信号源实验实验报告 (本实验包括 CPLD 可编程数字信号发生器实验与模拟信号源实验,共两个实验。) 一、 实验目的 1、 熟悉各种时钟信号的特点及波形。

　2、 熟悉各种数字信号的特点及波形。

　3、 熟悉各种模拟信号的产生方法及其用途。

　4、 观察分析各种模拟信号波形的特点。

　二、 实验内容 1、 熟悉 CPLD 可编程信号发生器各测量点波形。

　2、 测量并分析各测量点波形及数据。

　3、 学习 CPLD 可编程器件的编程操作。

　4、 测量并分析各测量点波形及数据。

　5、 熟悉几种模拟信号的产生方法,了解信号的来源、变换过程与使用方法。

　三、 实验器材 1、 信号源模块

　 一块 2、 连接线

　 若干 3、 20M 双踪示波器

　 一台 四、

　实验原理 ( ( 一) )D CPLD 可编程数字信号发生器实验实验原理

　CPLD 可编程模块用来产生实验系统所需要的各种时钟信号与各种数字信号。它由 CPLD可编程器件 ALTERA 公司的 EPM240T100C5、下载接口电路与一块晶振组成。晶振 JZ1 用来产生系统内的 32、768MHz 主时钟。

　1、 CPLD 数字信号发生器 包含以下五部分: 1) 时钟信号产生电路 将晶振产生的32、768MH Z 时钟送入CPLD内计数器进行分频,生成实验所需的时钟信号。通过拨码开关 S4 与 S5 来改变时钟频率。有两组时钟输出,输出点为“CLK1”与“CLK2”,S4

　控制“CLK1”输出时钟的频率,S5 控制“CLK2”输出时钟的频率。

　2) 伪随机序列产生电路 通常产生伪随机序列的电路为一反馈移存器。它又可分为线性反馈移存器与非线性反馈移存器两类。由线性反馈移存器产生出的周期最长的二进制数字序列称为最大长度线性反馈移存器序列,通常简称为 m 序列。

　以 15 位 m 序列为例,说明 m 序列产生原理。

　在图 1-1 中示出一个 4 级反馈移存器。若其初始状态为(0 1 2 3, , , a a a a)＝(1,1,1,1),则在移位一次时 1 a 与 0 a 模 2 相加产生新的输入41 1 0 a   ,新的状态变为(1 2 3 4, , , a a a a)＝(0,1,1,1),这样移位 15 次后又回到初始状态(1,1,1,1)。不难瞧出,若初始状态为全“0”,即“0,0,0,0”,则移位后得到的仍然为全“0”状态。这就意味着在这种反馈寄存器中应避免出现全“0”状态,不然移位寄存器的状态将不会改变。因为 4 级移存器共有 24 =16 种可能的不同状态。除全“0”状态外,剩下 15 种状态可用,即由任何 4 级反馈移存器产生的序列的周期最长为 15。

　a 3 a 2 a 1 a 0+输出 图 1-1

　15 位 m 序列产生 信号源产生一个 15 位的 m 序列,由“PN”端口输出,可根据需要生成不同频率的伪随机码,码型为 1111,频率由 S4 控制,对应关系如表 1-2 所示。

　3) 帧同步信号产生电路 信号源产生 8K 帧同步信号,用作脉冲编码调制的帧同步输入,由“FS”输出。

　4) NRZ 码复用电路以及码选信号产生电路 码选信号产生电路:主要用于 8 选 1 电路的码选信号;NRZ 码复用电路:将三路八位串行信号送入 CPLD,进行固定速率时分复用,复用输出一路 24 位 NRZ 码,输出端口为“NRZ”,码速率由拨码开关 S5 控制,对应关系见表 1-2。

　5) 终端接收解复用电路 将 NRZ 码(从“NRZIN”输入)、位同步时钟(从“BS”输入)与帧同步信号(从“FSIN”输入)送入 CPLD,进行解复用,将串行码转换为并行码,输出到终端光条(U6 与 U4)显示。

　2、 24 位 NRZ 码产生电路

　本单元产生 NRZ 信号,信号速率根据输入时钟不同自行选择,帧结构如图 1-2 所示。帧长为 24 位,其中首位无定义(本实验系统将首位固定为 0),第 2 位到第 8 位就是帧同步码(7位巴克码 1110010),另外 16 位为 2 路数据信号,每路 8 位。此 NRZ 信号为集中插入帧同步码时分复用信号。光条(U1、U2 与 U3)对应位亮状态表示信号 1,灭状态表示信号 0。

