正交信号发生器的设计方案综述【文献综述】

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毕业论文文献综述电子信息工程正交信号发生器的设计方案综述摘要：文章首先简单介绍正交信号发生器的概念和应用背景，然后简述了正交信号发生器的工作原理，阐述了DDS工作的基本原理和利用DSPBuilder设计正交信号发生器的基本程序，提出了正交信号发生器的仿真和FPGA实现的基本方法,然后描述了基于AT89C52单片机、锁相环和开关电容滤波器的正交信号发生器的设计和实现方法和采用两片MAXO38同步组合产生两路相位差90度的正交信号，最后再给出笔者的结论，供读者参考。关键词：正交信号发生器；DSPBuilder；DDS；AT89C52单片机；MAX0381引言正交信号发生器是电子技术领域中最基本的电路模块，广泛应用于通信系统、电子对抗、电子测量、科研教学等领域，随着电子信息技术的发展，对其性能要求也越高，如要求频率及相位可灵活调整且分辫率高，能够实现频率及相位的快速切换[1]。故采用基于FPGA的DDFS（直接数字频率合成）技术设计出两路幅度、频率及相位均可预置且方便可调的正交信号。由于正交方波信号较易得到，所以工程人员进行相关检测时所采用的正交信号源通常为方波信号。但通过对方波信号作傅立叶分析可知，这种信号含有丰富的谐波分量，严重影响相关检测中的接收精度及检测灵敏度。采用可控的正、余弦波作正交信号，就可以有效地避免谐波问题。2正交信号发生器工作原理正交信号发生器可输出两个相位差为90度的正弦信号，即一个是正弦信号，另一个是余弦信号[2]。有了正交信号，就可以进行正交调制和正交解调。在用模拟压控振荡器VCO时，输出一组完全正交的信号很困难，而利用DDS技术，只要在基本DDS结构中增加一个ROM查找表，在两个ROM中分别放置一对正交信号即可，例如，一个放置Sin表，另一个放置Cos表。DDS用来产生频率、相位和幅度可变的正弦波。DDS的工作原理是利用正弦信号的相位与时间呈线性关系的特性。采用相位累加方法作为地址，读出相应ROM中的值，得到正弦信号的瞬时幅值，实现频率合成。DDS包括频率控制字、相位控制字、同步寄存器、相位累加器、波形存储器、数模转换器、低通滤波器，见图l所示。 在系统时钟的控制下，相位累加器对频率控制字K进行累加，得到相位码，相位码寻址ROM得到幅值码，经过数模转换后得到相应的阶梯波，再经过低通滤波得到连续平滑的、由频率控制字K决定的模拟输出波形，输出频率为foutfout=K*fc/2N设K=1时，DDS最小分辨率是fmin=fc/2N式中N是相位寄存器字长，输出频率是由K和N决定的。DDS可以用来产生多种波形，只要改变ROM中的数据，预先设置成正弦波、余弦波等，根据查表就可以实现不同的波形。利用DSPBuilder设计DDS，然后转换成VHDL。DDS的分辨率在相位累加器的位数Ⅳ足够大时，理论上可以获得相应的分辨精度。[3]DDS是一个全数字结构的开环系统，无反馈环节，速度非常快。DDS的相位误差主要依赖于时钟的相位特性，相位误差小，相位是连续变化的，形成的信号具有良好的频谱，这是传统的直接频率合成方法无法实现的。相位字输入的数据宽度肘往往小于相位寄存器字长。[4]实际的DDS结构中Ⅳ很大，太大会导致ROM容量的成倍上升，而输出精度受D/A位数的限制未有很大改善，所以我们取Ⅳ的高肘位寻址ROM，这样也出现了截断误差。3正交信号发生器设计方案正交信号发生器的实现平台目前主要有：基于FPGA的实现、基于单片机的实现和基于专用芯片的实现等。本节对这三种实现手段进行阐述。3．1基于DSPBUILDER的正交信号发生器设计用DSPBuilder来设计正交信号发生器，必须要用到DDS技术。直接数字频率合成（Dire技术是一种新型的频率合成技术和信号产生方法。