数字式移相信号发生器

数字式移相信号发生器（精选5篇）

数字式移相信号发生器 篇1

1 系统设计方案

1.1 系统定义

基于单片机的数字式移相信号发生器是一个实际应用系统,可为相关实验及实际应用提供支持,包括硬件系统的详细设计及C语言在基本控制中的应用。在硬件系统设计中,经过研究分析,最终决定该系统应包含以下7部分功能电路,分别是晶振时钟与复位电路、操作控制电路、CPU控制核心电路、地址译码与数据锁存电路、LED显示电路、D/A转换与信号放大电路、移相网络电路。系统的软件设计应包含的功能程序有系统初始化、按键识别与操作程序、中断服务程序、正弦波发生程序、三角波发生程序、方波发生程序。

1.2 系统总体框图

系统框图分为信号发生器和移相网络2个部分,如图1所示。

2 系统硬件设计

对硬件电路进行设计,主要包括如下几个部分:

2.1 操作控制电路

利用SB1键控制仪器发出正弦波、三角波、方波,SB2键加大信号频率,SB3键减小信号频率,SB4键显示信号频率。

2.2 核心CPU控制电路

AT89S52单片机需要5 V直流稳压电源。为了使电路性能更好,可以在74LS138和DAC0832的VCC和GND上跨接一个0.1μF的瓷片电容,进行滤波消噪。

2.3 移相网络电路

由RC模拟移相网络对输出的正弦信号进行移相功能的实现。

2.4 晶振时钟与复位电路

12 MHz的晶振和2个电容构成了简单的晶振振荡电路,为CPU提供12 MHz的时钟。1个电容2个电阻和1个按键构成了简单的上电复位电路。

2.5 LED显示电路

运用3个7段LED数码管显示系统发出函数信号频率的个位、十位、百位。

2.6 D/A转换与信号放大电路

采用芯片DAC0832将单片机输出的数字信号转变为模拟信号,经运放LM324放大输出,将示波器的一个通道接到OUT端即可看到发出的相应波形。

2.7 地址译码与数据锁存电路

地址译码电路用1片三—八译码器74LS138即可,运用3片74HC574组成数据锁存电路。

系统采用较为普及的AT89S52单片机作为系统的核心,它不但容易实现设计指标,而且还有较好的性能价格比,各元器件的选择较固定,电路设计方面也与实际使用相近,从整体系统来看存贮器扩展、按键接口、总线驱动器、可靠性设计等方面还应多考虑。

AT89S52内不带ROM,需扩展程序存储器。从容量、速度和价格等方面考虑,目前市场上不同容量的EPROM电路价格相仿,而且容量大的芯片,速度也高,故选用容量较大的2764EPROM(8K),这样可简化硬件结构。

在使用应用系统时,可能会受到多种干扰的侵袭,直接影响到系统的可靠性。因此,本系统应考虑加入去耦电容,制板时使地线在电路板周围形成环形抗干扰填充区,以减少干扰,确保精度。

3 软件系统设计

3.1 编程思路

软件系统分为2个部分:

(1)主程序部分。主程序主要功能是判断按键是否按下,设置定时器,设置计数器,设置中断,循环往复检查是否有键按下,传送信号给各芯片等。

(2)中断服务部分。中断程序的主要功能是当定时器定时一到,就关闭定时器,并且判断是哪个键按下的,然后根据按下的键来产生不同类型的波形。

3.2 程序流程图

根据上面的程序思路,定制的软件流程应该包括系统初始化、各种波形程序的写入、锁定频率、进入中断后的服务等等,如图2所示。

4 系统测试报告

4.1 系统使用环境

本设计用于实验室中。微机通讯软件可运行于Windows环境。

4.2 系统调试说明

根据方案的要求,调试过程共分3大部分:硬件调试、软件调试、软硬件联调。电路按模块调试,各模块逐个调试通过后再联调。单片机先在最小系统板上调试,确保EPROM及RAM正常之后,再与硬件系统联调。

4.2.1 硬件调试

(1)移相网络电路调试,利用信号发生器产生信号对移相网络进行性能调试,在调试过程中,出现信号弱的情况,应该在输出端接入若干功放,以增大信号幅度。对出现的移相信号波形失真的情况,接入滤波电路,会使其波形平滑,去除干扰。对移相不明显的情况,更换精度高的可调电阻,达到移相明显且精确的效果。

(2)信号发生电路调试,由于信号发生电路部分比较复杂,会对电路产生干扰,因此采取了一些抗干扰措施,例如在电源与D/A转换电路间接有去耦电容。实践证明,这些措施对消除某些引脚上的“毛刺”及高频噪声起到了很好的效果。

