任意波形发生器已成为现代测试领域应用最为广泛的通用仪器之一，代表了信号源的发展方向。直接数字频率合成(dds)是二十世纪七十年代初提出的一种全数字的频率合成技术，其查表合成波形的方法可以满足产生任意波形的要求。由于现场可编程门阵列(FPGA)具有高集成度、高速度、可实现大容量存储器功能的特性，能有效地实现dds技术，极大的提高函数发生器的性能，降低生产成本。 本文首先介绍了函数波形发生器的研究背景和dds的理论。然后详尽地叙述了用FPGA完成dds模块的设计过程，接着分析了整个设计中应处理的问题，根据设计原理就功能上进行了划分，将整个仪器功能划分为控制模块、外围硬件、FPGA器件三个部分来实现。最后就这三个部分分别详细地进行了阐述。 在实现过程中，本设计选用了Altera公司的EP2C35F672C6芯片作为产生波形数据的主芯片，充分利用了该芯片的超大集成性和快速性。在控制芯片上选用了三星公司的上S3C2440作为控制芯片。本设计中，FPGA芯片的设计和与控制芯片的接口设计是一个难点，本文利用Altera的设计工具QuartusⅡ并结合Verilog—HDL语言，采用硬件编程的方法很好地解决了这一问题。论文最后给出了系统的测量结果，并对误差进行了一定分析，结果表明，可输出步进为0.01Hz，频率范围0.01Hz～20MHz的正弦波、三角波、锯齿波、方波，或0.01Hz～20KHz的任意波。通过实验结果表明，本设计达到了预定的要求，并证明了采用软硬件结合，利用FPGA技术实现任意波形发生器的方法是可行的。
上传时间： 2013-08-03
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通信与信息技术行业飞速发展，已成为我国支柱产业之一。随着该行业的迅速发展，社会对具备实际动手能力人才的需求也不断增加，高校通信教学改革势在必行。在最初的通信原理实验设备中每个实验独立占用一块硬件资源，随着EDA技术的发展，实验设备厂商将CPLD/FPGA技术作为独立的一项实验内容，加入到通信原理实验设备中。FPGA技术具备集成度高、速度快和现场可编程的优势，适合高集成度和高速的时序运算。本文总结现有通信原理实验设备的优缺点，采用FPGA技术设计出集验证性和设计性于一体，具备较高的综合性和系统性的通信原理实验系统。 本系统提供了一个开放性的硬件、软件平台，从培养学生实际动手能力出发，利用FPGA在通用的硬件上实现所有实验内容。学生在本系统上除了能完成已固化的实验内容，还可以实现电子设计开发和验证。这对培养学生的实践能力大有裨益。 本文结合数字通信系统基本模型，把基于FPGA的通信原理实验系统划分为信号源模块、发送端模块、信道仿真模块、接收端模块和同步模块几部分。其中，模拟信号源采用dds技术，能够生成非常高的频率精度，可作为任意波形发生器。发送端和接收端模块结合到一起组成多体制调制解调器，形成多频段、多波形的软件无线电系统。载波同步采用全数字COSTAS环提取技术，具备良好的载波跟踪特性，利用对载波相位不敏感 的Gardner算法跟踪位同步信号。 本文首先介绍了通信原理实验系统的研究现状和意义；然后根据通信系统模型从《通信原理》各个章节中提炼出各模块的实验内容，分别列出各实验的数字化实现模型；继而根据各模块资源需求选取合适FPGA芯片，并给出硬件设计方案；最后，给出各模块在FPGA上具体实现过程、系统测试结果及分析。测试和实际运行结果表明设计方法正确，且功能和技术指标满足设计要求。 关键词：通信原理，实验系统，FPGA，dds，多体制调制解调，全数字COSTAS环，位同步
上传时间： 2013-07-07
