基于FPGA的模擬信號波形的設(shè)計(jì)

1 引言

　　波形發(fā)生器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在通信、控制、測量等各個(gè)領(lǐng)域，如鋸齒波、正弦波、方波等波形常用于電路的設(shè)計(jì)與調(diào)試。隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，數(shù)字化正逐漸地成為電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢，各公司都將自己的產(chǎn)品向數(shù)字化、集成化、小型化等方向進(jìn)行拓展。眾所周知，數(shù)字化的電子產(chǎn)品有其不可替代的優(yōu)勢，譬如體積小、集成程度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是，數(shù)字電路只能夠較好地處理脈沖波形，即只對l和0形成的方波處理得很好．對于連續(xù)漸變的信號不能夠很好地處理，而這恰恰正是模擬電路的優(yōu)勢所在。本文將數(shù)字電路與模擬電路相結(jié)合，即通過FPGA來產(chǎn)生所需各種模擬波形的控制信號，然后通過模擬電路來處理漸變信號，這樣町以得到各種清晰的波形。

2 示波器顯示原理

　　首先，對示波器的顯示原理進(jìn)行簡要地說明，以便更好地了解硬件電路的工作過程。在整個(gè)顯示期間，示波器需要始終處于“X-Y”檔，即爾波器的波形是 X軸和Y軸輸入信號的疊加合成顯示。可知，一般情況下，x軸輸入的變量為信號頻率，Y軸輸入的變量為信號幅度。因此，當(dāng)在x軸上輸入5KHz的信號頻率值，在Y軸上輸入0V的直流電壓幅度時(shí)，在示波器位于(5KHz，0V)的位置處就會顯示出一個(gè)亮點(diǎn)；同理，若在Y軸上輸入5V的直流電壓幅度，而在x軸上輸入0Hz的信號頻率值時(shí)，在示波器位于(0Hz，5V)的位置處也會顯示出一個(gè)亮點(diǎn)；而如果在x軸和Y軸上的輸入分別為5KHz、5V時(shí)，則亮點(diǎn)就會出現(xiàn)在示波器上的(5KHz，5V)處。這樣，如果通過程序不間斷地對兩個(gè)坐標(biāo)軸進(jìn)行賦值，就可以在示波器上顯示出一條清晰．連續(xù)的信號波形。

3 硬件設(shè)計(jì)

　　本文主要詳細(xì)地介紹了常用信號中階梯波和鋸齒波的模擬波形設(shè)計(jì)，它們的模擬電路實(shí)現(xiàn)簡單，并且實(shí)際的輸出波形清晰。方案中的硬件電路主要是南DSP、 FPGA以及外圍芯片構(gòu)成，DSP用于控制模擬波形的輸出位置和幅度；外圍芯片用來進(jìn)行模擬波形的產(chǎn)生，如利用兩個(gè)DAC0832來產(chǎn)生兩路電壓信號，一個(gè)用于控制鋸齒波的高度，另一個(gè)用于控制階梯波的高度。而FPGA則進(jìn)行所需的各種控制信號的邏輯編程。

