搞不明白波形發(fā)生器?教你一文看懂任意波形發(fā)生器

波形發(fā)生器種類很多，如Arduino波形發(fā)生器、任意波形發(fā)生器等。本文中，主要為大家講解任意波形發(fā)生器，并為大家?guī)碓敿?xì)的DDS任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)流程。如果你癡迷于波形發(fā)生器，不妨繼續(xù)往下看哦。

任意波形發(fā)生器是現(xiàn)代電子測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一，它的功能遠(yuǎn)比函數(shù)發(fā)生器強(qiáng)，可以產(chǎn)生各種理想及非理想的波形信號(hào)，對(duì)存在的各種波雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。形都可以模擬，廣泛應(yīng)用于測(cè)試、通信、雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。

一、任意波形發(fā)生器的功能

任意波形發(fā)生器既具有其他信號(hào)源的信號(hào)生成能力，又可以通過各種編輯手段產(chǎn)生任意的波形采樣數(shù)據(jù)，方便地合成其他信號(hào)源所不能生成的任意波形，從而滿足測(cè)試和實(shí)驗(yàn)的要求。任意波形發(fā)生器的主要功能包括：

(1)函數(shù)發(fā)生功能

基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)證電路功能、穩(wěn)定性和可靠性，需要給它施加理想波形，任意波形發(fā)生器能替代函數(shù)發(fā)生器提供正弦波、方波、三角波、鋸齒波等波形，還具有各種調(diào)制和掃頻能力。利用任意波形發(fā)生器的這一基礎(chǔ)功能就能滿足一般實(shí)驗(yàn)的信號(hào)需求。

(2)任意波形生成

出于各種干擾的存在以及環(huán)境的變化，實(shí)際運(yùn)行在實(shí)際電子環(huán)境中的設(shè)備，電路中往往存在各種信號(hào)缺陷和瞬變信號(hào)，例如過脈沖、尖峰、阻尼瞬變、頻率突變等。任意波形發(fā)生器可以模擬這些特殊信號(hào)，以測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際性能。

(3)信號(hào)還原功能

在一些軍事、航空等領(lǐng)域，有些電路運(yùn)行環(huán)境很難估計(jì)，在設(shè)計(jì)完成之后，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中還需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而有些實(shí)驗(yàn)的成本很高或者風(fēng)險(xiǎn)性很大(如飛機(jī)試飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況)，人們不可能重復(fù)作實(shí)驗(yàn)來判斷所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可行性和穩(wěn)定性。此時(shí)，可以利用任意波形發(fā)生器的信號(hào)還原功能。在做一些高耗費(fèi)、高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過數(shù)字示波器把現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際波形記錄下來，再通過計(jì)算機(jī)接口下載到任意波形發(fā)生器，通過任意波形發(fā)生器還原實(shí)驗(yàn)中的實(shí)際做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證工作。

二、硬件結(jié)構(gòu)說明

三、設(shè)計(jì)過程

在本系統(tǒng)中，DDS是任意波形實(shí)現(xiàn)的技術(shù)關(guān)鍵，其核心為相位累加器(全加器與數(shù)字寄存器)與ROM波形查詢表構(gòu)成。那么我們?cè)O(shè)計(jì)DDS的框圖如下

建立一個(gè)模塊實(shí)現(xiàn)從單片機(jī)接收來的頻率控制字的寄存功能，作為寄存器。全加器實(shí)現(xiàn)20位的相位累加，通過頻率控制字作為步長進(jìn)行控制。由于FPGA內(nèi)輸出位數(shù)有限，因此建立一個(gè)模塊進(jìn)行高位截?cái)啵蝗「呤唬邮绽奂悠鬏敵龅臄?shù)據(jù)。然后再通過波形ROM完成波形的查找與輸出。這部分為固定的正弦波、三角波、方波與鋸齒波等常規(guī)波形的輸出部分。任意波形部分，則需要一個(gè)能隨時(shí)接受數(shù)據(jù)更新的RAM，其數(shù)據(jù)的寫入由單片機(jī)控制，接收上位機(jī)的下傳數(shù)據(jù)，其數(shù)據(jù)的讀取由DDS中的地址發(fā)生器控制，這樣即可產(chǎn)生任意波形輸出。