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随着科学技术的飞速发展，电子测量技术被广泛应用在电子、机械、医疗、测控及航天等各个领域，而电子测量技术要用到各种形式的高质量信号源，因此任意波形发生器的研制就具有非常重要的现实意义。 本文便是基于dds(DirectDigitalSynthesis)技术进行任意波形发生器研制的。要求可以产生正弦波、方波、三角波与锯齿波等常规波形，而且能够产生任意波形，从而满足研究的需要。具体工作如下： (一)介绍国内外关于任意波形发生器研究的发展情况，阐述频率合成技术的各种方式与技术对比情况，并选定直接数字频率合成技术进行研制。 (二)介绍系统的硬件设计构成与功能实现，并对系统部件进行逐一细述。选用单片机作为控制模块，使用FPGA实现dds功能作为技术核心，并对外围电路的设计与接口技术进行分析。 (三)讲述dds的工作原理、工作特点与技术指标，并基于FPGA芯片EP1C3T144C8进行设计，通过使用相位累加器与波形ROM等模块，实现dds功能。同时辅以使能模块与行列式键盘，实现各种波形的灵活输出。 (四)给出系统产生的测试数据，并对影响频谱纯度的杂散与噪声产生的原因进行分析。
上传时间： 2013-04-24
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在现代电子系统中，数字化已经成为发展的必然趋势，接收机数字化是电子系统数字化中的一项重要内容，对数字化接收机的研究具有重要的意义。随着数字化理论和微电子技术的迅速发展，高速的中频数字化接收机的实现已经成为可能。本文研究了一种基于FPGA的软件无线电数字接收平台的设计，并着重研究了其中数字中频处理单元的设计和实现。FPGA器件具有设计灵活、开发周期短和开发成本低等优点，所以广泛应用于各种通信系统中。相比于传统的DSP串行结构，FPGA能够进行流水线性设计，对数据进行并行处理，所以FPGA在进行数据量大，要求实时处理的系统设计时有很大的优势。 本文首先首先分析了软件无线电当前的发展趋势及技术现状，针对存在的处理速度跟不上的DSP瓶颈问题，提出了中频软件无线电的FPGA实现方案。本文以FPGA实现为重点，在深入分析软件无线电相关理论的基础上，着重研究和完成了中频软件无线电数字接收平台两大模块的FPGA实现：数字下变频相关模块和数字调制解调模块。其中，在深入研究数字下变频实现结构的基础上，首先对数字下变频模块的数控振荡器(NCO)采用了直接频率合成技术(dds)实现，其频率分辨率高，灵活，易于实现；高效抽取滤波器组由积分梳状滤波器(CIC)，半带滤波器(HB)，FIR滤波器组成。对积分梳状滤波器(CIC)本文采用了Hogenaur“剪除”理论对内部寄存器的位宽进行改进，极大地节约了资源，提高了运行速率。对FIR滤波器和半带滤波器采用了(DA)分布式算法，它的运行速度只与数据的宽度有关，只有加减法运算和二进制除法，既缩减了系统资源又大大节省了运算时间，实现了高效的实时处理。对数字调制解调模块，重点研究和完成了2ASK和2FSK的调制解调的FPGA实现，模块有很好的通用性，能方便地移植到其它的系统中。在文章的最后还对整个系统进行了Matlab仿真，验证了系统设计思想的正确性。在系统各个关键模块的设计过程中，都是先依据一定的设计指标进行verilog编程，然后再在Quartus软件中编译，时序仿真测试，并与Matlab仿真结果进行对比，验证设计的正确性。
上传时间： 2013-05-18
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PWM(脉冲宽度调制)是一种利用数字信号来控制模拟电路的控制技术，广泛应用于电源、电机、伺服系统、通信系统、电子控制器、功率控制等电力电子设备。PWM技术在逆变电路中的应用最为广泛，也是变频技术的核心，同时在机床，液压位置控制系统等机械装置中也发挥着重要的作用。PWM技术已经成为控制领域的一个热点，因此研究PWM发生器对于基础理论的发展和技术的改进都有十分重要的意义。 