　　這里，F(xiàn)PGA采用的是ALTERA公司的10K10系列的可編程邏輯器件。ALTERA公司的FLEX 10K系列器件是業(yè)界第一塊嵌入式可編程邏輯器件，為柔性邏輯元素陣列架構(gòu)，利用通用的門海架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)一般性的邏輯功能，還采用專用的硅片來實(shí)現(xiàn)規(guī)模較大的專用功能。和標(biāo)準(zhǔn)的門陣列比較，由于嵌入式功能在硅片上實(shí)現(xiàn)，所需的硅片面積更小、系統(tǒng)速度更高。FLEX 10K系列不僅能提供高密度、高速度和系統(tǒng)集成功能，并且在單個(gè)器件內(nèi)部包含多重32比特總線、*4比特的RAM空間，還支持串行與并行兩種配置方式及JTAG模式的在線仿真，這些特點(diǎn)都使得FLEX IOK系列器件成為目前應(yīng)用最為廣泛的可編程邏輯器件之一。與之對應(yīng)，采用的開發(fā)工具是MaxplusⅡ可編程邏輯開發(fā)軟件，利用MaxplusⅡ作為 EDA的軟件工具，可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的邏輯功能，還具有周期短、集成度高、價(jià)格合適等優(yōu)點(diǎn)。并且，由于電路的邏輯模塊都是在FPGA中實(shí)現(xiàn)的，因此，它們具有良好的可移植性和易維護(hù)性等特點(diǎn)，并方便以后系統(tǒng)的改進(jìn)。同時(shí)，這也進(jìn)一步地減少了電路板面積，使電路的集成度大大地提高。在本設(shè)計(jì)方案中，主要是使用 FPGA來進(jìn)行各種模擬波形的控制編程，產(chǎn)生各種邏輯用以作為其控制信號。其中，F(xiàn)PGA中邏輯控制的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，可分為三個(gè)部分，而粗掃、精掃信號是作為鋸齒波的控制信號。

圖1 FPGA中控制信號模塊功能框圖

　　FPGA的工作過程為：首先，對輸入的32KHz時(shí)鐘信號以計(jì)數(shù)器進(jìn)行分頻，產(chǎn)生一個(gè)1600Hz的窄脈沖信號，它一方面作為外部模擬波形產(chǎn)生電路的掃描觸發(fā)信號，另一方面作為鋸齒波控制信號的工作起始信號，即該信號每到來一次，就啟動其它功能模塊，按照需要的時(shí)序產(chǎn)生所需的控制信號。由圖1可知，1600Hz頻率到來，會打開精掃計(jì)數(shù)器與粗掃計(jì)數(shù)器的輸入時(shí)鐘(2MHz)，并啟動二者的初始裝載過程，然后以這個(gè)初始值對輸入脈沖進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，當(dāng)減法溢出時(shí)，輸出端就會產(chǎn)生所需的掃描信號。同時(shí)，還要利用該信號關(guān)閉各自的輸入時(shí)鐘信號，直到下一個(gè)1600Hz的到來。當(dāng)經(jīng)過邏輯運(yùn)算改變減法計(jì)數(shù)器的8位初始值時(shí)，輸出信號的時(shí)刻相對于1600Hz信號來講，就會有相應(yīng)的變化。通過這種邏輯方式，就可以控制各種模擬波形的出現(xiàn)時(shí)間，從而能夠控制示波器上各種波形的顯示位置。其中，減法計(jì)數(shù)器初值的改變是通過一個(gè)8位鎖存器來實(shí)現(xiàn)，即將DSP的地址線、讀／寫信號線及I／O空間的訪問控制線進(jìn)行邏輯運(yùn)算，作為8位鎖存器的選通信號，然后利用程序?qū)?位數(shù)據(jù)寫入減法計(jì)數(shù)器。

　　而階梯波控制信號則是完全由軟件程序來實(shí)現(xiàn)，即根據(jù)其各種時(shí)序，在不同的時(shí)刻將不同的數(shù)據(jù)寫入FPGA中進(jìn)行鎖存，然后經(jīng)由D觸發(fā)器輸出用以控制信號的產(chǎn)生。為了滿足系統(tǒng)的需要，還設(shè)計(jì)了一個(gè)控制波形寬度變化的邏輯用以產(chǎn)生顯示所需的不同寬度的脈沖序列，其T．作方式是將兩個(gè)不同頻率的方波信號和一個(gè)D觸發(fā)器的輸出端D與，D分別作邏輯與操作，然后再進(jìn)行邏輯或運(yùn)算，再通過程序來改變D觸發(fā)器的輸出狀態(tài)，從而得列具有兩種寬度的輸出脈沖。[!--empirenews.page--]

