基于CPLD的多功能信号发生器设计

目录摘要…………………………………………………………………………………1前言…………………………………………………………………………………11概述………………………………………………………………………………21.1研究目的和意义……………………………………………………………21.2DDS的发展状况与前景……………………………………………………31.3基于CPLD芯片的解决方案………………………………………………32信号发生器原理………………………………………………………………42.1波形发生器原理……………………………………………………………42.2DDS原理……………………………………………………………………62.3实际实现原理………………………………………………………………73多功能信号发生器的硬件组成和选型……………………………………73.1系统顶层框图………………………………………………………………73.2开发板介绍…………………………………………………………………83.3液晶模块……………………………………………………………………93.3.1液晶显示原理…………………………………………………………93.3.21602液晶…………………………………………………………103.4键盘模块……………………………………………………………………143.4.1传统键盘……………………………………………………………143.4.2键盘改进……………………………………………………………153.5人机交互……………………………………………………………………163.6单片机和CPLD通信的实现………………………………………………174多功能信号发生器的软件设计……………………………………………194.1USART串行通信……………………………………………………………194.1.1USART介绍………………………………………………………194.1.2USART设置…………………………………………………………194.1.3中断…………………………………………………………………224.2QuartusⅡ软件介绍…………………………………………………………234.3VerilogHDL语言介绍………………………………………………………244.4ROM宏模块应用…………………………………………………………254.5单片机对按键数据的处理…………………………………………………284.6ATmega8515单片机软件流程图………………………………………294.7CPLD系统原理框图………………………………………………………294.7.1系统原理框图………………………………………………………294.7.2接口功能模块……………………………………………………304.7.3相位累加器…………………………………………………………314.7.4各种信号的实现方法………………………………………………325系统实现结果及分析…………………………………………………………335.1各模块仿真结果及分析…………………………………………………335.2实际输出结果及分析……………………………………………………356结束语…………………………………………………………………………38致谢…………………………………………………………………………………40参考文献…………………………………………………………………………41附录：………………………………………………………………………………421．CPLD详细系统框图…………………………………………………………422．ATmega8单片机程序………………………………………………………433．ATmega8515单片机程序……………………………………………………444．CPLD程序……………………………………………………………………48511基于CPLD的多功能信号发生器设计摘要：本文详细介绍了基于直接数字频率合成技术（DDS）的信号发生器设计的原理和实现方法。由ATmega8515单片机作为主控芯片，管理键盘输入、液晶显示，实现人机交互，向CPLD传送控制信号及频率字数据。利用Altera公司的设计平台QuartusII，在CPLD上实现各个功能模块，通过D/A输出波形，产生设定频率的正弦信号、三角波信号、方波信号和FSK、ASK、BPSK等调制信号。在写本文之前实物已经完成，能很好的完成预定的波形，所以本文介绍的软件方法和硬件电路都是确切可行的，仿真波形和输出结果都是真实有效的。关键词：1602液晶；单片机；CPLD；DDS；信号发生器Abstract:ThispaperhasdetailedtalkedaboutthetheoriesandmethodsofdesignsofsignalgeneratorwiththetechnologyofDirectDigitalFrequencySynthesis(DDS).Asthemaincontrolchip,theMCUATmega8515managestheinputofkeyboard,thedisplayofLCD,realizeshuman-machineinteractionandsendsthecontrolsignalandfrequencywordstoCPLD.WiththesoftwareQuartusII,madebyAlteracompany,toachieveeachfunctionmoduleinCPLD,useD/Atodisplaysignals,generatesinesignal,trianglesignal,pulsesignalandsomemodulatedsignalssuchasFSK,ASK,BPSKwhichfrequencyhasbeenset.Beforethispaper,thefunctionhasalreadybeenfinished,andcanaccomplishallthepredeterminedtaskperfectly.So,thosesoftwareandhardwarethispaperintroducedareallreliable,andthesimulationwaveformandoutputresultsarerealandeffective.Keywords:LCD1602;MCU;CPLD;DDS;Signalgenerator前言1971年，美国学者J.Tierney的ADigitalFrequencySynthesizer一文首次提出了以全数字技术，从相位出发直接合成所需波形的一种原理。