　× 1 1 1 0 0 1 0 × × × × × × × × × × × × × × × ×无定义位帧同步码 数据1 数据2 图 1-2 帧结构 1) 并行码产生器 由手动拨码开关 S1、S2、S3 控制产生帧同步码与 16 路数据位,每组发光二极管的前八位对应 8 个数据位。拨码开关拨上为 1,拨下为 0。

　2)八选一电路 采用 8 路数据选择器 74LS151,其管脚定义如图 1-3 所示。真值表如表 1-1 所示。

　表 1-1 74LS151 真值表 C B A STR Y L L L L D0 L L H L D1 L H L L D2 L H H L D3 H L L L D4 H L H L D5 H H L L D6 H H H L D7 × × × H L 图 1-3

　74LS151 管脚定义 74LS151 为互补输出的 8 选 1 数据选择器,数据选择端(地址端)为 C、B、A,按二进制译码,从 8 个输入数据 D0～D7 中选择一个需要的数据。STR 为选通端,低电平有效。

　本信号源采用三组 8 选 1 电路,U12,U13,U15 的地址信号输入端 A、B、C 分别接 CPLD 输出的 74151_A、74151_B、74151_C 信号,它们的 8 个数据信号输入端 D0～D7 分别与 S1,S2,S3输出的 8 个并行信号相连。由表 1-1 可以分析出 U12,U13,U15 输出信号都就是以 8 位为周期的串行信号。

　( ( 二) ) 模拟信号源实验 实验原理

　模拟信号源电路用来产生实验所需的各种低频信号:同步正弦波信号、非同步信号与音乐信

　号。

　( 一) 同步信号源( 同步正弦波发生器) 1、 功用 同步信号源用来产生与编码数字信号同步的 2KHz 正弦波信号,可用在 PAM 抽样定理、增量调制、PCM 编码实验,作为模拟输入信号。在没有数字存贮示波器的条件下,用它作为编码实验的输入信号,可在普通示波器上观察到稳定的编码数字信号波形。

　2、 电路原理 图 2-1 为同步正弦信号发生器的电路图。它由 2KHz 方波信号产生器(图中省略了)、同相放大器与低通滤波器三部分组成。

　C25333321411U19ATL0841098U19CTL084R1920KC35472W1100K2K1TP32KC7104C19104C14104+12V-12VR76k8R106k8R96k8R1510kTH1TH 图 2-1

　同步正弦波产生电路 2KHz 的方波信号由 CPLD 可编程器件 U8 内的逻辑电路通过编程产生。

　“2K 同步正弦波”为其测量点。U19A 及周边的电阻组成一个的同相放大电路,起到隔离与放大作用,。U19C 及周边的阻容网络组成一个截止频率为 2K 的二阶低通滤波器,滤除方波信号里的高次谐波与杂波,得到正弦波信号。调节 W1 改变同相放大器的放大增益,从而改变输出正弦波的幅度(0～5V)。

　( 二) 非同步信号源 非同步信号源利用混合信号SoC型8位单片机C8051F330,采用DDS(直接数字频率合成)技术产生。通过波形选择器 S6 选择输出波形,对应发光二极管亮。它可产生频率为180Hz~18KHz 的正弦波、180Hz~10KHz 的三角波与 250Hz~250KHz 的方波信号。按键 S7、S8分别可对各波形频率进行增减调整。

　非同步信号输出幅度为 0~4V,通过调节 W4 改变输出信号幅度。可利用它定性地观察通信话路的频率特性,同时用作增量调制、脉冲编码调制实验的模拟输入信号。

　3218 4U10ATL082C4104-12V+12VC31041TP4非 同 步 信 号调 节 幅 度TH8TH3218 4U11ATL082R61100W4100KS6 SW-PBS7 SW-PBS8SW-PBR3010KR6015KC38330PC41100P567U10BTL082C40330PR2722KR2827KR2910KR3347KC26104C24104 +12V-12VC37330PP0.31P0.22P0.13P0.04GND5VDD6RST/C2CK7P2.0/C2D8P1.79P0.420P0.519P0.618P0.717P1.016P1.115P1.214P1.313P1.412P1.511P1.610U5C8051F3303.3VR596203.3VC2CKC2DC33104C30104C43100uD9LEDD10LEDD11LEDR77330R78330R80330R76100R74100R73100波 形 选 择频 率

