低成本雙路正弦波發(fā)生器

1、 低成本雙路正弦波發(fā)生器 摘要本系統(tǒng)利用TI公司的16位超低功耗單片機(jī)MSP430F149和CPLD為核心，產(chǎn)生兩路1Hz1kHz正弦波信號(hào)。利用CPLD產(chǎn)生頻率可調(diào)方波、占空比可調(diào)方波、20KHz的方波，控制模擬電路進(jìn)行波形變換，變換出正弦波，正弦波的振幅、頻率、相位均可調(diào)。模擬電路中通過放大器、濾波電路、開關(guān)幾個(gè)基本電路的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了波形的轉(zhuǎn)換以及振幅、頻率、相位的控制。本系統(tǒng)還配備有液晶屏顯示和鍵盤控制，提供了友好的人機(jī)交流平臺(tái)。關(guān)鍵字：MSP430F149 CPLD1、 設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)、制作一個(gè)低成本雙路正弦波發(fā)生器，每路信號(hào)的頻率、幅度及兩路信號(hào)的相位差均可程控設(shè)置。除工作電源外，正弦波

2、發(fā)生器由微處理器單元（含鍵盤顯示）、控制邏輯單元和模擬電路單元三部分組成。要求控制邏輯單元不使用任何存儲(chǔ)器資源，模擬電路單元不使用集成DAC且無可調(diào)阻容件。并且，微處理器單元以串行方式向控制邏輯單元發(fā)送參數(shù)控制字，控制邏輯單元產(chǎn)生若幾個(gè)頻率穩(wěn)定的邏輯脈沖輸出給模擬電路單元，模擬電路單元經(jīng)過信號(hào)變換后得到預(yù)定參數(shù)的雙路正弦波。2、 方案的選擇與確定 方案一：使用C8051F040使用C8051F040單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。單片機(jī)具有體積小，片上資源豐富，使用靈活，易于人機(jī)對(duì)話，有較強(qiáng)的指令尋址和運(yùn)算功能等優(yōu)點(diǎn)，但是該單片機(jī)體積較大，功耗較高。 方案二：使用MSP430F149使用MSP430

3、F149單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心。MSP430F149具有體積小，片上資源豐富和I/O口多可復(fù)用的優(yōu)點(diǎn)，最重要的是MSP430F149具有超低的功耗，這是其他控制器不可比擬的優(yōu)勢(shì)。在此系統(tǒng)中，我們經(jīng)過細(xì)致的思考，最終選擇了MSP430F149作為整個(gè)控制系統(tǒng)的控制核心，其一是它比C8051F040更適合出現(xiàn)在此系統(tǒng)中，但最重要的一點(diǎn)是MSP430F149比C8051F040具有更低的功耗，符合我們的設(shè)計(jì)初衷，所以我們選擇了方案二。方案一：使用集成函數(shù)發(fā)生器芯片ICL8038 ICL8038能輸出方波、三角波、正弦波和鋸齒波四種不同的波形，將他作為方波信號(hào)發(fā)生器。它是電壓控制頻率的集成芯片，失真

4、度很低?？奢斎氩煌耐獠侩妷簛韺?shí)現(xiàn)不同的頻率輸出。為了達(dá)到數(shù)控的目的，可用高精度DAC來輸出電壓以控制正弦波的頻率。 方案二：直接數(shù)字頻率合成（DDS） DDS是一種純數(shù)字化方法。它現(xiàn)將所需正弦波一個(gè)周期的離散樣點(diǎn)的幅值數(shù)字量存入ROM中，然后按一定的地址間隔（相位增量）讀出，并經(jīng)DA轉(zhuǎn)換器形成模擬正弦信號(hào)，再經(jīng)低通濾波器得到質(zhì)量較好的正弦信號(hào)。 方案三：使用可編程邏輯器件CPLD 在此，采用直接數(shù)字頻率合成(DDFS)技術(shù)，并使用單片機(jī)控制CPLD的方法。由于CPLD具有可編程重置特性，因而可以方便地改變控制方式或更換波形數(shù)據(jù)，而且簡單易行，易于系統(tǒng)升級(jí)，同時(shí)具有很高的性價(jià)比。頻率合成是將一

