基于Flash型FPGA的信號(hào)源卡設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種基于Flash型FPGA的多路模擬重信號(hào)源設(shè)計(jì)方法，該系統(tǒng)以ACTEL公司的A3P125VQ100芯片為核心，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的軟硬件結(jié)合。它包括數(shù)模轉(zhuǎn)換單元、電源模塊、多路模擬開關(guān)模塊以及運(yùn)算放大單元等，實(shí)現(xiàn)了電源獨(dú)立的、頻率可調(diào)的、不同波形的多路模擬量信號(hào)源。該系統(tǒng)通過編寫程序可以產(chǎn)生正弦波、三角波、方波以及直漉波并實(shí)現(xiàn)1～500 Hz頻率可調(diào)。研究的核心內(nèi)容主要是通過FPGA控制D／A和多路模擬開關(guān)，通過D／A產(chǎn)生波形從多路模擬開關(guān)中送出，通過撥碼開關(guān)在1～500 Hz的頻率范圍內(nèi)控制選擇，并且能夠通過示波器觀測到相應(yīng)的頻率的波形。
關(guān)鍵詞：Flash；FPGA；信號(hào)源卡；多路選通；數(shù)模轉(zhuǎn)換

0 引言
    信號(hào)源廣泛應(yīng)用于電子電路、自動(dòng)控制和科學(xué)試驗(yàn)等領(lǐng)域。它是一種為電子測量和計(jì)量工作提供符合嚴(yán)格技術(shù)要求的電信號(hào)設(shè)備。該設(shè)計(jì)可以模擬各種復(fù)雜信號(hào)，還可對(duì)頻率進(jìn)行動(dòng)態(tài)、及時(shí)的控制。作為激勵(lì)源，仿真各種測試信號(hào)，提供給被測電路，以滿足測量或各種實(shí)際需要，并能夠與其它模塊，組成自動(dòng)測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，完整的實(shí)現(xiàn)了一個(gè)物理信號(hào)的產(chǎn)生，同時(shí)也包括信號(hào)發(fā)生器硬件的設(shè)計(jì)和軟件的設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)構(gòu)成
    系統(tǒng)工作原理如圖1所示，通過JTAG接口把程序燒進(jìn)芯片中后通過電源模塊給所有芯片供電使得它們可以正常工作。FPGA上電后自動(dòng)復(fù)位，通過撥動(dòng)撥碼開關(guān)選擇需要輸出的波形和波形的頻率，F(xiàn)PGA通過接收到的命令不斷的從RAM中讀出數(shù)據(jù)給D／A轉(zhuǎn)化器使其把數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬信號(hào)，同時(shí)FPGA也控制多路模擬開關(guān)在確定的四路中進(jìn)行不斷的選通使得D／A轉(zhuǎn)換完的模擬信號(hào)在肉眼無法識(shí)別的情況下感覺是同時(shí)從四路輸出的信號(hào)，最后信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器完整的輸出，我們用示波器在對(duì)應(yīng)的插針上就能夠檢測到相應(yīng)的信號(hào)。