　 +频 率

　 -567U11BTL082R8310KR823.3KselR811KX013X114X215X312X41X55X62X74INH6A11B10C9VEE7X3VCC16GND8U14CD4051sel+12V567U20BTL082R8710KR853.3KR211K567U9BTL082+12V-12VC42330PR8415KR716.8KR233.3KC44200PR2510K3218 4U9ATL082sel1 3218 4U20ATL082R8810KR863.3KR22 1Ksel1+12V-12V ( 三) 音乐信号产生电路 1、功用 音乐信号产生电路用来产生音乐信号,作模拟输入信号检查话音信道的开通情况及通话质量。

　2、工作原理 D43.3VR34100E410uF/16V1234U21K13PIN1TP10MUSICVCCTH7THC6104C9104+12V-12V3218 4U7AR4751kR524k7R56100kC10 153R628k2R4010k567U7BC22682C11102C20222 图 2-3 音乐信号产生电路 音乐信号产生电路见图 2-3。音乐信号由 U21 音乐片厚膜集成电路产生。该片的 1 脚为电源端,2 脚为控制端,3 脚为输出端,4 脚为公共地端。V CC 经 R34、D4 向 U21 的 1 脚提供 3、3V 电源电压,当 2 脚通过 K1 输入控制电压+3、3V 时,音乐片即有音乐信号从第 3 脚输出,经低通滤波器输出,输出端口为“音乐输出” ( 四) 载波产生电路 1、功用 载波产生电路用来产生数字调制所需的正弦波信号,频率有 64KHz 与 128KHz 两种。

　2、工作原理 64K 载波产生电路如图 2-4 所示,128K 载波产生电路如图 2-5 所示 64KHz(128KHz)的方波信号由 CPLD 可编程器件 U8 内的逻辑电路通过编程产生。“64K同步正弦波”(“64K”同步正弦波)为其测量点。U17A(U18A)及周边的电阻组成一个的同相放大电路,起到隔离与放大作用。U17D(U18D)及周边的阻容网络组成一个截止频率为64K(128KHz)的二阶低通滤波器,滤除方波信号里的高次谐波与杂波,得到正弦波信号。调节W2(W3)改变同相放大器的放大增益,从而改变输出正弦波的幅度(0～5V)。

　321411U17ATL084C31104W250KR1451KR2447K121314U17DTL0841TP164KC21 470pfC28200pfR354k7R3110K64kC18104C15104C39 102R547k+12V-12VTH2TH 图 2-4

　64K 载波产生电路 321411U18ATL084C32104W350KR1651KR2639k121314U18DTL0841TP2128KC23 330pfC29100pfR363k3R328k2128kC2104C12104C17 470pfR7239k+12V-12VTH3TH 图 2-5

　128K 载波产生电路 五、 实验结果 1、

　观测时钟信号输出波形。

　拨码开关 时钟

　拨码开关 时钟 0000 32、768M 1000 128K 0001 16、384M 1001 64K 0010 8、192M 1010 32K 0011 4、096M 1011 16K 0100 2、048M 1100 8K 0101 1、024M 1101 4K 0110 512K 1110 2K 0111 256K 1111 1K 根据上面表格进行测量:

　 2、

　用示波器观测帧同步信号输出波形

　3、 用示波器观测伪随机信号输出波形

　 4、

　观测 NRZ 码输出波形 1) 将拨码开关 S1,S2,S3 设置为“01110 10101010”,S5 设为“1010”,用示波器观测“NRZ”输出波形。

　 2) 保持码型不变,改变码速率(改变 S5 设置值),用示波器观测“NRZ”输出波形。

　3) 保持码速率不变,改变码型(改变 S1、S2、S3 设置值),用示波器观测“NRZ”输出波形。

　1、 用示波器测量“2K 同步正弦波”、“64K 同步正弦波”、“128K 同步正弦波”各点输出的正弦波波形,对应的电位器 W1,W2,W3 可分别改变各正弦波的幅度。

　2、 用示波器测量“非同步信号源”输出波形。

　1) 按键 S6 选择为“正弦波”,改变 W4,调节信号幅度(调节范围为 0～4V),用示波器观察输出波形。

　 2) 保持信号幅度为 3V,改变 S7、S8,调节信号频率(调节范围为 180Hz~18KHz),用示波器观察输出波形。

　 3) 将波形分别选择为三角波、方波,重复上面两个步骤。

　3、 将控制开关 K1 设为“ON”,令音乐片加上控制信号,产生音乐信号输出,用示波器在“音乐输出”端口观察音乐信号输出波形。

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