[5]幅度调制在很多场合是需要的，通过改进基本DDS结构，在正弦ROM表后、D/A前放置一个幅度控制模块，一般采用乘法器来实现。此信号发生器的设计流程如图2所示。[6] 图2正交信号设计流程首先利用ModelSim进行RTL级仿真，然后通过QuartusⅡ软件下载到FPGA芯片上，并用双踪示波器观察正交信号发生器的输出波形。要利用Matlab/Sinulink完成正交信号发生器的建模，首先在Matlab的命令窗口中键入“Simulink”进入Simulink环境并找到AlteraDSPBuildr工具箱，在工具箱中找到相应的元件库和元件，根据正交信号发生器工作原理并做出正交信号发生器模型。其中正弦查找表的计算公式是511*sin([0:2*pi/(2^10)：2*pi])，余弦查找表的计算公式是511*cos([0:2*pi/(2^10)：2*pi])。在编译过程中，分别产生1024个数据，存放到扩展名为.mif的文件中。输入的数据是有符号数，但D/A器件的输入数据都是无符号数，所以正交信号发生器的输出应该为无符号数。[7]采用的方法是将波形向上平移512，原理是将乘法器输出的18位数据取高10位，再将10位有符号数的最高位取反并以无符号数输出。这里频率控制字给定一个具体值，相位控制字设定为零，幅度控制字设定为250。可以根据需要改变频率控制字、相位控制字、幅度控制字的值，得到不同的波形。在Simulink中进行仿真，参数是Starttime为0，Stoptime设置为5，Type为Fixed-step，fixedstepsize为le-3。[8]打开示波器模块观察SCOPE观察其波形，改变频率字、相位字，幅度字，波形也随之改变。3.2基于AT89C52单片机的正交信号发生器设计此方法设计框图见图3。单片机采用AT89C52,显示芯片采用MAX7219管理,键盘采用中断方式。由键盘输入欲产生信号的频率fx,单片机通过调用计算程序算出定时器T2的时间常数。当频率较低时,定时器T2工作在16位自动重装初值的加法计数模式。以中断方式实现时间控制,就可以按照设定的频率从P1.0输出方波。设T2定时初值为Y1,因为需要定时为输出信号周期的一半, 所以有式（3-1）。Y1=65536-fosc/(2×12×fx)(式3-1)其中fosc是单片机的外接晶体振荡频率。图3基于单片机的设计原理图当频率较高时,T2工作在波形产生方式,其频率关系为fx=fosc/[4×(65536-Y2)](式3-2)Y2为定时初值,由(3-2)式得Y2=65536-fosc/(4×fx)(式3-3)这时T2不采用中断方式,它可以自动从P1.0输出占空比为50%的方波。波形产生方式的输出可以避免单片机中断而导致的误差.图4为键盘和定时器中断服务的流程图。当频率fx小于20Hz,T2工作为定时中断方式,时间常数按(3-1)式计算,需要定时大于T2的最大定时时,需要一个软件计数器和T2的中断协同工作。当频率fx≥20Hz,时间常数按照(3-2)式计算,T2的工作方式相应切换为波形产生方式。[9]为了减小误差,采用浮点计算,计算结果还需转换为16进制,将计数初值装载到RCAP2H和RCAP2L两个寄存器中。 图4　中断服务程序流程图3.3用MAX038芯片设计正交信号发生器MAX038芯片设计的正交信号发生器的核心部分如图5所示。图5MAX038芯片核心在上述电路中,将MAX038(1)作为主波形发生器,DV+接于+5V上,MAX038(2)作为次波形发生器,DV+悬空。用片①的SYNC去同步片②的SYNC。其中片①的SYNC与片①OUT端波形输出相位相差90°,而片①的SYNC由于DV+悬空,未能主动起振，其相位与片②的OUT端波形相位相同。当片②的SYNC被片①的SYNC强迫同步时,两者将同频同相且同为占空比恒为50%的TTL方波,片②的OUT端则由于内部振荡器与SYNC同步,进而保持与②SYNC同相。[10]由此,输出1与输出2的相位相差90°,二者为正交波形。 