4.2.2 软件调试

该系统的软件系统不是很大,而且全部采用C51编写,由于一般仿真器对C51的支持都有一定的缺陷,软件调试比较复杂,除了语法差错和逻辑差错外,当确认程序没有问题时,通过直接下载到单片机来调试。采取的是自下到上的调试方法,即单独调试好每一个模块,然后再连接成一个完整的调试系统。

4.2.3 软硬联调

该系统的软件和硬件之间的联系很紧密,一般是软件计算完毕后,直接由单片机控制实现功能。因此在软硬件都基本跳动的情况下,系统的软硬件联调难度不是很大。在联调过程中,应注意小心操作,防止不当操作导致的系统硬件的物理性损坏,更不能擅自修改函数程序,以防软件不能正常运行。在调试过程中,应遵守电路调试一般守则,遇到问题理性对待,才能实现系统功能,达到设计目的。

5 结语

以单片机为核心的数字式移相信号发生器用于单片机技术的实际应用,也可用于实验信号的产生,其比较典型的接口电路设计也为实际应用提供参考。本设计是结合笔者个人所学和工作经验进行的,是自己对单片机技术的理解和实际技术的总结,论文中可能会存在一些不足之处,敬请各位专家和工程技术人员批评指正。

摘要：详细介绍了数字式移相信号发生器的基本原理,并从实用的角度分析了运用该系统实现信号发生、相位移动、频率显示功能所采取的主要方法。同时对影响系统自身稳定工作的各种干扰进行了分析。并以AT89S52单片机的使用为例,介绍了系统在调试实验中取得的良好效果。该信号发生系统对教学实验和各类实际应用具有重要的实际意义。

关键词：数字式移相信号发生器,硬件系统,软件系统,AT89S52单片机

参考文献

[1]李杏春.单片机原理及使用接口技术.北京:北京航空航天大学出版社,1996

[2]孙涵芳.Intel16位单片机.北京:北京航空航天大学出版社,1997

[3]Schafer.Discrete-Time Signal Processing.Englewood Cliffs NJ:Prentice-Hall,1989

数字式移相信号发生器 篇2

Digital Signal Processing —

Teaching Project

第一讲：信号的采集、基本DSP系统

Lecture 1 Conceptual introduction of DSP

 了解技术背景、各种信号的特征、A/D转换、采样与量化、Nyquist 定理

一、连续信号的采样与量化

信号的分类与特点、模拟信号到离散信号的转换、Nyquist采样定理以及量化。

二、采样前后频谱的变化

模拟信号以及相应离散信号频谱之间的关系。

三、从采样信号恢复连续信号

如何从采样后的离散信号恢复模拟信号。

Questions:(1)What is the advantage of DSP ?(2)Why generally put a LPF and a amplifier before the A/D conversion ?

第二讲：离散信号的描述与基本运算、线性卷积

Lecture 2 Discrete signal: its description and computations

 掌握离散信号的描述方法、典型信号的特征、信号之间的基本运算以及线性卷积 信号与系统分类

一、信号的分类

模拟信号、离散信号、数字信号

二、系统分类

模拟系统、离散系统、数字系统 连续时间信号的采样与量化 1 离散时间信号—序列

一、典型的序列

离散信号的时域描述；冲击信号、单位阶跃信号、指数信号、正弦信号等的描述。

二、序列的运算

信号序列之间的基本运算，能量的计算以及分解等。线性卷积

序列的线性卷积运算、具体步骤。

Questions:(1)What is absolute time for a time index n of x(n)?(2)In practical application, is determined signals such as sine need to be processed ? If not, what type of signal is we mostly faced ?

第三讲：系统的分类与描述

Lecture 3 Linear shift-invariant system and its description

 掌握LSI、因果、稳定、FIR、IIR系统的特征；LSI的I/O描述；线性常系数差分方程；系统结构描述 离散时间系统一、离散时间系统的类型

线性系统、移不变系统、因果系统、稳定系统、IIR与FIR系统。

二、离散时间系统的描述

LSI系统的I/O关系（线性卷积形式）、差分方程描述。

Questions:(1)Which system description is mostly used in practical application, why ?(2)Can a IIR system be replaced by a FIR system ?

