存储起来，并转换为相应的外部端口的地址，那么可实现“时间〞上的增加寻址地址线的目的。这样就可以在只增加一个I/O口〔P1.0〕情况下将寻址总线从16位扩展到24位，寻址能力达16M。具体操作如下： 当要输出最高8位地址时，先将P1.0置“1〞进入写最高位地址状态，然后将最高8位地址作为数据从P0口写出，锁存器就以WR为锁存信号将数据锁存起来并作为最高8位地址使用。锁存完后再将P1.0置“0〞恢复标准的总线操作状态。 假设现在要将一数据“0x12〞送往“0xAABBCC〞， 其C51程序为： P10=1; XBYTE[0x0000]=0xAA; P10=0; XBYTE[0xBBCC]=0x12; 因为扩展后的地址总线是作为最高位地址使用的，所以在使用时并不会频繁地改变，单片机一般都工作在标准的总线操作状态，并不影响总线操作速度。 在得到24位地址总线后，在高位地址都为“1〞时对低8位进行译码，译出256个片选信号供内部状态存放器使用。它们的地址为“FFFFFF00—FFFFFFFF〞 内部状态存放器单元是整个FPGA 系统的内部状态字、控制字的锁存模块，它完成系统的状态字的写操作和存放功能。 内部状态存放器与波形存储器统一编址，其片选信号为接口单元输出的256个片选信号。状态存放器在锁存器阵列，以WR为锁存信号，在片选信号选中时，将状态数据锁入相应的状态存放器。这些状态存放器锁存状态后可通过内部总线直接传输到其它模块，也可以等候其它模块的访问读取。 时钟控制单元是系统的时钟发生模块，它完成系统的时钟分频、倍频功能。输出一系列系统所需的时钟。 时钟控制单元是先对外部100M的时钟进行2倍频，然后再根据输入的分频系数对200M的标准时钟进行分频，产生出频率控制时钟、扫频步进时钟、扫幅步进时钟、波特率控制时钟、键盘扫描时钟、FLASH读写时钟等等。这里采用先对100M外部时钟倍频再分频,比直接对100M的外部时钟进行分频的好处是可以分出更好、更精确的时钟频率来。 频率控制单元是DDS信号发生器的频率控制模块，它完成调频、扫频、频率控制功能。输出DDS信号产生单元所需的频率控制字K。 DDS信号产生单元是信号发生器的核心模块。它根据DDS原理完成DDS信号的产生功能。 其它波形产生单元是产生其它非周期性波和数码流的模块。主要完成非周期信号的合成功能。 波形选择单元完成波形的选择与合成的功能。 输出控制单元主要完成峰值控制、直流控制、幅度扫描等功能。 FLASH读/写单元根据波形选择自动地从FLASH读入4K波形到内部RAM中， 键盘扫描单元内建5x5键盘扫描电路，自动地实现键盘扫描的功能。当有按键按下时，自动地产生中断信号向单片机请求中断以进行键盘处理。 4.单片机系统 单片机是本系统工作于智能方式的控制，其主要功能是根据用户输入的操作信息，输出相应的控制信号到FPGA系统，进而完成合成任意信号输出，并控制显示器的显示。同时也是系统工作于虚拟方式时，PC机与FPGA通信的中继，完成串并转换功能。 工作原理是当有按键按下时，键盘扫描系统自动地产生中断脉冲信号,使单片机从键盘扫描系统中读入键值。然后单片机根据键值进行相应的数据计算，计算完成后将相应的控制信号发送到FPGA完成任意信号合成输出，并控制显示器的显示。当虚拟界面操作时，单片机从串口接收从计算机软件界面发来的数据，根据议定的通信协议格式，区分出命令还是数据，并根据命令将数据送入FPGA系统的相应存放器单元以实现控制和数据传输。 5.DA输出电路 DA输出电路是本系统的最后一级，他完成波形信号的DA转换、放大、扩流等功能。 四、虚拟与智能DDS任意信号发生器技术特点 1、 采用直接数字合成技术〔DDS〕。 2、 主波形输出频率为100μHz ~ 10MHz。 3、 小信号输出幅度可达10mV。 4、 脉冲波占空比分辨率高达千分之一。 5、 可编程数码流、码流上下电平可控制。 6、 随机噪声输出。 7、 数字调频、调幅分辨率高、准确。 8、 频率扫描输出可任意设置起点、终点频率、步进和步进时间。 9、 幅度扫描输出可任意设置起始、终止幅度、步进和步进时间。 10、调幅调制度1% ~ 100% 可任意设置。 11、输出各种标准波形。 12、输出任意波形〔波形轮廓由上位机产生，有徒手描线