1.固定波形輸出

在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高速的多位數(shù)相位累加器，輸出地址信號(hào)，控制讀出波形存儲(chǔ)器中存放的波形幅度數(shù)字信號(hào)。通過改變相位累加器的相位增量M，即地址間隔的改變，控制讀出波形存儲(chǔ)器一個(gè)周期正弦波幅值的數(shù)目，達(dá)到輸出頻率的控制。其輸出的頻率為  ：

其中fclk為系統(tǒng)時(shí)鐘頻率，N為相位累加器的位數(shù)，M為相位增量--頻率控制字，由公式可知fout與肘成正比，控制M就可以控制輸出的頻率。如要頻率步進(jìn)為l0Hz，則要求。

保證在輸出最高頻率輸出時(shí)有32個(gè)點(diǎn)的波表數(shù)據(jù)輸出，則要求時(shí)鐘為3.2MHz。將50MHz的時(shí)鐘10分頻，得到5MHz的信號(hào)作為累加器的計(jì)數(shù)信號(hào)。則fclk=5MHz，2N=500000，因此，N可取20，2N=1048576。則fout=-4.77M，M=0.21fout。利用計(jì)算機(jī)輸入要輸出的頻率，發(fā)送到單片機(jī)，單片機(jī)將對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)算處理后發(fā)送給FPGA。

頻率輸入電路如圖所示，接收8位的頻率字長，輸出為20位。

下面為STC89C52RC與EPlC3T144C8的接口程序，用控制字：

2.加法器

加法器為20位，自動(dòng)累加，它以設(shè)定的頻率控制字k作為步長來進(jìn)行加法運(yùn)算，當(dāng)其和滿時(shí)清零，并進(jìn)行重新運(yùn)算。電路圖如下：

程序如下：

3.高十位寄存器

實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入為20位，輸出為10位，實(shí)現(xiàn)高位截?cái)?。程序?yàn)椋?/p>

4.波形ROM及選擇

本設(shè)計(jì)使用幾個(gè)8bit的ROM，存儲(chǔ)深度為1024點(diǎn)，用來存儲(chǔ)正弦波等波形數(shù)據(jù)。每個(gè)波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在一個(gè)固定的ROM里，如下圖。其中SineROM為正弦波存儲(chǔ)模塊，SquareROM為方波存儲(chǔ)模塊，Triangle-ROM為三角波存儲(chǔ)模塊，SwtoothROM為鋸齒波存儲(chǔ)模塊。它們通過一個(gè)使能模塊控制，采取低電平有效的方式，選擇性讀取任意模塊的波形。一般每個(gè)模塊都為高電平狀態(tài)，即為不工作狀態(tài)。每次輸出波形時(shí)，僅有單獨(dú)一個(gè)ROM_T_作(即工作模塊為低電平，其他模塊均為高電平)，這樣不僅保證可以按照需要輸出固定波形，還可以避免波形輸出發(fā)生非控制性的混雜。使能模塊的輸入端為行列式鍵盤，鍵盤中每一鍵單獨(dú)使用，當(dāng)某一鍵按下，則對(duì)應(yīng)某一波形輸入。因?yàn)?×4的鍵盤輸出線為8位，僅為一根，因此輸入端設(shè)為一根8位輸入端口。通過設(shè)定，實(shí)現(xiàn)單鍵控制某～波形輸出。本設(shè)計(jì)僅設(shè)定了4個(gè)固定波形ROM輸出，即正弦波、方波、三角波和鋸齒波，因此使能模塊的選擇輸出線為4條，若增加新波形模塊，可以更改輸出端口的數(shù)量，進(jìn)行擴(kuò)展。

5.時(shí)鐘分頻

時(shí)鐘分頻電路如下，所以模塊在同步時(shí)鐘下協(xié)調(diào)工作，電路圖如下：

程序如下：

6.任意波形輸出

關(guān)于根據(jù)需要而產(chǎn)生的任意波形的設(shè)計(jì)如下：因?yàn)樵撊我獠ㄐ问怯缮衔粰C(jī)下傳的波形數(shù)據(jù)，由單片機(jī)控制，所以必須設(shè)計(jì)一個(gè)能隨時(shí)接受數(shù)據(jù)更新的RAM。數(shù)據(jù)傳至任意波形的寄存器里，然后便可實(shí)現(xiàn)任意波形的輸出。

選用的DA轉(zhuǎn)換器為8位，所以RAM的字長也為8位，因此波形RAM的地址線的位數(shù)取lO位。為了實(shí)現(xiàn)任意波形數(shù)據(jù)的更新，波形RAM設(shè)計(jì)成為雙口RAM。