桂林電子科技大學(xué) 韓劍 李德明 馮雪

1 引言

由于傳統(tǒng)的多波形函數(shù)信號發(fā)生器需采用大量分離元件才能實(shí)現(xiàn)，且設(shè)計(jì)復(fù)雜，這里提出一種基于CPLD的多波形函數(shù)信號發(fā)生器。它采用CPLD作為函數(shù)信號發(fā)生器的處理器，以單片機(jī)和CPLD為核心，輔以必要的模擬和數(shù)字電路，構(gòu)成的基于DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù)、波形穩(wěn)定、精度較高的多功能函數(shù)信號發(fā)生器。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖1給出系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由CPLD電路、單片機(jī)電路、鍵盤輸入液晶顯示輸出電路以及D/A轉(zhuǎn)換電路和低通濾波器等電路組成。

2.1 頻率合成器

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用直接數(shù)字式頻率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)技術(shù)，采用ROM存儲(chǔ)所需的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率求出頻率控制字。以K為步進(jìn)對相位累加器進(jìn)行累加，每累加一次，取出累加器的高8 位數(shù)據(jù)送至ROM，ROM根據(jù)不同的地址取出不同的數(shù)據(jù)送TLC7524進(jìn)行轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過濾波即可得到所需要波形。由于DDS具有相對帶寬很寬，頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短，頻率分辨率高等優(yōu)點(diǎn)。此外，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù)，頻率，相位和幅度均可實(shí)現(xiàn)程控。

2.2 幅度控制模塊

幅度控制模塊由DAC0832控制，利用其內(nèi)部電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，將其作為數(shù)控電位器。將 TLC7524的輸出波形作為DAC0832的基準(zhǔn)電壓源輸入，其輸出波形為V=(N/256)×Vin,其中N為單片機(jī)輸入的幅度控制字。通過一簡單的電阻分壓網(wǎng)絡(luò)調(diào)整運(yùn)放輸出峰一峰值為0～5 V，再送至DAC0832由單片機(jī)控制其幅度實(shí)現(xiàn)幅度的步進(jìn)，如圖2所示。

2.3 后級處理模塊

采用二階巴特沃茲低通濾波器。巴特沃茲低通濾波器的幅度函數(shù)是單調(diào)下降的，由于n階低通巴特沃茲低通濾波器的前(2n-1)階導(dǎo)數(shù)在ω=0處為零，所以巴特沃茲低通濾波器也稱最大平坦幅度濾波器。由于該設(shè)計(jì)要求濾除的頻率分量主要為由D/A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的高頻分量，與系統(tǒng)所要求保留的頻率相差很遠(yuǎn)，所以濾波器在通頻帶內(nèi)的平坦程度比其衰減陡度更為重要，而且巴特沃茲低通濾波器所要的元件值合乎實(shí)際情況，不像其他濾波器要求元件值那么苛刻。

3 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)思路

整個(gè)系統(tǒng)以CPLD(EPM7128)、AT89S51、AT28C64(EEP-ROM)為核心。CPLD通過相位累加產(chǎn)生讀取ROM的地址。以單片機(jī)為系統(tǒng)控制的核心，主要功能：給CPLD送頻率控制字，即相位累加器的累加值，以此控制頻率;給D/A轉(zhuǎn)換器送幅度控制字D，控制波形幅度;處理紅外遙控鍵盤;送數(shù)據(jù)給液晶LCD。EEPROM存儲(chǔ)已固化好波形的數(shù)據(jù)。

3.2 CPLD模塊

該模塊通過一個(gè)4引腳的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) JTAG接口在系統(tǒng)編程(ISP)，并且在編程過程中僅需5.0 V單電壓供電。編程過程中，I/O引腳處于三態(tài)并被上拉，以消除板上沖突。上拉阻值為1 kΩ。因?yàn)樵撈骷窃诰€編程的，為了便于調(diào)試，所以把下載口直接做在電路板上?？紤]到電源為自制的穩(wěn)壓電源，CPLD受電源紋波干擾影響較大，所以在每個(gè)器件旁都加有去耦電容。

3.3 D/A轉(zhuǎn)換及幅度控制

D/A轉(zhuǎn)換采用TI公司的TLC7524，該器件轉(zhuǎn)換速度可達(dá)10 M，幅度控制D/A轉(zhuǎn)換采用MAX518，該器件是I2C總線的雙D/A轉(zhuǎn)換器，只需很少的端口線就可實(shí)現(xiàn)兩路幅度的控制，大大節(jié)省單片機(jī)的端口。圖3給出D/A轉(zhuǎn)換電路。

3.4 后級處理模塊

低通濾波器對階梯正弦波進(jìn)行傅里葉分析。其中若一周期采樣點(diǎn)數(shù)為N，則其高次諧波能量主要集中在輸出頻率的(N±1)倍頻上，其幅值為基頻的 1/(N±1)。低通濾波可以平滑其臺階。另外還需濾除由DAC0832和TCL7524產(chǎn)生的1MHz和10 MHz的高頻分量。因此根據(jù)設(shè)計(jì)的要求(輸出最大頻率為250 kHz，為了保證250 kHz頻帶內(nèi)輸出幅度平坦，又要盡可能抑制諧波和高頻分量，綜合考慮選用寬帶運(yùn)放LF351，用EWB仿真表明：截止頻率為1 MHz～250 kHz以內(nèi)幅度平坦。為了保證穩(wěn)幅輸出，選用AD817。該器件是一種低功耗、高速、寬帶運(yùn)算放大器，具有很強(qiáng)的大電流驅(qū)動(dòng)能力。實(shí)際電路測量表明：當(dāng)負(fù)載為100 Ω，輸出峰-峰值為10 V時(shí)，其帶寬大于500 kHz，幅度變化小于±1%。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 波形發(fā)生

在 CPLD內(nèi)設(shè)置25位相位累加器，高9位為ROM地址，低16 位為產(chǎn)生精確的讀ROM的點(diǎn)與點(diǎn)之間的時(shí)間間隔而設(shè)置的累加寄存器，即：單片機(jī)送一頻率控制字，由低16位寄存器每個(gè)時(shí)鐘都累加這個(gè)值，累加到低16位溢出，然后ROM的地址加1。ROM內(nèi)的每個(gè)地址的數(shù)據(jù)表示當(dāng)前波形的幅度，然后連續(xù)讀出數(shù)據(jù)并被平滑濾波后得出平滑、穩(wěn)定的波形。波形產(chǎn)生流程如圖4所示。

4.2 幅度控制

系統(tǒng)的幅度控制由MAX518完成，利用其內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)字電位器功能，輸出電壓作為TLC7524的基準(zhǔn)電壓。圖5為幅度控制流程。

5 電路系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測試

調(diào)試與測試所用儀器PC機(jī)、雙蹤模擬示波器YUAN-LONG、SS7200通用智能計(jì)數(shù)器、DT9205三位半數(shù)字萬用表。在戶1 kHz步進(jìn)為20 mV下，測試電壓幅度。表1為電壓幅度測試，表2為輸出頻率測試。

6 結(jié)論

基于單片機(jī)和CPLD的DDS正交信號源，其頻率幅度可精密控制，擴(kuò)展輸出頻率達(dá)300 kHz，增加掃頻輸出功能。采用紅外鍵盤控制頻率和幅度，采用液晶同步顯示信號的頻率和幅度;輸出端產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，梯形波、短形波、頻率突變的方波、尖脈沖數(shù)字信號等，且具有掃頻輸出的功能。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，人機(jī)交互界面友好，操作簡單方便。