到了80年代后期，随着微电子技术的发展，直接数字频率合成(DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS或DDFS)得到了飞速的发展，它以其特有的优越性能和特点成为现代频率合成技术中的姣姣者。信号源的核心技术是频率合成技术，常用的频率合成技术有直接频率合成、锁相环频率合成和直接数字频率合成（DDS）。DDS是一种从相位概念出发直接合成所需频率的技术。DDS技术因为其具有频率分辨率高、频率切换速度快、相位噪声低和频率稳定度高等特点，而广泛的应用于通信、航空航天、仪表仪器512等领域。DDS的特点是：DDS的频率分辨率在相位累加器的位数N足够大时，理论上可以获得相应的分辨精度，这是传统方法难以实现的。DDS是一个全数字结构的开环系统，无反馈环节，因此其速度极快，一般在纳秒量级。DDS的相位误差主要依赖于时钟的相位特性，相位误差小。另外，DDS的相位是连续变化的，形成的信号有良好的频谱，这是传统的直接频率合成方法无法实现的。本论文第一章简述了对DDS研究的目的和意义，国内外现状和发展趋势，然后提出了利用CPLD实现的方法。第二章详细论述了DDS的原理以及实现的基本思想。第三章具体介绍了整个系统的硬件组成。包括键盘液晶的选择，单片机和CPLD的连接，单片机管理键盘和液晶等内容。第四章主要讲述了整个系统的软件部分，包括主控单片机的软件流程，基于CPLD的DDS各个模块的实现等。第五章给出了各种仿真结果和输出波形，证明了本系统的正确性。第六章是结束语，对本系统做出了评价，以及对系统的不足之处和进一步改进和优化提出了几点意见。1概述1.1研究目的和意义随着科学技术的发展，对信号发生器的要求越来越高，信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，已成为科学研究和实验不可缺少的基本仪器。例如在通信、广播、电视系统中，都需要射频（高频）发射，这里的射频波就是载波，把音频（低频）、视频信号或脉冲信号运载出去，就需要能够产生高频的振荡器。在工业、农业、生物医学等领域内，如高频感应加热、超声诊断、核磁共振成像等，都需要功率或大或小、频率或高或低的振荡器。现在的科学技术遍布各个领域，每个领域都有不同的信号类型要求，有低频的、高频的、正弦信号、三角波信号、脉冲信号、各种调制信号、随机信号等各种信号类型，因此研究一个包含多种功能的信号发生器是有意义的。传统的信号发生器由于波形精度低，频率稳定度差等原因，已不能满足许多513实际应用的需要。因此，对信号发生器的研究，特别是高稳定性高精度的信号源的研究是很有必要的。1.2DDS的发展状况与前景近几年超高速数字电路的发展以及对DDS的深入研究，DDS的最高工作频率以及噪声性能已接近并达到锁相频率合成器相当的水平。随着这种频率合成技术的发展，现已广泛应用于通讯、导航、雷达、遥控遥测、电子对抗以及现代化的仪器仪表工业等领域。直接数字频率合成器的基本优点是在微处理器的控制下.能够准确而快捷地调节输出信号的频率、相位和幅度。近10多年来AD和Qualcomm等几家公司根据这些改进技术推出了一系列性能优良的DDS专用集成电路.其工作频率可达IGHz，频率分辨率可到mHz，排除DAC的限制，杂散指标已可达到-70dbc以下。其应用领域也不再限于频率合成，己有专门用于产生LFM信号的。随着集成电路工艺的不断改善，这些产品的功能也愈来愈强大。现在不仅在一个芯片上能够集成DDS所需要的全部功能，例如频率和相位累加器、相位一幅度变换电路和数模转换器(DAC)等，而且也具备了一些有用的调制能力，例如相移键控(PSK)和正交幅度调制(QAM)等。除了在仪器中的应用外，DDS在通信系统和雷达系统中也有很重要的用途。通过DDS可以比较容易的产生一些通信中常用的调制信号如:频移键控(FSK)、二进制相移键控(BPSK)和正交相移键控(QPSK)。DDS可以产生两路相位严格正交的信号，在正交调制和解调中的到广泛应用，是一中很好的本振源。在雷达中通过DDS和PLL相结合可以产生毫米波线性调频信号，DDS移相精度高、频率突变快和发射波形可突变等优点在雷达系统中也可以得到很好的发挥。信号发生器技术发展至今，引导技术潮流的还是国外的几大仪器公司，如Tektronix、Agilent、日本横河等。美国的FLUKE公司的FLUKE-25型函数信号发生器是现有的测试仪器中最具多样性的几种仪器之一，它和频率计组合在一起，在任何条件下频率都可以达到5MHz，最大输出幅度也达到10Vpp。国内也有不少公司已经有类似的仪器，如南京盛普仪器科技有限公司的SPF120DDS信号发生器，华高仪器生产的HG1600H型数字合成函数/任意波形信号发生器。1.3基于CPLD芯片的解决方案利用可编程逻辑芯片设计DDS的方法通常是采用VHDL语言输入和原理图法相结合来设计整个信号发生电路，这种方法通常需要调用很多模块，综合性较强，对设计者要求较高。用CPLD实现DDS较专用DDS芯片更为灵活，只要改变FPGA中ROM内的数据和控制参数，DDS就可以产生任意调制波形，且分514辨率高，具有相当大的灵活性。将DDS设计嵌入到CPLD芯片所构成的系统中，其系统成本并不会增加多少，而购买专用芯片的价格则是前者的很多倍。所