【導讀】第二章直接頻率合成技術(shù)的原理分析................錯誤!頻率合成器是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的重要組成部分，它作為電子系統(tǒng)的“心臟”，在通信、雷達、導航、廣播電視、遙控遙測等許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應用。十分有必要，而且意義重大。基于DDS技術(shù)的信號源，由于可以獲得很高的頻率。幅功能，因此發(fā)展非常迅速。目前我國波形發(fā)生器還沒有形成真正的產(chǎn)業(yè)，并且。加緊對這類產(chǎn)品的研制顯得迫在眉睫。和低雜散的DDS信號發(fā)生器。使用EP1C6Q240C8N型FPGA作為AD9854的控制單。該信號發(fā)生器具有雙路正交輸出，可完。目前數(shù)字通信設(shè)備、雷達和其他電子設(shè)備的檢測儀表和系統(tǒng)集成部件。

　　

【正文】 5 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 20J P 4H E A D E R 10 X 21 23 45 67 89 1011 1213 1415 1617 1819 20J P 6H E A D E R 10 X 2R6R E S 2R7R E S 2R8R E S 2R9R E S 2R 10R E S 2R 11R E S 2R 12R E S 2R5R E S 21A2KD2LED*****************D3LEDD4LEDD5LEDD6LEDD7LEDD8LEDD9LED12345678910J P 9H E A D E R 5X 2IO85IO86IO87IO88IO93IO94IO95IO96IO107IO108IO113IO114IO115IO116IO117IO118IO119IO120+3.3VGNDC L K 2R 201001 23 45 6J P 10H E A D E R 3X 2+ C 3410 0U FC 350. 1U F+ C 3910 0U F+ C 3610 0U F+ C 3710 0U F+ C 3810 0U FR 21R E S 2C 40C A PS1S W S P S T+3.3VI O 14 4162738495J2D B 9R T+ C 4110 0U F+ 3. 3V 圖 FPGA 配置電路原理圖 圖 FPGA 電路 PCB 版圖 第五章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 在本設(shè)計中，使用 Altera 公司的 EP1C6Q240C8N 型 FPGA 作為 AD9854的控制單元，主要負責信號的產(chǎn)生。人機交互模塊由 TI 公司的 MSP430F449 型單片機來完成，實現(xiàn)與 PC 進行通信、液晶顯示和鍵盤接收。 FPGA 與單片機之間采用串行通信。系統(tǒng)中采用 FPGA 與單片機結(jié)合的方式，充分利用了單片機靈活、低功耗和 FPGA 高速、并行的特點 。 信號產(chǎn)生模塊設(shè)計 AD9854 共有 40 個寄存器，其中更新時鐘寄存器和部分控制寄存器在寫入一次之后，當改變信號輸出模式時并不需要再更改。所以，系統(tǒng)一上電，就對這些寄存器進行寫操作。完成后，等待單片機串口 發(fā)來數(shù)據(jù)。根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)，控制 AD9854 輸出信號的模式，并且將頻率和功率寫入對應的寄存器。 AD9854在收到所有需要的控制字之后，開始輸出信號。 