基于CPLD系統(tǒng)的信號發(fā)生器設(shè)計(jì)

摘要：文中采用Quartus II開發(fā)平臺(tái)，基于可編程邏輯器件CPLD設(shè)計(jì)出多波形信號發(fā)生器，可輸出頻率、幅度可調(diào)的三角波、正弦波和方波。任意波形模塊可由用戶輸出用戶所需的特殊波形，滿足了教學(xué)實(shí)驗(yàn)和開發(fā)新的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目對特殊波形的要求。整個(gè)設(shè)計(jì)采用VHDL編程實(shí)
現(xiàn)，其設(shè)計(jì)過程簡單，極易修改，可移植性強(qiáng)。另外，CPLD還具有可編程重置特性，因而可以方便地更換波形數(shù)據(jù)，且簡單易行。
關(guān)鍵詞：信號發(fā)生器：CPLD；D／A轉(zhuǎn)換

    CPLD復(fù)雜可編程邏輯器件，是從PAL和GAL器件發(fā)展出來的器件，相對而言規(guī)模大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，屬于大規(guī)模集成電路范圍，是一種用戶可根據(jù)需要而自行構(gòu)造邏輯功能的數(shù)字集成電路。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示，能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波(含方波)、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 方案比較
    方案1：直接頻率合成法
    直接頻率合成技術(shù)即為用多個(gè)晶體分別產(chǎn)生不同頻率的振蕩信號，再經(jīng)過具有四則運(yùn)算功能的混頻器、倍頻器、分頻器和不同頻率的濾波器組合而成，用以實(shí)現(xiàn)特定頻率信號的產(chǎn)生輸出。
    優(yōu)點(diǎn)：頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間短，理論上可產(chǎn)生任意小的頻率間隔。
    缺點(diǎn)：由于其利用晶體產(chǎn)生的信號經(jīng)過運(yùn)算而成，所以其頻率間隔不能太多；由于采用了大量的倍頻器、分頻器以及混頻器，所以其輸出的波形信號附帶的噪聲較大；并且設(shè)備龐大，制造成本較高。
    方案2：鎖相頻率合成
    利用鎖相環(huán)的良好的窄帶跟蹤性能，可使頻率準(zhǔn)確的鎖定在參考頻率或其N次諧波上，并使被鎖定頻率具有與參考頻率一致的頻率穩(wěn)定度和較高的頻率純度。它由基準(zhǔn)頻率產(chǎn)生器和鎖相環(huán)路兩部分組成。
    優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，輸出頻率純度高，易于得到大量的離散頻率。
    缺點(diǎn)：瞬時(shí)頻率穩(wěn)定度較差，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間較長。
    方案3：直接數(shù)字頻率合成技術(shù)(DDS)
    直接數(shù)字頻率合成技術(shù)完全擺脫了傳統(tǒng)的頻率合成技術(shù)的思路，即是通過對相位的運(yùn)算來進(jìn)行頻率合成的，它的主要理論依據(jù)是Nyquist抽樣定理對模擬信號進(jìn)行采樣，經(jīng)量化后存入存儲(chǔ)器中，再通過尋址查找表輸出波形數(shù)據(jù)，經(jīng)DAC及濾波后恢復(fù)原波形來實(shí)現(xiàn)頻率合成的。
    優(yōu)點(diǎn)：利用DDS頻率合成技術(shù)的器件功耗低，體積小，其工作頻率范圍寬，頻率分辨率極高，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短。
    缺點(diǎn)：由于受限于器件可用的最高時(shí)鐘頻率，輸出頻率上限不能太高；由相位量化噪聲和幅度量化噪聲所形成的總輸出噪聲電平很高。
1．2 方案選擇
    以上三種頻率合成技術(shù)是現(xiàn)代頻率合成技術(shù)的基礎(chǔ)，在性能上各有特點(diǎn)，相互之間起到了很好的互補(bǔ)作用。本文綜合三種技術(shù)采用的方案為：用CPLD開發(fā)板結(jié)合D／A芯片輸出模擬信號，實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器功能。作為信號發(fā)生器時(shí)，能夠產(chǎn)生三角波、正弦波和方波三種不同的波形，并且可以通過開發(fā)板上的按鍵來控制頻率和波幅的調(diào)節(jié)。
1．3 方案的總體框圖
    圖1所示為系統(tǒng)的整體框圖。圖1中，控制模塊包括三個(gè)部分：外界輸入、命令分析和輸出指令。信號發(fā)生器模塊也包括指令輸入、選擇波形產(chǎn)生和輸出序列三個(gè)部分，其中在選擇波形產(chǎn)生中決定選擇波形的程序以及確定頻率和幅度的大小。

2 各模塊功能和實(shí)現(xiàn)
2．1 交互模塊
    交互模塊的主要功能是按鍵輸入，交互模塊接口電路圖如圖2所示。

2．2 控制模塊
    控制模塊的主要功能是接受按鍵信號，控制各模塊輸出數(shù)據(jù)格式其接口電路圖如圖3所示。
2．3 信號發(fā)生器模塊
    該模塊實(shí)現(xiàn)信號發(fā)生器功能，接受控制模塊數(shù)據(jù)，處理并輸出給D／A芯片，信號發(fā)生器模塊接口電路圖如圖4所示。

    數(shù)據(jù)處理模塊將從控制模塊接受到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成波形、頻率、波幅信息，并將處理后的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)交給數(shù)據(jù)輸出模塊。
2．4 顯示模塊
    SPI是串行外圍設(shè)備接口，SPI接口主要應(yīng)用在EEPROM、FLASH、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、AD轉(zhuǎn)換器，還有數(shù)字信號處理器和數(shù)字信號解碼器之間。Spi接口模塊電路圖如圖5所示。

3 結(jié)束語
    本文介紹了用CPLD開發(fā)板結(jié)合D／A芯片輸出模擬信號，實(shí)現(xiàn)了信號發(fā)生器功能。作為信號發(fā)生器時(shí)，能夠產(chǎn)生三角波、正弦波、鋸齒波和方波四種不同的波形，并可以通過開發(fā)板上的按鍵來控制頻率和波幅的調(diào)節(jié)。本設(shè)計(jì)通過VGA顯示，用戶界面友好，操作便捷，有較強(qiáng)的實(shí)用性。