论文研究的主要内容是用任意波形作为调制信号通过特定的方法来产生所需要的PWM波形，任意波形的合成和PWM波形的生成是两个主要任务。任意波形的合成是课题设计的一个难点，也是影响系统性能的关键因素之一。论文中波形合成采用直接数字频率合成(dds)技术来实现。dds技术以相位为地址，通过查找离散幅度数据进行波形合成，具有输出波形相位变化连续、分辨率高、频率转换速率快的优点，而且通过设置控制字可灵活方便地改变输出频率，是目前波形合成的主流方法。 实现PWM发生器的设计方法有多种。在综合比较了单片机、DSP、ARM等常用开发工具特点的基础上，本文提出了一种以可编程逻辑器件(PLD)为主体，单片机辅助配合的设计方法。随着计算机技术和微电了技术的迅速发展，可编程逻辑器件的集成度和容量越来越大，基于PLD的设计方法正逐步成为一种主流于段，是近些年来电子系统设计的一个热点。整个系统分为模拟波形产生、单片机控制电路、FPGA内部功能模块三大部分。FPGA部分的设计是以Altera公司的Quartus Ⅱ软件为开发平台，采用VHDL语言为主要输入手段来完成内部各功能模块的设计输入、编译、仿真等调试工作，目标载体选用性价比比较高的Altera公司的CycloneⅡ系列的器件；单片机控制电路主要负责控制字的设置和显示，波形数据的接受与发送；用MATLAB软件完成仟意波形的绘制和模拟任务。 论文共分五章，详细介绍了课题的背景、PWM发生器的发展和应用以及选题的目的和意义等，论述了系统设计方案的可行性，对外围电路和FPAG内部功能模块的设计方法进行了具体说明，并对仿真结果、系统的性能、存在的问题和改进方法等进行了分析和阐述。整个设计满足PWM发生器的任务和功能要求，设计方法可行。
上传时间： 2013-04-24
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相位激光测距是一种高精度的距离测量技术，随着电子器件和信号处理技术的发展，这种测距技术在军用和民用领域必将得到更为广泛的研究和应用。本文介绍了一种基于FPGA嵌入式技术的相位激光测距系统，该系统采用先进的FPGA技术，实现了调制信号产生、信息控制与处理三个模块的整合，解决了传统相位激光测距所难以克服的弱点。 文中阐述了激光测距和调制信号源的基本原理，分析了影响测距精度的因素，指出应用dds技术可以实现宽带、高精度的调制信号输出，说明了引起dds输出信号杂散的原因和解决的办法。分析了应用FFT运算实现信号相位提取的基本原理及设计方法，采用这种检相技术，可以极大地提高测相精度与灵敏度。提出了基于FPGA嵌入式系统的相位式激光测距机的整体设计，并就各部分进行了详细的分析与设计。介绍了激光测距系统的外围电路和基于QuartusⅡ集成软件平台的部分硬件电路的设计，并对其中的设计进行了仿真和验证，总结提出了对系统今后的进一步改进和完善的思路。
上传时间： 2013-06-28
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频率特性测试仪(简称扫频仪)是一种测试电路频率特性的仪器，它广泛应用于无线电、电视、雷达及通信等领域，为分析和改善电路的性能提供了便利的手段。而传统的扫频仪由多个模块构成，电路复杂，体积庞大，而且在高频测量中，大量的分立元件易受温度变化和电磁干扰的影响。为此，本文提出了集成化设计的方法，针对可编程逻辑器件的特点，对硬件实现方法进行了探索。 本文对三大关键技术进行了深入研究： 第一，由扫频信号发生器的设计出发，对直接数字频率合成技术(dds)进行了系统的理论研究，并改进了ROM压缩方法，在提高压缩比的同时，改进了dds系统的杂散度，并且利用该方法实现了幅度和相位可调制的dds系统-扫频信号发生器。 第二，为了提高系统时钟的工作频率，对流水线算法进行了深入的研究，并针对累加器的特点，进行了一系列的改进，使系统能在100MHz的频率下正常工作。 