第四讲：Z变换与系统函数

Lecture 4 Z transform

 掌握Z变换；系统函数以及零极点分析；系统函数与差分方程之间的转换 Z变换

一、Z变换的定义及其收敛域

双边Z变换、收敛域的概念、典型信号的Z变换；不同分布序列的收敛域特征。

二、逆变换

基本逆Z变换的定义、留数法以及幂级数法计算。

三、Z变换的性质

导数与极值等特性。离散时间系统的Z变换分析法

一、系统函数

系统函数定义；不同系统的系统函数特点；极点与零点的特性、与差分方程的关系等。

二、离散时间系统的信号流图描述

系统的结构框图、流图描述方法。

Questions:(1)why we need study Z transform, how important converge region is ?(2)why the condition for a causal stable LSI is that its converge region includes the unit circle ?

第五讲：离散信号的傅立叶变换

Lecture 5 Discrete time Fourier transform

 掌握离散信号的傅立叶变换DTFT；频谱、幅度谱与相位谱；离散信号DTFT的特征 离散信号的傅立叶变换

一、离散信号傅立叶变换的定义

离散信号DTFT与IDTFT的定义，典型信号的DTFT计算。

二、离散信号的傅立叶变换与Z变换的关系

单位圆上的Z变换。离散信号傅立叶变换的特点

Questions:(1)What a point on magnitude spectrum states ?(2)What is relation between frequency components of a signal and the points of its spectrum curve ?

第六讲：系统频率响应与频谱关系

Lecture 6 System frequency response and spectrum relations

 掌握LSI系统频率响应概念；零极点对频谱的影响；模拟信号频谱与对应离散信号频谱的关系。线性移不变系统的频率响应系统函数零极点与频率响应的关系离散信号频谱与模拟信号频谱之间的关系

一、离散时间傅立叶变换的导出

Questions: 从模拟信号以及频谱推导到离散信号的频谱。模拟信号频谱与对应离散信号频谱之间的关系。

二、DTFT与FT的关系 系统函数与频率响应的关系，零点和极点对系统频率响应的影响。由线性移不变系统对复指数信号的作用推导出系统的频率响应。对称、周期、卷积等特性，帕斯维尔（Parseval）定理。(1)What a point on magnitude frequency response states ?(2)What is response of a system to the points of spectrum of input signal ?

第七讲：频谱分析与应用

Lecture 7 Spectrum analysis and application

 掌握频谱的基本信息特征；频谱分析的典型应用；短时谱分析的概念 频谱分析与应用

一、频谱的基本特征

通过复正弦信号的频谱说明DTFT的意义以及频谱分析的意义。

二、信号调制与语音合成

通信中AM调制与语音合成中频谱的应用。

二、短时频谱分析

Questions:(1)propose some examples of spectrum analysis in application(2)what is the influence of short time processing for spectrums ?

第八讲：周期信号的傅立叶级数表示

Lecture 8 Fourier series of periodical discrete signal

 了解周期信号的DFS描述； DFS的频谱特征； 周期卷积 周期信号的离散傅立叶级数表示

一、离散傅立叶级数

周期信号的DFS定义及频谱分析。

二、周期卷积

从一个周期求和的线性卷积导出周期卷积。

第九讲：离散傅立叶变换 阐述实际应用中的频谱分析方法。Lecture 9 Discrete Fourier transform

 掌握DFT；DFT的基本前提与特征；频率取样定理；DFT与DFS和DTFT的关系 离散傅立叶变换离散傅立叶变换特性

一、有限长特性与频域采样定理

描述DFT的时频有限长特性；DFT作为DTFT采样的频域采样定理。

二、循环卷积特性

Questions:(1)Why we need DFT ?(2)What is the difference between DFT and spectrum sampling ?

第十讲：短时离散傅立叶变换

Lecture 10 Short-time DFT

 掌握循环卷积；STDFT的概念和实用意义；时间分辨率与频率分辨率 短时离散傅立叶变换分析

一、短时离散傅立叶变换的定义

非有限长信号的STDFT定义；STDFT与原始频谱之间的关系。

二、频率分辨率与时间分辨率

Questions:(1)why it is said, for non-stationary signal, short-time DFT is a unique selection ?(2)Is zero-padding enough for high frequency resolution ? 短时频谱的时间分辨率与频率分辨率，及其短时窗长的影响。有限长信号的循环卷积。DFT与IDFT的定义；DFT与短时谱；从DFT的信号完备恢复。

第十一讲：快速傅立叶变换与应用

Lecture 11 Fast Fourier transform ant application

 掌握基2运算的FFT算法；了解FFT在信号处理中的应用 快速傅立叶变换

一、基于时选的快速傅立叶变换

时域实行奇偶分解的FFT算法。

二、基于频选的快速傅立叶变换快速傅立叶变换的应用

一、信号去噪与语音识别

谱相减方法的去噪处理；应用频谱特征的语音识别应用。

二、利用FFT计算线性卷积

线性卷积与循环卷积的关系；通过循环卷积与DFT的对应关系得到FFT计算线性卷积的方法。

Questions:(1)Is there any difference between DFT and FFT ?(2)Can you propose a new fast algorithm of DFT ?