FPGA 結(jié)束對 AD9854 的操作，開始等待單片機發(fā)送來新的數(shù)據(jù)。 圖 FPGA 主要控制流程 AD9854 集成調(diào)制模式控制程序分析 AD9854 有五種工作模式 ， 分別為單頻、頻移鍵控、漸增式頻移鍵控、線性調(diào)頻和二進制相位鍵控 ， 模式選擇可在控制寄存器里進行修改。在程序中，這幾串口接收數(shù)據(jù) 配置信號模式 配置信號頻率 AD9854 初始化 開始 配置信號功率 波形輸出 種不同的工作模式通 過不同的方式實現(xiàn)。 圖 程序試題端口定義 單頻模式是主復位后的默認模式。在控制寄存器 1FH 地址的 Bit3 至 Bit1位寫入 “ 000” ，在對應的頻率、幅度和相位寄存器寫入需要控制字之后，程序中判別在此模式下自動跳過無關(guān)的寄 存器，結(jié)束對 AD9854 的寫操作，即可實現(xiàn)單頻模式輸出。 頻移鍵控模式時，程序上首先在控制寄存器 1FH 地址的 Bit3 至 Bit1 位寫入 “ 001” ，與單頻模式不同的是，在對應的頻率、幅度和相位寄存器寫入需要控制字之后，要在頻率控制 2 號寄存器寫入頻移之后的頻率。由于單片機的計算能力有限，在程序中計算好了 1 到 100MHz一共 100 個頻率字，根據(jù)單片機發(fā)送來的數(shù)據(jù)判斷正確的頻率 2 的控制字。程序中設(shè)置了一個向外按字節(jié)發(fā)送一串13 位巴克碼的進程，通過控制芯片的第 29 管腳來實現(xiàn) 2 個頻率之間的跳變，從而實現(xiàn)頻移鍵控模式輸 出。 漸增式頻移鍵控模式是在控制寄存器 1FH 地址的 Bit3 至 Bit1 位寫入“ 010” ，在頻移鍵控設(shè)置相同寄存器的基礎(chǔ)上，程序中要再設(shè)置寫頻率間隔寄存器和增長幅度寄存器，實現(xiàn)自動頻掃的功能。程序中結(jié)束寫控制字的狀態(tài)機之后，就使用控制調(diào)制的進程對 AD9854 進行控制。 線性調(diào)頻模式時在控制寄存器 1FH 地址的 Bit3 至 Bit1 位寫入 “ 011” ，程序中與漸增式頻移鍵控模式一樣也要寫頻率間隔寄存器和增長幅度寄存器，從而實現(xiàn)自動頻掃的功能。在程序中定義了 5 到 30MHz一共 25 個線性調(diào)頻帶寬，根據(jù)單片機發(fā)送來的數(shù) 據(jù)判斷正確的帶寬值發(fā)送給 AD9854。 二進制相位鍵控與頻移鍵控在程序中的實現(xiàn)方法較為相似，但是在控制寄存器 1FH 地址的 Bit3 至 Bit1 位寫入 “ 100” 。而不同之處就是在程序中不是向頻率控制 2 號寄存器中寫入數(shù)據(jù)，而是向相位控制 2 號寄存器中寫入數(shù)據(jù)。同樣使用程序中相同的巴克碼調(diào)制進程控制兩個相位之間的跳變。 圖 寫寄存器數(shù)據(jù)時序圖 FPGA 實現(xiàn)幅度調(diào)制程序分析 AD9854 芯片本身不具有幅度調(diào)制的功能，但是根據(jù)幅度調(diào)制的原理，可以通過 FPGA 與 AD9854 現(xiàn)有功能的組合來實現(xiàn) 。在控制 AD9854 實現(xiàn)幅度調(diào)制時，程序開始與單頻模式相同，先 在控制寄存器 1FH 地址的 Bit3 至 Bit1 位寫入“ 000”。但是在對應的頻率和相位寄存器寫入需要控制字之后，程序進入一個循環(huán)，每個進程時鐘向 AD9854 的幅度寄存器寫入事先計算好的正弦序列，從而達到 AD9854 的輸出幅度呈現(xiàn)正弦調(diào)制。 FPGA 實現(xiàn)頻率調(diào)制程序分析 AD9854 芯片本身也不具有幅度調(diào)制的功能，但是與幅度調(diào)制相同，可以通過 FPGA 與 AD9854 現(xiàn)有功能的組合來實現(xiàn)。