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1、低成本双路正弦波发生器摘要本系统利用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149和CPLD为核心，产生两路 1Hz1kHz正弦波信号。利用CPLD产生频率可调方波、占空比可调方波、20KHz的方波， 控制模拟电路进行波形变换，变换出正弦波，正弦波的振幅、频率、相位均可调。模拟电路 中通过放大器、滤波电路、开关几个基本电路的结合实现了波形的转换以及振幅、频率、相 位的控制。本系统还配备有液晶屏显示和键盘控制，提供了友好的人机交流平台。关键字：MSP430F149 CPLD、设计任务设计、制作一个低成本双路正弦波发生器，每路信号的频率、幅度及两路信号的相位差 均可程控设置。除工作电源外，正弦
2、波发生器由微处理器单元（含键盘显示X控制逻辑单元 和模拟电路单元三部分组成。要求控制逻辑单元不使用任何存储器资源，模拟电路单元不使 用集成DAC且无可调阻容件。并且，微处理器单元以串行方式向控制逻辑单元发送参数控制字，控制逻辑单元产生若 几个频率稳定的逻辑脉冲输出给模拟电路单元，模拟电路单元经过信号变换后得到预定参数 的双路正弦波。二、方案的选择与确定方案一：使用C8051F040使用C8051F040单片机作为系统的控制核心。单片机具有体积小，片上资源丰富，使用 灵活，易于人机对话，有较强的指令寻址和运算功能等优点，但是该单片机体积较大，功耗 较高。方案二：使用MSP430F149使用MSP
3、430F149单片机作为系统的控制核心。MSP430F149具有体积小，片上资源丰 富和I/O 口多可复用的优点，最重要的是MSP430F149具有超低的功耗，这是其他控制器不 可比拟的优势。在此系统中，我们经过细致的思考，最终选择了 MSP430F149作为整个控制系统的控制 核心，其一是它比C8051F040更适合出现在此系统中，但最重要的一点是MSP430F149比 C8051F040具有更低的功耗，符合我们的设计初衷，所以我们选择了方案二。方案一：使用集成函数发生器芯片ICL8038ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将他作为方波信号发生 器。它是电压控制频
4、率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率 输出。为了达到数控的目的，可用高精度DAC来输出电压以控制正弦波的频率。方案二：直接数字频率合成（DDS）DDS是一种纯数字化方法。它现将所需正弦波一个周期的离散样点的幅值数字量存入 ROM中，然后按一定的地址间隔（相位增量）读出，并经DA转换器形成模拟正弦信号，再经低通滤波器得到质量较好的正弦信号。方案三：使用可编程逻辑器件CPLD在此，采用直接数字频率合成(DDFS)技术，并使用单片机控制CPLD的方法。由于CPLD 具有可编程重置特性，因而可以方便地改变控制方式或更换波形数据，而且简单易行，易于 系统升级，同时具有很高的性价
5、比。频率合成是将一个高稳定度和一个高精度的标准频率经 过运算，产生同样稳定度和精度的大量离散频率技术，一定程度上解决了既要频率稳定、精 确，又要频率在较大范围内可变的矛盾。因为比赛要求不能用到DAC，并且由于CPLD具有可编程重置特性，因而可以方便地改 变控制方式或更换波形数据，而且简单易行，易于系统升级，同时具有很高的性价比，所以 我们选择了方案三。三、原理分析与计算3.1系统总分析：MSP430F149微处理器经过运算对CPLD传输数据，CPLD产生了调节幅度的占空比控 制字、频率控制字、相位控制字，控制字经过DDS后产生占空比可调方波、对A波的频率 和相位可调方波、对B波的频率可调方波以
6、及一个频率为20KHz的方波。输入到模拟电路当 中，通过模拟电路实现调幅、调频、调相等功能，最后输出我们想要的幅度、相位、频率可 调的双路正弦波。键盘显示单元:波形的选择，输入数据微处理器单元：结合液晶屏、键盘对波形进行幅值、频率及相位差的调节实现人机交互控制逻辑单元:产生方波模拟电路单元：滤波产生时钟电源3.2正弦波产生原理分析窄带范围内的方波经低通滤波后可变换为相应频率的正弦波将幅度为a的直流信号经过反相器得到一个幅度为-a的直流信号，并且将直流信号a 与-a接入74HC4053当中，此时的开关由20KHz的方波来控制。得到一个幅度为a的模拟方 波，经过一个截止频率为20KHzf截止60K
7、Hz的低通滤波器，可提取出一个频率为20KHz，幅度为d 的正弦信号。相关计算：由以上分析当中的模拟方波的波形可知：其正半波的平均值等于负半波的平均值，所以该模拟方波的直流分量为0。方波傅里叶级数的三角函数表示的形式(f1 = 20 KHZ )f (t) - d sin(2K x ft) + d sin(6K x ft) + d sin(10K x ft) + +d -她1 兀为了提取基频信号，把低通滤波器的截止频率设为20KHz f截止：40KHz,这样当f (t)用过 低通滤波器之后，提取出频率为20KHz的正弦信号。两路不同频率的正弦波经差频与低通滤波后可变换为另一低频正弦波。因为1Hz