第三，从系统频率特性测试的理论出发，研究如何在FPGA中提高多位数学运算的速度，从而提出了一种实现多位BCD码除法运算的方法—高速串行BCD码除法；随后，又将流水线技术应用于该算法，对该方法进行改进，完成了基于流水线技术的BCD码除法运算的设计，并用此方法实现了频率特性的测试。 在研究以上理论方法的基础上，以大规模可编程逻辑器件EP1K100QC208和微处理器89C52为实现载体，提出了基于单片机和FPGA体系结构的集成化设计方案；以VerilogHDL为设计语言，实现了频率特性测试仪主要部分的设计。该频率特性测试仪完成扫频信号的输出和频率特性的测试两大主要任务，而扫频信号源和频率特性测试这两大主要模块可集成在一片可编程逻辑器件中，充分体现了可编程逻辑器件的优势。 本文首先对相关的概念理论进行了介绍，包括dds原理、流水线技术等，进而提出了系统的总体设计方案，包括设计工具、语言和实现载体的选择，而后，简要介绍了微处理器电路和外围电路，最后，较为详细地阐述了两个主要模块的设计，并给出了实现方式。
上传时间： 2013-06-08
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逆变控制器的发展经历从分立元件的模拟电路到以专用微处理芯片（DSP/MCU）为核心的电路系统，并从数模混合电路过渡到纯数字控制的历程。但是，通用微处理芯片是为一般目的而设计，存在一定局限。为此，近几年来逆变器专用控制芯片（ASIC）实现技术的研究越来越受到关注，已成为逆变控制器发展的新方向之一。本文利用一个成熟的单相电压型PWM逆变器控制模型，围绕逆变器专用控制芯片ASIC的实现技术，依次对专用芯片的系统功能划分，硬件算法，全系统的硬件设计及优化，流水线操作和并行化，芯片运行稳定性等问题进行了初步研究。首先引述了单相电压型PWM逆变器连续时间和离散时间的数学模型，以及基于极点配置的单相电压型PWM逆变器电流内环电压外环双闭环控制系统的设计过程，同时给出了仿真结果，仿真表明此系统具有很好的动、静态性能，并且具有自动限流功能，提高了系统的可靠性。紧接着分析了FPGA器件的特征和结构。在给出本芯片应用目标的基础上，制定了FPGA目标器件的选择原则和芯片的技术规格，完成了器件选型及相关的开发环境和工具的选取。然后系统阐述了复杂FPGA设计的设计方法学，详细介绍了基于FPGA的ASIC设计流程，概要介绍了仅使用QuartusII的开发流程，以及Modelsim、SynplifyPro、QuartusII结合使用的开发流程。在此基础上，进行了芯片系统功能划分，针对：dds标准正弦波发生器，电压电流双环控制算法单元，硬件PI算法单元，SPWM产生器，三角波发生器，死区控制器，数据流/控制流模块等逆变器控制硬件算法/控制单元，研究了它们的硬件算法，完成了模块化设计。分析了全数字锁相环的结构和模型，以此为基础，设计了一种应用于逆变器的，用比例积分方法替代传统锁相系统中的环路滤波，用相位累加器实现数控振荡器（DCO）功能的高精度二阶全数字锁相环（DPLL）。分析了“流水线操作”等设计优化问题，并针对逆变器控制系统中，控制系统算法呈多层结构，且层与层之间还有数据流联系，其执行顺序和数据流的走向较为复杂，不利于直接采用流水线技术进行设计的特点，提出一种全新的“分层多级流水线”设计技术，有效地解决了复杂控制系统的流水线优化设计问题。本文最后对芯片运行稳定性等问题进行了初步研究。指出了设计中的“竞争冒险”和饱受困扰之苦的“亚稳态”问题，分析了产生机理，并给出了常用的解决措施。
上传时间： 2013-05-28