第十二讲：数字滤波器类型与技术指标

Lecture 12 Digital filter type and technical parameters

 了解IIR、FIR数字滤波器的结构特点；滤波器的设计技术指标；IIR数字滤波器的一般设计方法 数字滤波器的技术指标

频域实行奇偶分解的FFT算法。IFFT快速算法与FFT的关系。

三、傅立叶反变换的快速计算 通带、阻带、截止频率（3dB下降）、通带与阻带边界频率、阻带衰减。无限脉冲响应数字滤波器的结构模拟滤波器到数字滤波器的转换

一、脉冲响应不变法

从时域脉冲响应保持不变原理分析导出模拟滤波器到数字滤波器的转换。

二、双线性变换法

Questions:(1)how many technical parameters must be set for design of filter ?(2)what is advantages of bilinear transform ?

第十三讲：IIR数字滤波器的设计

Lecture 13 Design of IIR filter

 掌握Butterworth、Chebyshev和椭圆滤波器的设计方法；脉冲响应设计法与双线性设计法； LPF与HPF、BPF、BSF的转换 IIR滤波器的特性

一、巴特沃兹滤波器

Butterworth滤波器的特点；相应滤波器的设计方法。

二、切比雪夫滤波器 Chebyshev滤波器的特点；相应滤波器的设计方法。

三、椭圆滤波器

椭圆滤波器的特点以及设计方法。IIR滤波器设计的频率变换方法 从克服模拟滤波器到数字滤波器转换过程中频率畸变的问题，导出双线性频率变换方法。直接Ⅰ与Ⅱ型结构；级联与并联结构；全通滤波器。

一、模拟低通滤波器到其它滤波器的变换

模拟低通滤波器转换到高通、带通、带阻滤波器的方法。

二、数字低通滤波器到其它滤波器的变换

Questions:(1)do you think Butterworth is much easier than others ?(2)what is a general steps for design of IIR filters ?

第十四讲：IIR滤波器的应用与系数量化效应

Lecture 14 Application and coefficient effects of IIR filter

 了解IIR滤波器设计中的系数量化效应和实际应用 IIR滤波器实现与系数量化效应

一、IIR滤波器的实现

IIR滤波器的硬件与软件实现方法。

二、系数量化效应IIR滤波器应用

一、小循环阻抗容积信号处理

说明滤波器的具体应用与效果。

二、DTMF双音频信号的合成Questions:(1)Is it OK for use of IIR filter in image processing ?(2)Propose other IIR filter applications.介绍用一个IIR滤波器如何完成输出一个单频率信号。滤波器系数量化效应对性能的影响分析。数字低通滤波器转换到数字高通、带通、带阻滤波器的方法。第十五讲： 线性相位FIR滤波器及窗函数设计原理

Lecture 15 Linear phase FIR filter and principle of window method

 掌握FIR滤波器的特点；线性相位概念、意义及其实现条件；FIR滤波器窗函数设计法原理。FIR数字滤波器的特点

一、基本特点

脉冲响应、差分方程、系统函数以及系统结构等方面的特点。

二、线性相位特点

线性相位概念、系统设计中的意义，举例说明。

三、线性相位FIR滤波器的实现条件

如何实现线性相位，不同奇偶点数的区别。窗函数设计法原理

一、窗函数设计法原理

从时域逼近角度分析导出窗函数设计法，说明失真的情况。

二、理想低通滤波器

Questions:(1)What is the importance of linear phase for a filter ?(2)Can IIR be realized as a linear phase filter, why ?

第十六讲：窗函数设计分析与实例

Lecture 16 Design analysis and examples of window method

 掌握Hamming窗等5种基本窗函数的具体设计方法；特别是Kaiser窗设计实例 窗函数设计法分析

一、各种窗函数设计法 描述一个理想LPF的特点，特别是幅度特性。矩形窗、汉宁窗、哈明窗、布莱克曼窗、凯泽窗设计FIR的方法、特点。

二、窗函数设计法的进一步分析与总结

对窗长、窗的类型在设计中的影响做总结分析。利用凯泽窗设计FIR滤波器

一、低通滤波器设计

凯泽窗设计LPF的具体举例分析。

二、高通通滤波器设计

凯泽窗设计HPF的具体举例分析。

三、带通滤波器设计

凯泽窗设计BPF的具体举例分析。

四、带阻滤波器设计

凯泽窗设计BSF的具体举例分析。

Questions:(1)are you confident for design of FIR filter now ? why ?(2)If you are assigned to design a untypical filter, how can you do ?