8、-1KHz的信号属于低频信号，不能用低通滤波器获取，故由两个高频信号作 差频获得。sin 2f x sin 2 兮 2t - 2 bos 2 兀(f - f )t - cos 2 兀(f + f )t在经过低通录波器滤波后即可得到低频的正弦波。f 是在20001Hz21000Hz之间可调，f 固定20kHz,则通过调制匕的值使所得正弦波在1Hz1kHz之间可调。3.3低通滤波器截止频率的分析低通滤波器有一个截止频率：f截止，当信号通过低通滤波器时，频率高于f截止的都被滤除掉，而频率低于/截止的则无失真的通过了低通滤波器。A.正弦波产生电路截止频率的分析：f(t) - d sin (2nf t)
9、 + d sin (6nf t) + d sin (10nf t) H1112131以上为调幅正弦波产生电路当中方波信号的傅里叶级数的三角函数形式，由上可知，为 了提取频率为20KHz的正弦波，低通滤波器的截止频率设置在20KHz /截止60KHz之间，当该方波通过LPF后，频率低于/截止的只有上述的基频信号。B.调频电路中低通滤波器截止频率的分析(QUS为CPLD产生的频率可调方波):sin2Kf 1t x qus = sin2nf 1t xsin2兀 f 3xt + sin6k f 3xt + sin10兀 f 3xt + + sin a sin b = cos(a - b) - cos(
10、a + b) 2由上述两个公式可知，当QUS与正弦波相乘之后，得到的信号的频率点在：当 QUS =20001Hz 时，频率点有 1Hz、40001Hz、80003Hz、40003Hz将的低通滤波器截止频率设置在1Hz /截止20002Hz，提取出频率为1Hz的正弦波。当 QUS =21000Hz 时，频率点有 1000Hz、41000Hz、83000Hz、43000Hz。将低通滤波器的截止频率设置在1000Hz /截止41000Hz，提取出频率为1000Hz的正弦 波。综上所述，当qus在20001Hz变化到21000Hz之间时，将低通滤波器的截止频率设置在1000Hz /截止40001Hz之
11、间，可提取出频率从1Hz1kHz的正弦波。3.4调幅分析由稳压器输出一个2.5V左右的电压作为高电平，再利用跟随器和反相器将高电平变换成 一个低电平（0V）。将高低电平接入74HC4053当中，此时74HC4053的开关由CPLD产生的占空比可调方波控 制，当方波为高电平时，开关接通高电平（2.5V），当方波为低电平时，开关接通低电平（0V）， 此后，得到一个和占空比可调方波相同的波形，经过低通滤波器后，取出幅值a0的直流信号。 此直流信号的幅值大小由方波的占空比决定。相关计算：占空比等于脉冲高电平时间与脉冲周期的比值。f （t） = d +产 d sin（2n冗 x f xt +9 ）0n1
12、nn=1a。二竺（-则是占空比）0 t td = 4幻（勺为正弦波幅值）1 兀1所以当占空比越大，直流信号的幅值就越大，因而，正弦信号的幅值也会随着变大。根据题目要求幅度分辨率不低于12bit；选择CPLD中调幅信号为12位3.5调相分析（QUS为CPLD产生的频率可调方波）调相部分由两路QUS决定，即当两路不同的QUS与在调频分析当中所说的，与正弦波相 乘之后，即可得到不同的相位。所以只要产生两个相位不同的QUS，就能达到相位调控的目 的。相关计算：1 ,sin( t + 9 )sin( t) = Jcos(一)t + 9 - cos( + )t + 9 由此看出：可以通过调制一路信号的相位
13、来达到调制两路信号相位差的目的。只要设置在 0-359度内可调，就可使正弦波在0-359度内可调。3.6调频分析A. 模拟乘法器，将正弦波sin2硬1,和sin2兀f 2相乘，再低通滤波器滤波。B. 用乘法器将sin2Kf 1,与QUS相乘再由低通滤波器滤波。C. 由于模拟乘法器比较昂贵，所以我们将sin2矿，反相，利用开关电路，实现模拟乘法器的功能：相关计算(f = 20KHz ； QUS为CPLD产生的频率可调方波):sin2兀ft x qus = sin 2兀ft xsin2城 xt + sin4循 xt + sin6循 xt + F 11333. ，1 r / ,、/sin a sin
14、 b = cos(a -b) - cos(a + b)2由于题目要求产生的正弦波频率在1Hz到1KHz之间，所以设定QUS为一个频率由 20001Hz到21000Hz之间的频率可调方波，并将相乘后的结果传输给低通滤波器，由上述公 式可知，低通滤波器的截止频率在1000Hz f截止40001Hz之间，经过调频电路后产生的最低频率为20001-20000=1Hz，当QUS频率为21000Hz时，输出的频率为1000Hz。QUS的频率由20001Hz到21000Hz增加时，输出正弦波的频率同时增加3.7 DDS原理频率控制字Fword(36bit)，通过加法器1，并且在通过寄存器后产生一个反馈给加法
15、器1, 在节点B取最高位赋给A作为已调频率方波，同时，取高十位给加法器2,此时加法器2 输入相位控制字Pword，进行加法运算之后，通过寄存器2输出频率相位均己调的方波。频率准确度：心板=誓部.&e%达到题目要求，所以选择频率控制字36位.F = Nf 236 clk 调频信号的频率计算公式：（N为频率控制字）360A0 = 0.35 1 210、. . 一一 相位分辨力：达到题目要求，所以选择频率控制字10位.四、关键电路设计实现4.1微处理器与CPLD接口电路接口技术用的是串行通信，数据的串行通信有两种方式：同步和异步。因为同步通信仅 需要一根数据传输线，结构简单，但是效率低，并且对数据的传输时钟要求非常严格，增加 了设计的难度；所以选择异步通信，这种方式需两根传输线，一个CLK1线，一个DATA线， 当时钟产生上升沿的时候，开始采集数据，并且我们在这里增加了第三路判断DATA起始位的 信号EN。4.2 CPLD内部逻辑
