引言

在電子工程設計與測試中，常常需要一些復雜的、具有特殊要求的信號，要求其波形可任意產生，頻率方便可調。通常的信號產生器難以滿足要求，市場上出售的任意信號產生器價格昂貴。結合實際需要，我們設計了一種任意波形發(fā)生器。電路設計中充分利用MATLAB的仿真功能，將希望得到的波形信號在MATLAB中完成信號的產生、抽樣和模數(shù)轉換，并將得到的數(shù)字波形數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲器中，通過單片機和CPLD控制，將波形數(shù)據(jù)讀出，送入后向通道進行A/D轉換和放大處理后得到所需的模擬信號波形。利用上述方法設計的任意波形發(fā)生器，信號產生靈活方便、功能擴展靈活、信號參數(shù)可調，實現(xiàn)了硬件電路的軟件化設計。具有電路結構簡單、實用性強、成本低廉等優(yōu)點。

系統(tǒng)框圖

任意波形發(fā)生器的設計思想，是利用MATLAB的強大仿真功能，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)預存在數(shù)據(jù)存儲器中。在單片機控制下，利用CPLD電路產生地址讀出數(shù)據(jù)，送入D/A轉換電路，得到所需的任意波形信號。系統(tǒng)結構框圖如圖1；圖中分頻電路和地址發(fā)生器由CPLD實現(xiàn)。

圖1 系統(tǒng)框圖

電路設計及實現(xiàn)

單片機控制電路

單片機采用AT89C52芯片，通過軟件編程產生所要求的控制信號。主要的控制參數(shù)包括：信號周期、脈寬；分頻電路的開始信號、地址發(fā)生器的復位信號；E2PROM的選通信號；D/A轉換電路的選通信號。在具體電路中，端口P1.0控制分頻電路的啟動、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。單片機工作在定時器0方式，軟件設計利用C語言實現(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)學工具軟件，具有強大的運算功能；可以方便的產生各種信號波形，在軟件中實現(xiàn)波形信號的產生、抽樣和模數(shù)轉換。設計的任意波形發(fā)生器，數(shù)據(jù)存儲器選用28C256芯片，信號波形通過MATLAB仿真產生；得到的波形數(shù)據(jù)存放在數(shù)據(jù)存儲器28C256中。具體設計中，我們要求產生周期為200ms，脈寬為5ms的單/調頻混合信號，其中單頻信號的脈寬為4ms，頻率為30KHz；調頻信號的脈寬為1ms，頻率為30KHz_35KHz。在MATLAB中設定抽樣率為500KHz,得到了2500個波形數(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)存儲器中不僅費時且容易出錯。為克服這一弊端，通過MATLAB編程的方法將產生的波形數(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)存儲器中。采用上述方法，波形數(shù)據(jù)生成簡單，快捷；可根據(jù)需要在軟件程序中方便地修改信號參數(shù)；無需改動硬件電路即可實現(xiàn)信號參數(shù)的功能擴展。

CPLD邏輯設計

分頻電路采用兩片74HC163實現(xiàn)。通過分頻電路，將12MHz的晶振標準頻率分頻后，得到500KHz的抽樣頻率，作為地址發(fā)生器的時鐘。分頻電路的工作由單片機控制。

地址發(fā)生器電路由3片74HC163組成，時鐘頻率為500KHz，有分頻電路提供；和預存的波形數(shù)據(jù)抽樣頻率相一致，以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無失真讀出。 電路設計中，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的電路設計，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、價格低廉的顯著優(yōu)點。通過CPLD和數(shù)據(jù)預生成的信號實現(xiàn)方法，無需改變硬件電路，即可實現(xiàn)信號參數(shù)的任意調整；同時外圍電路十分簡單，為工程調試和應用帶來了方便。

D/A轉換電路

D/A轉換電路的實現(xiàn)如圖3所示。 電路中，AD7545將波形數(shù)據(jù)轉換為模擬信號；LF353進行信號濾波和整形。

圖3 D/A轉換電路

結語

采用上述方法設計的任意波形發(fā)生器，通過軟件和硬件結合，充分發(fā)揮MATLAB強大的仿真功能，盡可能的減少了硬件開銷。根據(jù)實際需要，可產生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等多種波形，可以產生線性調頻信號（LFM），單頻脈沖信號（CW），余弦包絡信號以及他們之間的組合信號等多種波形參數(shù)；滿足了工程需要。該任意波形發(fā)生器已應用于在研項目“水中運動目標軌跡測量”中，效果良好。