程序其他部分與幅度調(diào)制相同，寫完控制字后， 程序進入一個循 環(huán)，每個進程時鐘向 AD9854 的頻率寄存器寫入事先計算好的正弦序列，從而達到 AD9854 的輸出頻率呈現(xiàn)正弦調(diào)制。 人機交互界面 人機交互模塊主要由主程序、鍵盤模塊、液晶顯示模塊和串口通信模塊組成。其中鍵盤和串口通信模塊是最主要的部分，實現(xiàn)了信號發(fā)生器的兩種外圍控制方式。下面主要對這兩個模塊的程序進行分析。 圖 MSP430 單片機主程序 人機交互模塊采用 MSP430 單片機作為核心芯片，當使用鍵盤作為輸入時，程序中通過掃描按下的鍵，給出對應的鍵值。在 12864 液晶屏上顯示輸入的數(shù)據(jù)，當輸入完所用的數(shù)據(jù)后，按下確認鍵。程序中檢測到確認鍵按下后，將之前接受的數(shù)據(jù)打包，按照規(guī)定好的格式，以 9600 波特率通過串口發(fā)送給 FPGA。 圖 鍵盤 按鍵分布 圖 鍵盤 PCB版圖 本系統(tǒng)中采用程序控制掃描工作方式。鍵盤掃描程序自復位后就開始工作，時刻監(jiān)視鍵盤，有無鍵按下，在監(jiān)視鍵盤過程中，允許定時器中斷，即同時動態(tài) 顯示數(shù)據(jù)或信息。鍵盤掃描的具體過程如下 : 查詢是否有鍵按下。首先 向行掃描口輸出全為 0 的掃描碼，然后從列檢測口輸入列檢測信號，只要有一列信號不為“ 1”，則表示有鍵按下。接著要消抖再次確認是否有鍵按下。 消去抖動。由于按鍵是機械開關(guān)，在觸點閉合或斷開的瞬間會出現(xiàn)電壓抖動的現(xiàn)象，所以在程序中要有消抖部分，才能正確識別被按下的鍵。步驟是在延時 10ms 后，再次讀鍵判斷，若兩次的狀態(tài)相同，說明信號穩(wěn)定，可以繼續(xù)確定按鍵的位置。 確定按下鍵的行列值。將得到的信號取反，為 1 的位即為鍵所在的列。接著進行逐行掃描，依次使輸出為 0，讀取所在列輸入信號，若為 0，則可確定行值。如果各行都 掃描以后仍沒有找到，則放棄掃描，認為是鍵的誤動作。 鍵值譯碼。掃描函數(shù)的返回值為行列鍵盤的鍵特征碼，若無鍵按下，返回值為 0。根據(jù)得到的鍵碼查表，確定 MSP430 所要進行的操作，執(zhí)行相應功能鍵服務(wù)程序。 當使用外部串口進行控制時，通過上位機向單片機發(fā)送規(guī)定格式的數(shù)據(jù)，單片機檢測到數(shù)據(jù)接收完成后，將數(shù)據(jù)發(fā)送給 FPGA。同時在 12864 液晶上顯示“串口控制”，并且鎖定鍵盤，防止數(shù)據(jù)干擾。由于 MSP430F449 單片機是集成了雙串口，所以使用上更加便捷。發(fā)送控制部分與接收控制部分 分別是通關(guān)過兩個移位寄存器組成的。在發(fā)送時，當數(shù)據(jù)正在進行發(fā)送，此時 UTXIFG0=1，表示不能再向外發(fā)送數(shù)據(jù)，一定要等到現(xiàn)在的數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，即 UTXIFG0=0 時才能繼續(xù)發(fā)送。同樣，在接收時，當接收到一串數(shù)據(jù)之后，會使 UTXIFG0=1，表示接收數(shù)據(jù)的過程已經(jīng)完成，此數(shù)據(jù)可以被取走。在本設(shè)計中，串口接收模式采用中斷方式，在串口發(fā)送模式下采用主動方式。兩個串口分別工作，互相之間并不會產(chǎn)生干擾。 圖 MSP430 單片機串口設(shè)置程序 第六章 系統(tǒng)調(diào)試與分析 6． 