第十七讲：频率取样设计与等波纹优化设计

Lecture 17 Frequency design and equal-ripple method of FIR filter design

 掌握频率取样设计方法；等波纹优化设计方法 频率取样设计法

一、频率取样设计法原理

从频率抽样形成DFT频谱，并进一步得到有限长脉冲响应的思路介绍，说明其实际失真。

二、设计实例分析等波纹逼近优化设计方法

举例说明频率取样设计法的具体过程、从不成功设计到成功设计的转变思路与方法。

一、最小均方误差优化设计 LMS准则下的优化设计介绍。

二、等波纹逼近优化设计法

Questions:(1)which is more excellent as a method ?(2)why some points must be set in transition band ?

第十八讲：系数量化效应与FIR滤波器应用

Lecture 18 Application and coefficient effects of FIR filter

 了解 FIR滤波器的系数量化效应以及实际应用 系数量化效应与溢出控制

一、系数量化效应

有限字长条件下滤波器系数的量化对频谱的影响，引起失真的情况。

二、溢出控制

怎样处理滤波器输出数据对D/A转换器或其他接收器的输入溢出问题。FIR滤波器应用

一、信号去噪

举例说明运用FIR实现限带噪声消除的实际应用。

二、信号的高频提升

Questions:(1)If to implement a FIR in a MCU, what should you consider ?(2)Propose some other application examples.最小误差意义下的频域的等波纹逼近，具体设计方法，MATLAB仿真设计举例。

数字式移相信号发生器 篇3

信号发生器是一类非常重要的电子仪器, 在科学实验、产品研制以及系统测试中都是必不可少的。在现代电子测量技术的研究及应用领域中, 常常需要高精度且频率可调的信号源。而随着大规模可编程逻辑器件FPGA的发展以及可编程片上系统 (SOPC) 设计技术的日渐成熟, 为这类信号发生器的设计与实现提供了理论依据与技术支持。

直接数字式频率合成技术 (DDS) 是新一代的频率合成技术, 由于具有频率切换时相位连续、噪声低以及全数字化易于集成等优点而被广泛采用。随着近几年对DDS的深入研究以及该技术的发展, 目前DDS技术已广泛应用于通信、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。

2 DDS工作原理

典型的DDS系统结构如图1所示, 这种结构可以分为四个部分:相位累加器、波形ROM查找表、数模转换器 (DAC) 以及低通滤波器 (LPF) 。频率控制字K和相位控制字分别控制DDS输出波形的频率和相位。DDS系统的核心是相位累加器, 它由一个累加器和一个N位相位寄存器组成, 每来一个时钟脉冲, 相位寄存器以步长K增加。

其工作过程为:在时钟f的作用下, 相位累加器对频率控制字K进行线性累加, 当相位累加器累积满量时, 就会产生一次溢出, 累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。其与相位控制字之和送至波形ROM查找表进行转换。当取不同的频率控制字K时, 将导致相位累加器的不同相位增量, 这样波形ROM查找表输出的波形频率就不同。从波形ROM查找表输出的幅度码, 经过DAC变换后得到模拟的阶梯波电压, 阶梯波电压经LPF平滑后, 可得到所需的波形信号。

3 正弦波设计及其仿真

DDS系统可以很方便地获得频率分辨率很精细且相位连续的信号, 也可以通过改变相位字改变信号的相位, 因此也广泛用于数字调频和调相。在系统频率控制字K不变的情况下, 通过改变系统的移相位进而改变寻址地址, 从而改变了波形的相位。波形的变频是通过改变系统的频率控制字的输入, 在系统抽样时间间隔不变的情况下, 将会直接导致系统的频率变化。正弦波信号在QUARTUSⅡ仿真如图2, 移相π/2仿真如图3, 2倍变频仿真如图4。

4 硬件实现与测试

硬件系统采用核心板与外设板组合的形式, 其核心板采用的FPGA主芯片是某公司的CycloneⅡ系列EP2C5Q208C8, 两个外设版分别具有按键输入和DA输出的功能, 如图5。通过示波器检测到系统产生的正弦波信号如图6, 其移相变频后如图7。

