第 24卷 第 2期 2009年 6月 Iournal of Anhui University of Technology and Science 安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报 VoI．24．No．2 Jun．．2009 文 章 编 号 ：1672-2477(2009)02—0043—03 基 于 FPGA 的 多 功 能 函数 发 生 器 刘 琼 ，景 宁 波 (1．安 徽 工 程 科 技 学 院 安 徽 省 电 气 传 动 与 控 制 重 点 实 验 室 ．安 徽 ．芜 湖 241000 2．西 安 科 技 大学 电气 与 控 制 工程 学 院 ，陕 西 ，西 安 710054) 摘 要 ：以 C8051F040高性 能 片 机 、AD9850和 Ahera Cyclone Et 1C3 F144 FI GA 为 核 心 。由控 制 模 块 、信 号 产 生 模 块 、放 大 模 块 、凋 制 模 块 、键 盘 及 LCD显 示 等 模 块 组 成 的 系 统 ．实 现 了频 率 范 阿 为 20 Hz～20 MHz、步 进 为 10 Hz，电 压峰 一峰 值 为 6 V… 的正 弦波 信 号 输 出 ；用 FPGA 产 生 的 1 kHz的调 制 信 号 控 制 AD603放 大 器 增 益 实 现 模 拟 幅度 调 制 (AM )信 号 输 出 ；根 据 调 制 信 号 幅 度 改 变 AD9850频 率 控 制 字 实 现 模 拟 频 率 调 制 (FM)信 号输 出 ；川 FI GA 实 现 了 2ASK 和 2PSK 数 字 调 制 信 号 输 出 ． 关 键 词 ： 片 机 ；信 号发 生 器 i凋 制 ；频 率 中图 分 类 号 ：rrI 273．4 文 献 标 识 码 ：A 信号 发生 器在 当今 通信 、电子 测量 仪表 、雷达 等 电子 系统 中发 挥 着非 常 重要 的作 用 ，高频 信 号 源更 被 誉 为是 现代 电子 系统 的“心 脏”．利用 目前较 先进 的直 接数 字 频率 合 成 (DDS)技 术制 作 了一 台高 频 正 弦信 号 发生 器 ，具 有输 出精度 高 、频带 范 圃宽 、控 制简单 方 便等 特点． 1 系 统 硬 件 电 路 设 计 1．1 系 统 设 计 制模块、信I 放大模块、调制模块、人机接口模块． 1 ∞51 F’ ’I l )9850 I I股 踊I M，FM输n5 H H霞 嚣 幺 系统总体框图如图 l所示． T i f 1．2 本没计要求系统正弦波的输出频率范围在L-_J匕 I I I I L ：l 出 频 率 范 围 在 囱囱 匝抖 1× 10 ～ 1 x lO Hz，频 率 步 进 为 i00 Hz，并 且 输 图 l 系统总体 框图 出信号 的频 率稳 定度 要优 于 lO～．利用 AD9850，可 以方 便 的实现 上述功 能 和指标 ．AD9850是 AD公 司生 产 的一 种专 用 的 DDS芯 片 ，最 高 时钏-l 5 MHz，可 与单 片机 通过 并 行或 串行 通 信 ，完 成将 3 bit的外 部输 入频率 数据 与 5 bit的 AD9850芯片 内部频 率相 位控 制字 『百J的转 换． 1．3 正 弦 波 信 号 的 自动 增 益 控 制 系统要 求在 5O Q 负载 电阻 上 ，输 出 电压 峰一峰值 V。 一(6± 1)V．然 而 从 AD9850输 出的信 号 ，其 峰～ 峰值 随信号 频率 的高 低有 所不 同 ，但 总体 上很 小 ，约 在 0．1～ 1 V．为 了满 足 高 电压 值 的输 出 ，必须 对该 信 号进行 宽带 放大 ，以满 足 系统要 求． 此 信号放 大模 块 采用 集 成 可变 增 益放 大 器 AD603作 自动增 益 控制 的前 级放 大 ，AD603是一 款 低噪声 、精 密控制 的 可变增 益放 大器 ，温度稳 定性 高 ，最 大增 益 误差 为 0．5 dB， 其增 益与控 制 电压成 线性 关 系 ， 此可 以很方 便地使 用 D／A输 出 电压来控 制放 大器 的增 益． 1．4 模 拟 幅 度 调 制 (AM )信 号 的 产 生 利用 FPGA 输 出 一 路 频 率 为 1 kHz的 正 弦 波 调 制 信 号 ，加 载 到 自动 增 益 控 制 模 块 的控 制 端 ．使 AD9850输 出的 正 弦信号 幅 度随着 调制 信号 的 幅度 而 改 变 ，从 而 产 生模 拟 幅度 调 制 (AM)信 号．模 拟 幅度 调 制 原 理 框 图 如 图 2所 示 ． 1．5 模 拟 频 率 调 制 (FM )信 号 的 产 生 利用 C8051F040单 片机 直接产 生频 率为 1 kHz的正弦 波调制 信号 ，依据 恢信 号 的幅度 ，改变 AD9850 的频 率控制 字 ，从 『『l『实现 模拟 频率 调制 (FM)信号 输 出． 收 稿 日期 ：2008—09—01 作 者 简 介 ：刘 琼 (198卜)，女 ，陕 西 延 安 人 ，讲 师 