5、個(gè)高穩(wěn)定度和一個(gè)高精度的標(biāo)準(zhǔn)頻率經(jīng)過運(yùn)算，產(chǎn)生同樣穩(wěn)定度和精度的大量離散頻率技術(shù)，一定程度上解決了既要頻率穩(wěn)定、精確，又要頻率在較大范圍內(nèi)可變的矛盾。 因?yàn)楸荣愐蟛荒苡玫紻AC，并且由于CPLD具有可編程重置特性，因而可以方便地改變控制方式或更換波形數(shù)據(jù)，而且簡單易行，易于系統(tǒng)升級(jí)，同時(shí)具有很高的性價(jià)比，所以我們選擇了方案三。3、 原理分析與計(jì)算3.1系統(tǒng)總分析：MSP430F149微處理器經(jīng)過運(yùn)算對(duì)CPLD傳輸數(shù)據(jù)，CPLD產(chǎn)生了調(diào)節(jié)幅度的占空比控制字、頻率控制字、相位控制字，控制字經(jīng)過DDS后產(chǎn)生占空比可調(diào)方波、對(duì)A波的頻率和相位可調(diào)方波、對(duì)B波的頻率可調(diào)方波以及一個(gè)頻率為20KHz的方

6、波。輸入到模擬電路當(dāng)中，通過模擬電路實(shí)現(xiàn)調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào)相等功能，最后輸出我們想要的幅度、相位、頻率可調(diào)的雙路正弦波。 3.2正弦波產(chǎn)生原理分析窄帶范圍內(nèi)的方波經(jīng)低通濾波后可變換為相應(yīng)頻率的正弦波將幅度為的直流信號(hào)經(jīng)過反相器得到一個(gè)幅度為-的直流信號(hào)，并且將直流信號(hào)與-接入74HC4053當(dāng)中，此時(shí)的開關(guān)由20KHz的方波來控制。得到一個(gè)幅度為的模擬方波，經(jīng)過一個(gè)截止頻率為20KHz60KHz的低通濾波器,可提取出一個(gè)頻率為20KHz，幅度為的正弦信號(hào)。相關(guān)計(jì)算：由以上分析當(dāng)中的模擬方波的波形可知：其正半波的平均值等于負(fù)半波的平均值，所以該模擬方波的直流分量為0。 方波傅里葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)表示的

7、形式 為了提取基頻信號(hào)，把低通濾波器的截止頻率設(shè)為20KHz40KHz,這樣當(dāng)用過低通濾波器之后，提取出頻率為20KHz的正弦信號(hào)。兩路不同頻率的正弦波經(jīng)差頻與低通濾波后可變換為另一低頻正弦波。因?yàn)?Hz-1KHz 的信號(hào)屬于低頻信號(hào)，不能用低通濾波器獲取 ，故由兩個(gè)高頻信號(hào)作差頻獲得。在經(jīng)過低通錄波器濾波后即可得到低頻的正弦波。 是在20001Hz 21000Hz 之間可調(diào)， 固定 20kHz, 則通過調(diào)制的值使所得正弦波在1Hz 1kHz之間可調(diào)。3.3 低通濾波器截止頻率的分析 低通濾波器有一個(gè)截止頻率：,當(dāng)信號(hào)通過低通濾波器時(shí)，頻率高于的都被濾除掉，而頻率低于的則無失真的通過了低通濾波

8、器。 A正弦波產(chǎn)生電路截止頻率的分析： 以上為調(diào)幅正弦波產(chǎn)生電路當(dāng)中方波信號(hào)的傅里葉級(jí)數(shù)的三角函數(shù)形式，由上可知，為了提取頻率為20KHz的正弦波，低通濾波器的截止頻率設(shè)置在20KHz60KHz之間，當(dāng)該方波通過LPF后，頻率低于的只有上述的基頻信號(hào)。B調(diào)頻電路中低通濾波器截止頻率的分析(為CPLD產(chǎn)生的頻率可調(diào)方波)：=由上述兩個(gè)公式可知，當(dāng)與正弦波相乘之后，得到的信號(hào)的頻率點(diǎn)在：當(dāng)=20001Hz時(shí)，頻率點(diǎn)有1Hz、40001Hz、80003Hz、40003Hz。將的低通濾波器截止頻率設(shè)置在1Hz20002Hz，提取出頻率為1Hz的正弦波。當(dāng)=21000Hz時(shí)，頻率點(diǎn)有1000Hz、410