5 结束语

本文分析了DDS的结构组成及工作原理, 选择了以FPGA为核心的设计方案, 该方案不用外接专用DDS芯片, 具有高性价比、电路结构简单等特点。选择某公司的EP2C5Q208C8为核心芯片, 以VHDL为描述手段, 设计出了一种结构简单、性能优良的移相变频正弦信号发生器。实验结果表明, 该信号发生器具有输出频率准确、频率稳定度和分辨率高、转换速度快等特点。

参考文献

[1]M.Kumm, H.Klingbeil and P.Zipf:Circuit and System I Vol.57 (2010) , p.2487-2497.

[2]F.F.Sha and X.K.Zhang:Journal of Test and Measurement Technology Vol.27 (2013) , p.340-348 (in Chinese) .

[3]D.X.Yang and Y.F.Ju:Electronic Design Engineering Vol.21 (2013) , p.90-93 (in Chinese) .

[4]X.Liang and W.M.Wang:Review of Scientific Instruments Vol.80 (2009) , p.124703.

[5]Y.H.Deng, L.M.Wu, L.K.Zhang and Y.H.LI:Chinese Journal of Scientific Instrument Vol.30 (2009) , p.2255-2261 (in Chinese) .

[6]K.J.Jia, Y.G.Zhao, Y.Lv and H.Q.Wang:Pac.-Asia Conf.Circuits, Commun.Syst., PACCS Vol.2 (2010) , p.121-123.

数字式移相信号发生器 篇4

1 数字移相调制技术 (PSK) 的基本原理

图1表示数据a=[1 0 0 0 1 1 1 1]的2PSK基带信号波形、其对应的调制信号波形、其对应的2DPSK基带信号波形和调制信号波形, 2DPSK波形定义首字符为0, 调制时以一个周期调制一个码元, 图1第一个波形表示a的2PSK基带信号波形, 第二个波形表示经码变换后的以0开始的2DPSK基带波形, 第三个波形表示a的2PSK调制信号波形, 第四个波形为a的2DPSK调制信号波形。

由图1可以看出PSK是以相位来区分0、1码元的, 2DPSK和2PSK之间的区别仅仅在于:2PSK是直接利用载波的相位来表示0、1代码, 2DPSK是用载波的相对相位来区分码元0、1的, 如上图用一个周期表示一个码元时, 当调制信号的两个相邻周期的相位相同时表示代码1, 相位不同时表示代码0。在实际的2DPSK调制实现是这样的:先对信号码元进行码元变换, 然后再进行2PSK调制。

2 数字移相键控 (PSK) 的MATLAB仿真

上图为滤波后信号与载波相乘后的信号波形, 也就是调制程序输出的已调信号。从图中我们可以看出, 输入信号在基带波形成型后进行了极性变换, 原来的码元0变换为了-1、1则仍为1。并且这个程序是对一个码元采样八个点的。根升余弦滤波主要是对基带波形做了变换, 使得原基带波形变得比较圆化, 并且有一定的滤波时延和拖尾, 在这个程序中因为采用的是51阶滤波, 所以时延为3个码元。载波调制后输出的已调信号是通过余弦波形的相位来区分码元的, 其中相位0表示码元1, 相位180度表示码元1。并且该程序使用的是2PSK调制, 没有使用2DPSK, 如果要进行2DPSK调制, 只需要在基带波形成型前对输入信号进行码元变换, 在解调程序的判决输出后, 对码元进行反变换就可以实现了。

接着运行解调程序, 解调程序可分两种情况运行, 一种是在不加任何躁声的情况下解调输如信号, 得到的解调信号是理想化的信号。实际的通信系统中是不存在没有噪声的情况的, 因此, 为了更好的模拟现实通信系统, 就有了第二种方法, 在调制信号后加入高斯白躁声, 然后再进行解调, 这样解调出来的信号是比较接近现实的通信情况的。本文为了更好的体现程序的正确性, 对两种情况都进行了仿真。

本MATLAB程序仿真的算法是是一种比较可行的算法, 其误码率最大也是低于0.025的。在调制与解调的过程中都使用根升余弦51阶滤波器滤波时, 是有6个码元的滤波时延的。也就是说解调出来的前6个码元是不正确的, 而输出到调制程序的信号的最后6个码元是解调不出来的, 为了解决这个问题, 可以在输入信号时, 在需要调制的信号的末尾加6个无用的码元。而在解调积分判决输出解调信号时从第7个码元开始输出。

摘要：本文叙述了数字相位调制及解调的基本原理和方法, 并用MATLAB软件仿真其算法, 最后用数字信号处理芯片 (DSP) 实现了BPSK调制与解调。

关键词：数字移相键控调制解调,MALTAB仿真,数字信号处理器

参考文献

[1]程佩青, 著.数字信号处理教程.第二版.北京:清华大学出版社.2001年.