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超声波电机(Ultrasonic motors，简称USM)是一种全新原理的直接驱动电机，它利用压电陶瓷逆压电效应激发的超声振动作为驱动力，通过定转子间的摩擦力来驱动转子运动。与传统的电磁电机相比，它具有低速大转矩、无电磁干扰、动作响应快、运行无噪声、无输入自锁等卓越特性，在非连续运动领域、精密控制领域比传统的电磁电机性能优越得多。超声波电机在工业控制系统、汽车专用电器、精密仪器仪表、办公自动化设备、智能机器人等领域有广阔的应用前景，近年来倍受科技界和工业界的重视，成为当前机电控制领域的一个研究热点。 本文主要以行波型超声波电机的驱动控制技术为研究对象，引入嵌入式系统理念，设计并制作了超声波电机的驱动控制系统，并对超声波电机的速度与定位控制做了深入的研究。本文主要研究内容及成果如下： 介绍了超声波电机的工作原理、特点及其应用前景，总结了国内外超声波电机驱动控制技术的发展历史和研究现状，以及今后我国超声波电机驱动控制技术的发展方向，明确了本文的研究内容。 结合嵌入式系统特点及其开发方法，详细介绍了超声波电机嵌入式驱动控制系统的硬件和软件设计过程，并总结了硬件、软件的调试过程。最后，对所设计系统性能进行了实验测试和数据分析。 采用dds技术解决超声波电机所需要的高频驱动电源和数字控制的问题。本文设计的以ARM控制器为核心，频率、相位、幅值均可调的双通道信号发生器，具有频率和相位差控制精度高的特点。 本文介绍了速度与位置的常用控制策略。设计并搭建了基于增量式PID的速度和基于模糊PID的位置控制系统。速度控制采用增量式PID调节，其控制策略简单、易行，通过实验选择合适的参数能适应一般的控制精度要求。定位控制则采用模糊PID控制策略，该策略将模糊控制不需要精确的数学模型、收敛速度快的特点与PID简单易行、能消除稳态误差的优点相结合，改善了模糊控制器稳态性能，使电机定位控制精度达到0.0880。
上传时间： 2013-07-16
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针对现代中低压电网电能质量的监测及谐波治理的需要，论文综合运用嵌入式技术、现代信号处理技术、虚拟仪器技术设计了一种新型低功耗、集成化的电网参数监测仪。此系统实现了对三相电网相/线电压、电流、有功功率、无功功率、视在功率、电网频率、功率因数以及三相电压、电流的31次以内谐波的实时监测。 论文分析了基于微处理器的电力系统基本参数的测量原理；对被测信号的交流参量通过抽样方法获得，由多点的抽样数据统计得到的结果可以减小随机误差的影响；基于DFT和FFT的谐波测量原理，将FFT应用于谐波分析获得信号的频域参数；针对谐波测量中的混叠误差设计了二阶抗混叠滤波器；分析了非同步采样和对非时限信号的截断造成的频谱泄露和栅栏效应及其对谐波测量精度的影响。讨论了常用的几种窗函数对频谱泄漏的抑制作用，在此基础上选择加海明窗对采样信号进行处理；针对dds具有高精度频率合成的特点，将其应用到电网信号的采样上，提高了采样的同步性，使得测量精度满足了系统的要求。上述方法需要大量快速的迭代运算，系统微处理器选用了32位ARM芯片LPC2132，提高了系统的数据处理能力和实时性。系统供电电源采用了开关电源、减小了体积，提高了效率；完成了下位机数据采集部分、二阶抗混叠滤波器、测频电路及通信模块电路的设计；最后介绍了软件设计部分，主要包含了数据采集的实现过程，FFT程序的设计，给出了各部分程序的流程图；系统上位机软件设计了电网数据处理程序，该软件以LabWindows/CVI6.0为开发平台，利用CVI丰富的库函数，完成对数据的处理、显示和记录等工作，并采用双线程运行模式，在数据采集和处理的同时完成了显示、命令的发送和运行曲线等功能。 按上述方案设计的样机经过三次电路制作与软件调试，主要技术参数达到了设计要求，通过了实验室测试，目前正在电力系统谐波治理系统中进行工业实验。
上传时间： 2013-04-24
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