9、00Hz、83000Hz、43000Hz。將低通濾波器的截止頻率設(shè)置在1000Hz41000Hz，提取出頻率為1000Hz的正弦波。綜上所述，當(dāng)在20001Hz變化到21000Hz之間時(shí)，將低通濾波器的截止頻率設(shè)置在1000Hz40001Hz之間，可提取出頻率從1Hz1kHz的正弦波。3.4調(diào)幅分析 由穩(wěn)壓器輸出一個(gè)2.5V左右的電壓作為高電平，再利用跟隨器和反相器將高電平變換成一個(gè)低電平（0V）。將高低電平接入74HC4053當(dāng)中，此時(shí)74HC4053的開關(guān)由CPLD產(chǎn)生的占空比可調(diào)方波控制，當(dāng)方波為高電平時(shí)，開關(guān)接通高電平（2.5V），當(dāng)方波為低電平時(shí)，開關(guān)接通低電平（0V），此后，得到一

10、個(gè)和占空比可調(diào)方波相同的波形，經(jīng)過低通濾波器后，取出幅值的直流信號(hào)。此直流信號(hào)的幅值大小由方波的占空比決定。相關(guān)計(jì)算：占空比等于脈沖高電平時(shí)間與脈沖周期的比值。 =（則是占空比）（為正弦波幅值）所以當(dāng)占空比越大，直流信號(hào)的幅值就越大，因而，正弦信號(hào)的幅值也會(huì)隨著變大。根據(jù)題目要求幅度分辨率不低于12bit；選擇CPLD中調(diào)幅信號(hào)為12位3.5調(diào)相分析(為CPLD產(chǎn)生的頻率可調(diào)方波) 調(diào)相部分由兩路決定，即當(dāng)兩路不同的QUS與在調(diào)頻分析當(dāng)中所說的，與正弦波相乘之后，即可得到不同的相位。所以只要產(chǎn)生兩個(gè)相位不同的，就能達(dá)到相位調(diào)控的目的。相關(guān)計(jì)算： 由此看出：可以通過調(diào)制一路信號(hào)的相位來達(dá)到調(diào)制兩

11、路信號(hào)相位差的目的。只要設(shè)置在0-359度內(nèi)可調(diào)，就可使正弦波在0-359度內(nèi)可調(diào)。3.6調(diào)頻分析A.模擬乘法器，將正弦波和相乘，再低通濾波器濾波。B.用乘法器將與QUS相乘再由低通濾波器濾波。C.由于模擬乘法器比較昂貴，所以我們將反相，利用開關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)模擬乘法器的功能：相關(guān)計(jì)算(；為CPLD產(chǎn)生的頻率可調(diào)方波)：=由于題目要求產(chǎn)生的正弦波頻率在1Hz到1KHz之間，所以設(shè)定為一個(gè)頻率由20001Hz到21000Hz之間的頻率可調(diào)方波，并將相乘后的結(jié)果傳輸給低通濾波器，由上述公式可知，低通濾波器的截止頻率在1000Hz 40001Hz之間，經(jīng)過調(diào)頻電路后產(chǎn)生的最低頻率為20001-20000

12、=1Hz，當(dāng)頻率為21000Hz時(shí)，輸出的頻率為1000Hz。的頻率由20001Hz到21000Hz增加時(shí)，輸出正弦波的頻率同時(shí)增加3.7 DDS原理 頻率控制字Fword（36bit），通過加法器1，并且在通過寄存器后產(chǎn)生一個(gè)反饋給加法器1，在節(jié)點(diǎn)B取最高位賦給A作為已調(diào)頻率方波，同時(shí)，取高十位給加法器2，此時(shí)加法器2輸入相位控制字Pword，進(jìn)行加法運(yùn)算之后，通過寄存器2輸出頻率相位均已調(diào)的方波。 頻率準(zhǔn)確度：達(dá)到題目要求，所以選擇頻率控制字36位.調(diào)頻信號(hào)的頻率計(jì)算公式: （ N為頻率控制字）相位分辨力：達(dá)到題目要求 ，所以選擇頻率控制字10位.4、 關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)4.1微處理器與CP