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4．1階梯波波形

　　這里，簡要地介紹一下階梯波波形的具體產(chǎn)生過程。首先，需要設(shè)計(jì)一個(gè)可產(chǎn)生4種不同直流電壓的模擬電路，使其能夠在不同的控制信號組合狀態(tài)下，會輸出不同幅度的直流電壓。該模擬電路總共有4個(gè)控制信號輸入端，通過DSP的軟件程序控制組合的輸入。當(dāng)組合狀態(tài)為“0001”時(shí)，電路會輸出幅度為4V的直流電壓，而當(dāng)組合狀態(tài)為“0010”時(shí)，電路將輸出幅度為5v的直流電壓。同時(shí)，還要給出其塒應(yīng)的輸出位置。這樣．當(dāng)程序循環(huán)改變輸入的組合狀態(tài)時(shí)，在雙蹤顯示模式下，就可以得到如圖2所示的階梯波波形，將這一波形輸入到示波器的x軸上，就會在示波器的相應(yīng)位置上出現(xiàn)四個(gè)亮點(diǎn)。

圖2階梯波波形

　　在實(shí)際工程中，通過DSP程序在FPGA中進(jìn)行兩種不間脈沖寬度之間的轉(zhuǎn)換，將所需脈沖寬度的信號經(jīng)過外部的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器設(shè)置適當(dāng)?shù)膶挾?，再?jīng)過微分、積分電路中，就會形成如圖3所示的波形，把這一波形輸入到示波器的Y軸上，并將其設(shè)置為“X-Y”檔，最后就會顯示出四條亮線。當(dāng)圖(a)中的較窄脈沖輸入到Y(jié)軸時(shí)，通過程序使其在不同的幅值點(diǎn)的停留時(shí)間基本保持一致，這樣，它所對應(yīng)的顯示亮線會比較均勻；而當(dāng)圖 (b)中的較寬脈沖輸入到Y(jié)軸時(shí)，通過程序使其在最高幅值點(diǎn)處停留的時(shí)間比在其它幅值點(diǎn)停留的時(shí)間長，這使得它所對應(yīng)的亮線頂部比亮線的其它部分較亮，最后就會在示波器上顯示出形狀類似火柴頭的亮線圖形。

圖3兩種寬度在脈沖信號

4．2鋸齒波波形

　　同樣地，按照相間的構(gòu)想就可以產(chǎn)生鋸齒波波形。由上可知，F(xiàn)PGA會輸出1600Hz的脈沖作為外部模擬電路的觸發(fā)信號，在它的作用下，模擬電路會產(chǎn)生一個(gè)長為100us的掃描信號，將其作為示波器上X軸的輸入信號，而將0V的直流電壓輸入Y軸。那么，根據(jù)示波器的顯示原理，由于Y軸的輸人為0V，則亮點(diǎn)只能出現(xiàn)在x軸上，而x軸的輸入信號又是一個(gè)頻率值固定的連續(xù)信號，這樣在示波器上就會顯示出一個(gè)在x軸上連續(xù)的扣描基線的波形。然后，通過DSP 的軟件程序控制模擬電路，產(chǎn)生連續(xù)變化的直流電壓值，再輸出到示波器的Y軸上時(shí)，就可以在示波器上得到鋸齒波波形，如圖4所示。

圖4鋸齒波波形

5 結(jié)論

　　這里，利用FPGA構(gòu)成核心控制電路用以產(chǎn)生模擬波形的控制信號，再輔以外圍的電路生成鋸齒波和階梯波。通過實(shí)驗(yàn)觀察，產(chǎn)生的波形清晰，無雜波干擾．表明該模擬電路能夠很好地處理漸變信號，充分地體現(xiàn)了模擬電路的優(yōu)點(diǎn)。并且，在實(shí)際工程中，合理地運(yùn)用鋸齒波和階梯波來生成項(xiàng)目所需的各種模擬波形。只要將部分電路稍加改造，就可以應(yīng)用于其他應(yīng)用系統(tǒng)中。