系统分四个量程,可由A2、A3、A4控制,采用4100型号的直流5V小型继电器切换量程。由于其驱动电流小,直接采用了7406集电极开路门电路驱动，控制极为方便。每个量程频率范围如表1所示。表1量程频率对应关系量程1234频率范围5Hz-200Hz200Hz-4KHz4KHz-160KHz160KHz-3MHz在每个量程范围内,频率细调主要通过12位AD转换器AD7541实现。系统通过该芯片将D0、Dl…频率最大比可达40倍。另外,为简便电路,AD7541直接采用了MAX038内部2.5V参考源，另一方面,系统采用两片OP27,提高了频率分辨率。经实验测得,系统分辨率可达1KHz。根据需要,输出正交信号可通过A0、Al选择正弦波、方波或三角波。3.设计方案综述3.1利用DSPBuilder设计正交信号发生器的设计方案，简化了硬件设计的难度，不需要使用硬件描述语言编程，只需在Matlab下建立系统模型，然后对各个模块的参数进行简单设置就能完成复杂的电子系统设计。所设计的正交信号发生器可以灵活的调频、调相、调幅，具有较高的频率分辨率和转换速度，实现了全数字化设计，具有极高的性价比。3.2基于单片机、锁相环和开关电容滤波器的设计，可以方便地设置频率,利用定时器T2精确的定时功能和灵活的输出方式生产频率信号。数字移相电路保证了90°的相位移。利用锁相环的倍频功能,确保了开关电容滤波器的信号与时钟比精确,并采用连续时间滤波器来抑制开关电容滤波器的时钟噪声。该波形发生器的频率和相位精度高,能满足一般实验和科研的要求。3.3所述的设计方案在实际应用中往往用于涡流探伤仪器中。经实验证明,该系统不仅程控方便,而且输出频率带宽宽,相位偏差小,性能稳定。只要经过简单修改,即可用于其它各种测量仪表中。结论 信号发生器作为电子工科领域中最基本的设计仪器之一，也是电子线路设计中不可或缺的环节之一，在电子领域中有着举足轻重的地位。尤其是正交信号发生器，随着技术的发展，正交信号发生器的作用也越来越大，以后在我们生活中扮演的角色也越来越重。参考文献:[1]郝小江.基于FPGA的正交信号发生器.兵工自动化2008,27(5):77-79.[2]熊国海.郑东.周亦山.正交信号发生器的设计.电气自动化.2009,31(2):73-74.[5]李小波；孙志勇；刘春生．基于CPLD和单片机的低频信号源设计[J]．仪表技术与传感器，2005,(11)：46～48.[4]张涛,陈亮.现代DDS的研究进展与概述[J].电子科技,2008,21(3):73-78.[3]张李勇,陈朗,张飞舟.基于8051单片机的双通道波形发生器的设计与实现[J].计算机工程与应用,2004,(8):100-103.[6]DSP中文教程[EB/OL],[2010-11-21].http://wenku.baidu.com/view/e56ce48a6529647d27285262.html.[7]潘松，黄继业，曾毓．SOPC技术实用教程[M]，北京：清华大学出版社，2005：172—190.[8]李攀峰,王紫婷.基于DSPBuilder和DDS的正交信号发生器的设计[J].太原科技.2008,(12):78-79.[9]马胜前.正交信号发生器的设计与实现[J].西北师范大学学报:自然科学版,2006,42(6):31-33.[10]马晋国,罗飞路,沈国际.一种可程控正交信号发生器的研制[J].仪表技术.1999,(2):12-14.[11]AbidiAA.Direct-conversionradiotransceiversfordigitalcommunications[J].IEEEJSolid-StateCircuits,1995,SC-30(12):1399-1410.[12]BehzadRazavi.RFMicroelectronics,LosAngeles:UniversityofCalifornia,1998:236-239.