[2]樊昌信, 等, 编著.通信原理.第五版.北京:国防工业出版社2001年5月.

移相全桥电路偏磁补偿的数字实现 篇5

随着现代功率变换技术的飞速发展,对电源的重量、体积、可靠性和效率等提出了更高的要求。而应用于斩波电路的移相全桥DC/DC电路作为中大功率开关电源的首选拓扑电路,相比于传统的硬开关主电路拓扑,移相全桥变换器能够实现ZVS,控制容易,在功率变换的众多场合倍受欢迎[1]。移相全桥拓扑中存在三个值得研究的问题: 滞后桥臂ZVS的实现、占空比丢失问题和偏磁问题。就偏磁问题而言,有许多论文给出了相应的解决方案,文献[2]采用在变压器初级加隔直电容,直流分量落在隔直电容上,在软件上不需要做任何处理就可以解决偏磁问题,实现简单,应用型强,但是引入隔直电容影响滞后桥臂ZVS的实现,并且降低了系统的效率。文献[3]采用UC3879,在硬件上实现偏磁补偿功能,实现方案复杂,可移植性差。文献[4]通过检测原边电流的直流分量来检测偏磁,但是变压器偏磁时原边电流的直流分量难以检测,这种方案不能可靠地检测到偏磁现象。本文基于对移相全桥电路偏磁现象的研究,提出了采用峰值电流检测的方案,并基于FPGA实现移相全桥DC/DC电路的控制。

1 偏磁现象产生的原理

移相全桥电路拓扑如图1 所示。在图1 中,偏磁是指加在高频变压器T原边两端的正反向脉冲电压的伏秒乘积不等,从而造成变压器磁芯的磁滞工作回线偏离坐标原点的现象。磁滞回线如图2 所示,对于如图1 所示的移相全桥电路而言,加在变压器原边两端的电压为交变的方波电压,如果方波电压的脉冲宽度相等,幅值也相等,磁芯工作点将沿着磁滞回线对称地往复移动,这种情况下不存在偏磁现象。但是当正负电压脉冲伏秒不相等时,假设正电压伏秒数大于负电压脉冲伏秒数,则B会超过- Bmax到+ Bmax的区间,变压器铁心饱和,原边等效为一个较小的电感,变压器初级电流会剧烈增加,系统工作异常。

偏磁的产生有多种因素:(1)开关管参数不一致。实际应用中同一桥臂上下两个开关管的参数,如通态压降、开通关断时间不同会引起变压器正负向电压的幅值或脉冲宽度不等。实际中,IGBT的通态压降相比于母线电压可以忽略,这个因素对偏磁的影响很小,但是IGBT的开通关断速度直接影响到脉冲宽度,是导致偏磁现象的一个重要原因。(2)驱动板驱动信号传递时间有误差。实际应用中驱动电路参数不可能完全一致,导致脉冲宽度存在固定的误差。但是芯片传递信号的时间误差在纳秒级,对脉冲宽度的影响很小。(3)控制系统的影响。在所设计的系统中采用光纤通信传递PWM信号,帧长度为10,速率为10 MHz,即控制板向驱动板送PWM信号的误差为1μs,当开关频率不为2μs的整数倍时,脉冲宽度存在最大1μs的误差。由此可见,控制系统的影响可以在程序上消除,只要选择合适的开关频率即可。对于一个固定的系统而言,在系统稳定运行的过程中上述三个因素基本不会发生变化,所以需要补偿的偏磁参数最终是稳定不变的。

2 偏磁处理的数字方案

移相全桥电路正常工作时,分为六个状态[5,6]。

状态1: IGBT T1 和T4 导通,变压器原边回路为Udc- T1 - T- T4,副边回路为D1 - Lo- Co/ RL- D4 - T,有如下表达式:

联立式( 1) 和使( 2) 求得:

状态2: IGBT T2 /D2 和T4 导通,变压器原边回路为D2 /T2 -T - T4,副边回路为D1 - Lo- Co/ RL- D4 - T,有如下表达式:

联立式( 4) 和使( 5) 求得:

状态3: IGBT T2 和T3 /D3 导通,变压器原边回路为Udc- D2- T - T3 / D3,副边回路为D1 - Lo- Co/ RL- D4 - T和D2 - Lo-Co/ RL- D3 - T,有如下表达式:

联立式( 7) 和使( 8) 求得:

状态4~6与状态1~3类似,不再累赘。

变压器原边电流峰值为:

变压器发生偏磁时,原边电流波形会异常,最直观的现象表现在正负峰值电流上。由式( 10) 可以求得移相全桥电路正常工作时的峰值电流ipmax。如果驱动板上的FPGA检测到的电流正负峰值均接近ipmax,则没有发生偏磁; 如果检测到正峰值接近ipmax而负峰值远大于ipmax,则FPGA输出向下偏磁信号; 如果检测到负峰值接近ipmax而正峰值远大于ipmax,则FPGA输出向上偏磁信号,FPGA依据偏磁信号来实现偏磁补偿功能。

图3 为IGBT的驱动信号与原边电流的波形图,忽略死区时间,正常时所有驱动信号的占空比为50%,T1和T2为超前桥臂,T3和T4为滞后桥臂。如果变压器向原边电流为正的方向偏磁,那么应该减小正电压脉冲宽度或者增加负电压脉冲宽度,反之则增大正电压脉冲宽度或者减小负电压脉冲宽度。在软件实现上无法实现PWM信号的超前,而只能实现PWM信号的延时,故只能采用增加正负脉冲的宽度来补偿偏磁。为了简化控制的复杂性,在不改变死区时间的前提下只在超前桥臂上进行补偿。如果变压器向原边电流为正的方向偏磁,那么T2的PWM信号延迟关断,反之T1的PWM信号延迟关断。信号延迟的时间即为偏磁补偿的时间,由PI控制器调节。

偏磁处理的数字方案在驱动板上的FPGA实现,程序框图如图4 所示。变压器原边电流由电流传感器采集,经低通滤波器处理后进入A/D芯片,FPGA对A/D采样结果进行数字滤波,并选择出每个或每几个开关周期的正幅值P_ampl和负幅值N_ampl,设置比较窗口Loop。若P_ampl - N_ampl > Loop,则偏差输出为1; 若N_ampl - P_ampl > Loop,则偏差输出为- 1; 否则偏差输出为0。偏差经PI运算后输出T1 或者T2 的PWM信号延迟时间,不断调节并最终消除偏磁现象。

3 试验结果

该控制策略已经成功应用于一台输入电压为500 V ~ 900 V、输出电压为640 V和输出功率为30 k W的轻轨辅助逆变器上,主电路采用图1 的拓扑结构,开关频率为8 k Hz。控制板上DSP负责电压环的控制,驱动板上FPGA负责原边电流采样、偏磁检测和偏磁补偿。由于偏磁补偿程序并不改变死区时间,所以该偏磁补偿策略对滞后桥臂ZVS的实现没有影响。

试验波形中uo为输出电压,ip为变压器原边电流,t为时间。图5 为输入电压600 V、输出电压600 V、负载22. 5 k W、没有加偏磁补偿时的波形,图6 为输入电压600 V、输出电压640 V、负载22. 5 k W、没有加偏磁补偿时的局部波形图。图7 为加入偏磁补偿时的波形。从试验波形中可以明显地观察到偏磁现象,电流峰值发生异常,但不存在明显的直流分量,这也是本文采用峰峰值电流检测的方案而不采用平均值电流检测方案的原因。没有加入偏磁补偿时,系统启动后存在持续的偏磁现象,而加入偏磁补偿后,原边电流会不断调节直至完全对称,即消除了偏磁。图8为额定负载条件下系统稳定运行波形,输入电压为750 V,输出电压为640 V,输出功率为30 k W,由图8 知,进行变压器偏磁补偿后,变压器原边电流正负对称,变压器没有发生偏磁。

4 结束语

本文通过对偏磁现象的分析,采用峰值电流检测的方案检测偏磁,并通过PI控制器进行闭环补偿,由试验验证了这种方案的可行性。这种偏磁补偿方案具有闭环控制器的特点,能快速稳定补偿变压器的偏磁。

摘要：提出一种有效的电流闭环偏磁补偿方案,通过检测变压器原边电流的峰值来判断移相全桥电路是否发生偏磁现象,并由PI控制器运算得到PWM信号的补偿值,从而达到补偿偏磁的效果,最后通过试验波形验证了补偿方案的可行性。

关键词：移相全桥电路,偏磁,电流闭环补偿,PI控制器,PWM信号

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