基于单片机与FPGA的实用信号源的设计

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基于单片机与  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 ）

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公司

的芯片作为数字处理主芯片、 公司的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

 并结合!"#语言设计$利用%&并结合汇编语言

设计'。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 ##(技

术设计信号源的方法是可行的。

关键词)信号源*直接数字频率合成*#**单片机

The Design of Practical Signal Source

Based On MCU And FPGA

Xiong Xu-sheng

(College of Physics Science and Information Engineering,Jishou University,

Jishou 416000,Hunan China)

Abstract

The purpose of the design is to design a signal source which is practical and high

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 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 after 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

第一章 引言……………………………………………………………………………+,

  信号源的功能、特点和现状……………………………………………………+,

 - 基于单片机和  的实用信号源的设计………………………………………

+-,

 -  设计的意义………………………………………………………………+-,

 - -设计实现的功能…………………………………………………………+-,

 - .设计的原理………………………………………………………………+-,

第二章信号源的设计技术……………………………………………………………+,

- 频率合成技术的发展…………………………………………………………+,

-  频率合成技术…………………………………………………………+,

-  -频率合成技术的技术指标……………………………………………+,

-  .##(+直接数字合成,技术理论 ………………………………………+,

-  ##( 设计原理和结构 …………………………………………………+,

- -#技术与器件…………………………………………………………

+,

- - #技术 ………………………………………………………………+,

- - - 器件 ………………………………………………………………+/,

第三章系统硬件电路实现………………………………………………………… +/,

. 系统硬件结构图 ……………………………………………………………+,

. - 单片机介绍 ………………………………………………………+,

. -  的性能……………………………………………………… +,

. - - 的时钟电路………………………………………………… +,

. - . 的复位电路………………………………………………… +,

. . 芯片在系统电路中应用与设计 ………………………………………+,

. .  芯片的特性………………………………………………………+,

. . -芯片的应用功能及使用配置…………………………………………+,

. 外设及接口电路实现……………………………………………………… +,

.  液晶显示 …………………………………………………………… +.,

.  -串口通信 …………………………………………………………… +.,

.  .波形生成电路 ……………………………………………………… +.,

. 整体设计结构……………………………………………………………… +,

. 设计模块的划分和各模块设计、仿真…………………………………… +,

.   分频模块（'012-）………………………………………… +/,

.  - 相位累加模块（"(2##1）…………………………………… +/,

.  .相位锁存模块（"(21(1）…………………………………

+,

.   频率累加模块（##12-）……………………………………… +,

.  查找表模块（212(0） …………………………………… +,

. /芯片引脚功能定义 ……………………………………………………… +,

第四章控制系统软件设计………………………………………………………… +-,

 各级菜单的设计…………………………………………………………… +-,

 -系统软件设计……………………………………………………………… +-,

 -  主程序设计及流程……………………………………………………+-,

 - -自检子程序 …………………………………………………………+-,

 - .键盘扫描子程序 …………………………………………………… +--,

 - 串口通信子程序设计…………………………………………………+-.,

第五章电路调试 …………………………………………………………………+-,

 ##( 电路的模拟仿真 …………………………………………………… +-,

 -低通滤波器的设计 …………………………………………………………+-,

第六章系统误差分析与改进措施 …………………………………………… +-,

 系统误差分析 …………………………………………………………… +-,

 -系统的改进措施……………………………………………………………+-/,

第七章结语…………………………………………………………………………+.,

致谢………………………………………………………………………………… +.,

参考文献…………………………………………………………………………… +.-,

III

基于单片机与  的实用信号源的设计引言

第一章引言

  信号源的功能、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

3.4

。

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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#(+#565(56789576$数字信号处理器,；运用

单片机、计数器、只读存储器、#: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

34

。

自从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。 （5;86<

=$现场可编程门阵列）的出现弥补了这一不足。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，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器件

的快速性、外设的替代性，采用最新的 ##( （ #59 #565 >79=

(=7?5，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

 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  中的

查找表数据，##( 就可以产生任意波形，因此具有相当大的灵活性。此外，

的功能完全取决于设计需求，可以复杂也可以简单，而且  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 ##( 设计嵌入到  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 #: 转换器及运放速度的限制，只能输出最大频率为几十

千 "@ 的波形，如果采用高速 #: 转换器和高速运放，可以实现几十 "@ 的输出。

基于单片机与  的实用信号源的设计引言

 - 基于单片机和  的实用信号源的设计

 -  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

34

。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。

 - -设计实现的功能

本设计完成的信号源具有以下几个功能：

+,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。

+-,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 "@$最

大频率受器件性能限制。最小分辨率可以达到 "@，输出波形幅值范围

～!+峰－峰值,，可按步进 !+峰－峰值,调整。

+.,实现自定义波形的输出。

+,能够采集波形，将采集的波形输出，实现波形的复制再现。

+,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。

 - .设计的原理

本设计采用##(技术，该技术是一种用数字控制信号的相位增量技术，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##(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#:得到。这个过程相当于采

样保持及:#转换的逆过程。将经过#: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#: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

3.4

。

本设计的控制器利用单片机完成，##(合成芯片利用实现。单片机通过

键盘进行人机交互，获得欲输出信号的波形，幅值，频率，或者，通过:#转换器

获得欲再生的波形*然后，将生成波形的参数送给芯片，并控制启动芯

片工作。芯片控制基准电源产生合适电压，作为#:转换器的参考电压，然

后从查找表中获得数据，送到#: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#: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:#转换器和片外的1，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公司的单片机作为控制主芯片、

公司的作为##(合成芯片。选择(设计系

统电路的原理图$选择8A9< 设计B图，选择(59软件和<软件

进行模拟仿真。在进行芯片设计时，选用了公司的 

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