· 44 · 安 徽 工 程 科 技 学 院 学 报 第 24卷 1．6 二 进 制 数 字 ASK 与 PSK 信 号 的 产 生 本环节通 过 FPGA产 生 3路波形 ：第一 、二路 频率 为 100 kHz、相位相 差 180。的正弦 波信号 ，第三路波 特率 为 10 kbps的数 字基带 信号．ASK与 PSK信 号产生 的原理 如图 3所 示． 图 2 模 拟 幅 度 调 制 原 理 框 图 图 3 ASK 与 PSK 信 号 产 生 原 理 框 图 当开关 S1打到位 置 2，模拟开 关 CD4052在 FPGA 产生 的 第三 路数 字基 带 信号 的控制 下 ，根据 该 信 号 的“0”或“1”，不 断的在第一 路正 弦信号和地 之I'~-J切换 ，其输 出波形 如图 4所 示． 当外部 开关打 到位置 1，CD4052在 FPGA第三路 数字基 带信号 的控制 下 ，根据 该信号 的“0”或“1”，在 第一 路和第 二路相位 相差 180。的正 弦信号之 间切换 ，其 输 出波 形如 图 5所示． … 』 一 删册一!厂] !厂_ — VVL] 图 4 ASK 信 号 示意 图 测 W ＼／Y＼／V 图 5 PSK信 号示 意 图 2 系统 软 件 设计 2．1 开机 菜 单 设 计 为使 系统更具 人性 化 ，我 们 设计 了开 机菜 单 (见 图 6)．能 让 使用者通 过菜单 直观 了解 系统功 能及各项 人 口，方 便使用 ． 2．2 AD9850编 程 原 理 AD9850的频率／相位控制 宁共 有 40 bit，其 中 32 bit为 频 率控制 字 ，5 bit为相 位 控 制 宁 ，l bIt是 电源 休 眠控 制 ，最 后 2 bit为工 作方式控 制 ，本 系统应 将其 中的电源休 眠控 制位 、工作 方式控 制 位 分 别 没 置 为 “0”和 “OO”．只 要 将 控 制 字 写 入 AD9850，加 电 后 AD9850就 能 正 常 输 出标 准 的 正 弦 波 ． 图 6 开 机 菜 单 程序 流 程 图 2．3 FPGA 程 序 设 计 (Verilog语 言 ) FPGA在 本系 统 中，主要作为 辅助的信 号 发生 器使 用 ，它 实 现 了 ASK、PSK 数字 信 号 调制 及 AM 信 号 的调制 信号输 出． 3 系统 调试 及 测 试 3．1 仪 器 设 备 系统调试 时 ，我们 采用先 分后合 的原则 ，先分 别调 试各单元模 块 ，每项 调 试通过后 再进行 整机 调试 ，提 高 了效率 ．各单元 模块 的调试顺 序 ：单 片机控制模 块 一 DDS模 块 一 FPGA实现 模块 一 自动增益控 制模 块 一 外加辅 助 电路 ．其 中 ，控制模块 用 Keil 51结合 Cygnal IDE集 成环境 进行调试 ，单 片机控 制模块 比较 简单 ，达 到 了要求 ．FPGA 实现模 块用 Quartus II 4．1进 行软件 仿真 ，效 果 良好 ． 对 系统进行 测试采用 的仪器 ：XJ4318双 踪示 波器 20 M Hz，MFG8250A 函数信 号 发生 器 ，WD-5稳 压 稳流 电源 ，数字万 用表 D I、9508，TDS1012数字示波 器 ，PC机．在 室温 25～27 C的情况下 测定 ． 3．2 测 试 结 果 经测 试 ，该系统实 际输 出的正 弦波 ，频率 范 同可 以达 到 (20～2)×10 Hz、频 率 步进 最 小 可 达 10 Hz， 利用 自动增 益控制 将输 出信号在 5O Q负载 的 电压 峰一峰值 稳定 提 升 到(64-0．5)V，输 出正 弦波 信号 的 失 真度约为 l ，其最大 频率 可达到 2O MHz，并 且稳 定 度超 过 l0 ．美 国 MAX公 司生产 的 MAX038芯 

