基于CPLD和單片機(jī)的任意波形發(fā)生器設(shè)計(jì)

引言

在電子工程設(shè)計(jì)與測(cè)試中，常常需要一些復(fù)雜的、具有特殊要求的信號(hào)，要求其波形可任意產(chǎn)生，頻率方便可調(diào)。通常的信號(hào)產(chǎn)生器難以滿足要求，市場(chǎng)上出售的任意信號(hào)產(chǎn)生器價(jià)格昂貴。結(jié)合實(shí)際需要，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種任意波形發(fā)生器。電路設(shè)計(jì)中充分利用MATLAB的仿真功能，將希望得到的波形信號(hào)在MATLAB中完成信號(hào)的產(chǎn)生、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字波形數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中，通過單片機(jī)和CPLD控制，將波形數(shù)據(jù)讀出，送入后向通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換和放大處理后得到所需的模擬信號(hào)波形。利用上述方法設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器，信號(hào)產(chǎn)生靈活方便、功能擴(kuò)展靈活、信號(hào)參數(shù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了硬件電路的軟件化設(shè)計(jì)。具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、實(shí)用性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。

系統(tǒng)框圖

任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)思想，是利用MATLAB的強(qiáng)大仿真功能，方便、快捷的生成給定頻率、周期、脈寬的任意波形數(shù)據(jù);并將數(shù)據(jù)預(yù)存在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。在單片機(jī)控制下，利用CPLD電路產(chǎn)生地址讀出數(shù)據(jù)，送入D/A轉(zhuǎn)換電路，得到所需的任意波形信號(hào)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1;圖中分頻電路和地址發(fā)生器由CPLD實(shí)現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)框圖

電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)控制電路

單片機(jī)采用AT89C52芯片，通過軟件編程產(chǎn)生所要求的控制信號(hào)。主要的控制參數(shù)包括：信號(hào)周期、脈寬;分頻電路的開始信號(hào)、地址發(fā)生器的復(fù)位信號(hào);E2PROM的選通信號(hào);D/A轉(zhuǎn)換電路的選通信號(hào)。在具體電路中，端口P1.0控制分頻電路的啟動(dòng)、P1.1控制地址發(fā)生器的清零，P2.0控制28C256和AD7545的選通信號(hào)。單片機(jī)工作在定時(shí)器0方式，軟件設(shè)計(jì)利用C語言實(shí)現(xiàn)。流程圖如圖2所示。

圖2 軟件流程圖

波形數(shù)據(jù)生成

MATLAB作為一款優(yōu)秀的數(shù)學(xué)工具軟件，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能;可以方便的產(chǎn)生各種信號(hào)波形，在軟件中實(shí)現(xiàn)波形信號(hào)的產(chǎn)生、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器選用28C256芯片，信號(hào)波形通過MATLAB仿真產(chǎn)生;得到的波形數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器28C256中。具體設(shè)計(jì)中，我們要求產(chǎn)生周期為200ms，脈寬為5ms的單/調(diào)頻混合信號(hào)，其中單頻信號(hào)的脈寬為4ms，頻率為30KHz;調(diào)頻信號(hào)的脈寬為1ms，頻率為30KHz_35KHz。在MATLAB中設(shè)定抽樣率為500KHz,得到了2500個(gè)波形數(shù)據(jù)。這些混合波形數(shù)據(jù)在燒錄入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的過程中，由于波形數(shù)據(jù)較多，直接用手工錄入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中不僅費(fèi)時(shí)且容易出錯(cuò)。為克服這一弊端，通過MATLAB編程的方法將產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)按照HEX文件的INTEL格式存放,然后將這些波形數(shù)據(jù)整批次燒錄入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。采用上述方法，波形數(shù)據(jù)生成簡(jiǎn)單，快捷;可根據(jù)需要在軟件程序中方便地修改信號(hào)參數(shù);無需改動(dòng)硬件電路即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)參數(shù)的功能擴(kuò)展。

CPLD邏輯設(shè)計(jì)

分頻電路采用兩片74HC163實(shí)現(xiàn)。通過分頻電路，將12MHz的晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率分頻后，得到500KHz的抽樣頻率，作為地址發(fā)生器的時(shí)鐘。分頻電路的工作由單片機(jī)控制。

地址發(fā)生器電路由3片74HC163組成，時(shí)鐘頻率為500KHz，有分頻電路提供;和預(yù)存的波形數(shù)據(jù)抽樣頻率相一致，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無失真讀出。 電路設(shè)計(jì)中，采用ALTRA公司的EPM7128AETC100-10芯片，在MAX+PLUSⅡ開發(fā)環(huán)境中完成分頻緶泛偷刂販⑸?韉緶返納杓啤;?贑PLD的電路設(shè)計(jì)，可以省去大部分的中小規(guī)模集成電路和分離元件;使得電路具有集成度高、工作速度快、編程方便、價(jià)格低廉的顯著優(yōu)點(diǎn)。通過CPLD和數(shù)據(jù)預(yù)生成的信號(hào)實(shí)現(xiàn)方法，無需改變硬件電路，即可實(shí)現(xiàn)信號(hào)參數(shù)的任意調(diào)整;同時(shí)外圍電路十分簡(jiǎn)單，為工程調(diào)試和應(yīng)用帶來了方便。

D/A轉(zhuǎn)換電路

D/A轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。 電路中，AD7545將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào);LF353進(jìn)行信號(hào)濾波和整形。

圖3 D/A轉(zhuǎn)換電路

結(jié)語

采用上述方法設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器，通過軟件和硬件結(jié)合，充分發(fā)揮MATLAB強(qiáng)大的仿真功能，盡可能的減少了硬件開銷。根據(jù)實(shí)際需要，可產(chǎn)生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等多種波形，可以產(chǎn)生線性調(diào)頻信號(hào)(LFM)，單頻脈沖信號(hào)(CW)，余弦包絡(luò)信號(hào)以及他們之間的組合信號(hào)等多種波形參數(shù);滿足了工程需要。該任意波形發(fā)生器已應(yīng)用于在研項(xiàng)目“水中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)軌跡測(cè)量”中，效果良好。