13、LD接口電路 接口技術(shù)用的是串行通信，數(shù)據(jù)的串行通信有兩種方式：同步和異步。因?yàn)橥酵ㄐ艃H需要一根數(shù)據(jù)傳輸線，結(jié)構(gòu)簡單，但是效率低，并且對(duì)數(shù)據(jù)的傳輸時(shí)鐘要求非常嚴(yán)格，增加了設(shè)計(jì)的難度；所以選擇異步通信，這種方式需兩根傳輸線，一個(gè)CLK1線，一個(gè)DATA線，當(dāng)時(shí)鐘產(chǎn)生上升沿的時(shí)候，開始采集數(shù)據(jù)，并且我們?cè)谶@里增加了第三路判斷DATA起始位的信號(hào)EN。4.2 CPLD內(nèi)部邏輯 If接口模塊產(chǎn)生Fword-a(A波的頻率控制字)、Pword-a(A波的相位控制字)、zkw-a(控制A波幅度的占空比控制字)、Fword=b(B波的頻率控制字)、zkw-b(控制B波幅度的占空比控制字)五個(gè)控制字，五個(gè)控

14、制字通過DDS模塊，產(chǎn)生了四個(gè)輸出：PWMA（占空比可調(diào)方波A）、PWMB（占空比可調(diào)方波B）、FAOUT(頻率和相位已調(diào)方波)、FBOUT(頻率已調(diào)方波)，同時(shí)輸出一個(gè)頻率為20KHz的方波。輸入到模擬電路當(dāng)中，控制調(diào)頻、調(diào)幅、調(diào)相電路。4.5低通濾波電路我們的濾波電路用的是切比雪夫-I型三階濾波電路。切比雪夫?yàn)V波器在過渡帶比巴特沃斯濾波器的衰減快，雖然頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦，但是切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動(dòng)。我們想要快速衰減而允許通頻帶存在少許幅度波動(dòng)，所以用第一類切比雪夫?yàn)V波器。I類切比雪夫?yàn)V波器原理圖：4.6模擬電路邏輯題圖

15、5、 測(cè)試6、 創(chuàng)新1.控制邏輯單元輸出給模擬電路單元的信號(hào)線不超過5條； 2.當(dāng)兩路信號(hào)頻率為1到10間的倍頻關(guān)系時(shí)能同步，示波器觀測(cè)兩路波形穩(wěn)定； 3.設(shè)定的輸出信號(hào)電壓值在整個(gè)頻段內(nèi)，變換量小于5%；4.兩路正弦信號(hào)幅度設(shè)置為零時(shí)，輸出噪聲小于5mV； 5.取消微處理器單元，控制邏輯單元也能實(shí)現(xiàn)獨(dú)立設(shè)置特定參數(shù)信號(hào)的輸出；7、 心得體會(huì) 通過為期十天的比賽，我們不僅僅是在電子設(shè)計(jì)方面的能力得到了提高，更是在自身的耐性，刻苦，合作等方面得到了難以想象的改善，并且，在整個(gè)過程中，也相當(dāng)于是一種學(xué)習(xí)，小組成員們遇到困難，提出問題，共同解決，而且有很好的實(shí)踐環(huán)境，是平時(shí)的學(xué)習(xí)當(dāng)中所不能嘗試的。這次電子設(shè)計(jì)大賽是以三人小組為單位，我們小組中的三位成員之中有的還是第一次見面，不過這似乎并沒有影響我們對(duì)于此次比賽的熱情，因?yàn)槲覀兌加兄粯拥男那?，希望在十天的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程中，在電子設(shè)計(jì)方面的能力得到一