第 2期 刘 琼 ．等 ：基 于 FPGA 的 多 功 能 函 数 发 生 器 ·45 · 片 ，最高 频率 可达 20 M ，电压 峰一峰 值从 0．5～5 V，失 真度 为 0．75 ，与 MAX038芯片 相 比较 ，基 本满 足 函 数 信号发 生器 的指标 ． 4 结 语 本 设计 利用 新 型高性 能单 片机 C8051F040、DDS专 用芯 片 AD9850矛¨FPGA 芯 片 EP1C3T144，通 过 软 件 编 程 和 较 少 的辅 助 电 路 实 现 了 信 号 发 生 器 的 功 能 ，取 得 了 良好 的 效 果 ．各 项 指 标 如 表 1所 示 ．另 外 ，系 统还 扩展 了模 拟调制 信号 (AM 、FM)和数 字调 制信 号 (PSK、ASK)输 出功 能． 表 1 测 量 数 据 参 考 文献 ： [1] 任 志 平 ．基 于 EDA 技 术 的 智 能 函 数 发 生 器 的设 计 EJ]．科 学 技 术 与 工 程 ．2008(2)：8-4。76—78． [2] 武 庆 生 ． 片机 原理 及应 川 [M]．北 京 ：电 子科 技 出 版社 ，2003． [3] 黄 智 伟 ．全 国大 学 生 电 子设 计 竞 赛 训 练 教程 [M]．北 京 ：电 子 工业 出版 社 ，2005． E4] 塞 尔 吉 欧 ，佛 nl5哥．基 于 运 算 放 大 器 和 模 拟 积 成 电路 的 电路 设 计 [M]．西 安 ：西 安 交 通 大 学 出 版 社 ，2004． [5] 童 K飞 ．C8051F040系 列 -'0片 机 开 发 与 c语 言 编 程 [M]．北 京 ：北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社 ．2005． E6] 尚飞 ，刘 琳 ．双 DDS芯 片 的 锯 齿 波 信 号 发 生 器 设 计 [J]．河北 北方 学 院 学报 ：自然 科 学 版 ，2008．24(2)：16—18． Sine signal generator LIU Qtong，JING Ning—bo (1．A hui Provincial Key Laboratory of Electric and control， A nhui U niversity of rreehnology and Science， A nhW uhu，china， 241000； 2．T he A utom ation Departm ent of X i'an University ()f Science and T echnology，X i an 710054．China) Abstract：T he core of this system is com posed by high perform ance m icrocontro1ler C8051F040，A D9850 and Ahera Cyclone EP1C3T144 FPGA ，including control module，signal generating module，am plifying module，modula ring module，keyboard，I CD and SO on． Sine signal can be generated by this system ． The which frequency range is 2O Hz～ 20 M H z，step is 10Hz and peak to peak voltage is 6 V。pp． Signal output of simulation amplitude modulation (A M ) is realized by the amplifier A1)603，whose gain is con— trolled by lkH z m odulating signal w hich generated by FPG A ． A ccording to the am plitude of m odulating signal， the frequency control w ord of A D9850 can be changed． Consequently，the signal output of sim u～ lation frequency modula rion (FM )is realized． Output of 2 ASK and 2 PSK digital modulation signal is realized hy FPG A ． Key words：microcontrol1er；signal generator；modulation；frequency