1硬件調(diào)試 硬件電路的調(diào)試分三步走： PCB板卡測試、元器件功能測試、整體測試。 第一步 PCB板卡測試，主要是對沒有焊接任何元件的空 PCB板進行測試，測試的對象主要是一些布線密集的信號線、電源線和地線等。測試的內(nèi)容主要是看信號線有沒有短路或者短路，電 源和地是否短路等，是否每個器件相應的電源和地的連接都是正確的，避免在芯片的時候損壞芯片。 第二步元器件的測試，主要是在元器件焊到了 PCB板上以后進行的測試，由于元件大部分都是貼片的，需要仔細焊接，對系統(tǒng)中大量使用的電容電阻要進行仔細的篩選并要求對號入位，而且要防止芯片虛焊導致系統(tǒng)不能正常工作的現(xiàn)象。 第三步整板測試是在元件焊接完成但未加電前對電路板進行的檢查。該過程是對器件引腳功能的再檢查，查看設(shè)計是否正確。整板測試可以按照先電源和地，再逐個器件引腳的順序測試。 10dBm~20dBm 衰減誤差 ＜ 20dBm~50dBm 衰減誤差 ＜ 雜散測試 ＜ 40dBc 50M Hz120MHz ＜ 30dBc 輸出頻率： ~ 120MHz。 頻率分辨率： ； 調(diào)制模式： BPSK； FSK； Ramped FSK； ASK； Chirp； AM；FM 輸出電平： 50 dBm ~ +10 dBm； 輸出阻抗： 50Ω； 掃頻范圍： 5MHz ~ 30MHz； 調(diào)制度： 0 ~ 60%； 最大頻偏： 1 Hz； 系統(tǒng)噪聲電平： ＜ 70 dBm； 諧波失真： ＜ 30 dBc； 非諧波失真： ＜ 50 dBc； ； 第七章 總結(jié)與展望 本文根據(jù)現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展需要以及直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的特點，設(shè)計出了一套基于 DDS 的高精度信號源，該信號源能夠?qū)崿F(xiàn)掃頻、 相移鍵控 和頻移鍵控等調(diào)制功 能，并且可以動態(tài)顯示輸出信號的頻率和正弦波信號的瞬時電壓值。 本文主要完成了以下主要工作： (1)經(jīng)過對信號源設(shè)計技術(shù)的研究，分析并指出模擬合成法和直接頻率合成法等傳統(tǒng)設(shè)計方法的局限性，闡述了 DDS 技術(shù)在信號發(fā)生器中應用的優(yōu)勢。 (2)闡述了性能價格比較高的 AD9854直接數(shù)字頻率合成器芯片的基本原理和性能特點，以及用其研制的信號源。根據(jù)課題的要求，給出了基于 DDS 技術(shù)的信號源設(shè)計的總體方案，設(shè)計開發(fā)了基于 DDS 的硬件系統(tǒng)，給出了整個系統(tǒng)的硬件電路圖，詳細論述了系統(tǒng)中 FPGA 主控模塊、通信模塊、核心模塊等的 組成原理和設(shè)計實現(xiàn)方法。 (3)對軟件進行調(diào)試并進行仿真測試，并用頻譜儀觀察產(chǎn)生的波形，給出了多種調(diào)制模式下的波形。 實驗表明，所設(shè)計的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)掃頻、 相移鍵控 和頻移鍵控等調(diào)制功能，并能夠動態(tài)的顯示信號頻率以及正弦信號電壓的瞬時值。信號的頻率、相位、幅度的調(diào)節(jié)精度和抗干擾性等技術(shù)性能指標基本上達到了預期的設(shè)計目標。 通過本文設(shè)計以及對 DDS 的研究表明， DDS 技術(shù)可以應用在高速寬帶頻率合成領(lǐng)域，特別是在對頻率切換速度、頻率分辨率及相噪、雜散要求較高的場合，DDS 技術(shù)顯示了特殊的優(yōu)勢。