1、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
2、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4K10bit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0.01Hz10MHz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
3、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
4、100kHz，2、频率特性 频率范围：主波形：100Hz - 10MHz 储存波形：100Hz -100kHz 分辨率：100Hz 频率误差：510-6 频率稳定度：优于110-6 3、幅度特性幅度范围频率10MHz：10mV - 18Vp-p高阻，1mV - 10Vp-p50幅度误差：1%+0.2mV (频率1KHz正弦波)输出阻抗：504、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：100Hz - 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、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：100Hz - 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100Hz F 10MHz扫描终止点频率100Hz F 10MHz 扫描步进：100Hz 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
6、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：1kbps1000kbps电平：10mV10V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，
7、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FLAS
8、H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
9、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
10、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
11、程序为： P10=1;XBYTE0x0000=0xAA; P10=0;XBYTE0xBBCC=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“FFFFFF00FFFFFFFF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
12、，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
13、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
14、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.
15、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100Hz 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