2 硬件設(shè)計(jì)
    FPGA采用的是ACTEL公司A3P125-VQ100，該芯片是一歙Flash型的芯片，有30k個(gè)系統(tǒng)門，多達(dá)81個(gè)用戶I／O口，350 MHz的系統(tǒng)性能。FPGA模塊是由晶振電路、復(fù)位電路和下載電路這幾部分組成。晶振為FPGA提供一個(gè)外接的CLK，復(fù)位電路是由一個(gè)電容和一個(gè)電阻組成，只要電源一給芯片上電就會(huì)自動(dòng)復(fù)位，下載電路就是JTAG接口，通過該接口把下載的程序燒入到FPCA中。通過這幾個(gè)外接電路組成一個(gè)FPGA模塊。
    控制電路模塊是由撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)的，一部分用于信號(hào)選擇，另一部分用于頻率控制。該系統(tǒng)中一共有4種信號(hào)供選擇，撥碼開關(guān)只有0和1，所以只需用兩個(gè)開關(guān)就能控制選擇四種信號(hào)，在這里00表示直流，01表示正弦波，10表示三角波，11表示方波。那么撥碼開關(guān)的1到9位是用來控制頻率的，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的要求是要控制1～500 Hz頻率可調(diào)，而500用二進(jìn)制表示為111110100共9位，所以頻率可調(diào)就是通過控制撥碼開關(guān)把需要的頻率用二進(jìn)制表示出來，通過一定的運(yùn)算法則使得輸出的波形頻率為所要的頻率。
    D／A轉(zhuǎn)換器用的芯片是AD5424，該芯片為電流輸出型，8位的分辨率，17ns寫周期，DAC轉(zhuǎn)換時(shí)間是30ns。FPGA接收到控制模塊的命令后從RAM中給D／A不斷的發(fā)送8位的二進(jìn)制數(shù)據(jù)，芯片通過自身內(nèi)部一定的電路把前面發(fā)送的二進(jìn)制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電流，發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)間是通過該芯片的技術(shù)資料中的時(shí)序圖來控制的，每一個(gè)CS的寫周期是t3+t7=19ns，中間轉(zhuǎn)化是t7+t8=29ns。當(dāng)再來一個(gè)有效信號(hào)時(shí)數(shù)據(jù)就被讀出，當(dāng)寫信號(hào)有效時(shí)又開始寫入新的數(shù)據(jù)從而往復(fù)循環(huán)。
    從AD5424輸出的電流通過下拉電阻轉(zhuǎn)換成電壓，經(jīng)過第一個(gè)運(yùn)放使電壓跟隨起到加強(qiáng)信號(hào)的作用，假設(shè)輸出的電壓是VLF353，通過第二個(gè)運(yùn)放實(shí)現(xiàn)放大，第二個(gè)電路實(shí)際是一個(gè)負(fù)反饋的電路，通過公式可得把VLF353放大了兩倍，最后實(shí)現(xiàn)輸出，從而完成了從D／A到調(diào)理信號(hào)，再到輸出這一過程。
    轉(zhuǎn)化后的電壓需要4路同時(shí)輸出，一共有四種信號(hào)，所以采用ADG706這款芯片實(shí)現(xiàn)16路信號(hào)選擇。FPGA給ADG706發(fā)送命令控制什么時(shí)間選擇哪一路開關(guān)導(dǎo)通。每一個(gè)從模擬開關(guān)出來的電壓都需要通過濾波器模塊，這里用到的是OPA4340這款芯片，同時(shí)在每一個(gè)輸出后面加入一個(gè)電容以便保證電壓連續(xù)輸出。
    在整個(gè)系統(tǒng)中每一個(gè)芯片都需要電源的供電，而每個(gè)芯片所需要的電壓也不一樣，根據(jù)需要電源模塊從外界引入一個(gè)5 V的電壓通過TPS70358芯片轉(zhuǎn)換成3．3V和2．5V，通過SPX3819M5-L-1-5芯片把5 V轉(zhuǎn)化成1．5V。

3 軟件設(shè)計(jì)
    這個(gè)軟件的整體設(shè)計(jì)如圖2所示，主要分為五大模塊：除法模塊、分頻模塊、控制模塊、D／A模塊和多路模擬模塊這五部分。每一個(gè)模塊都有一定的功能，是一級(jí)一級(jí)實(shí)現(xiàn)的，軟件的整體功能是達(dá)到波形的多路輸出，頻率可調(diào)的功能。

    由于芯片的限制，在該芯片中寫入的程序時(shí)不能有除法運(yùn)算，但是在這里為了選擇頻率必須用到除法，所以在寫入程序前先寫入一個(gè)除法程序模塊；由于要輸出的是多路信號(hào)，為了實(shí)現(xiàn)這一設(shè)計(jì)要求通過控制D／A和多路模擬開關(guān)兩個(gè)芯片的時(shí)鐘，使得他們?cè)跁r(shí)鐘上不同步，D／A輸出的模擬信號(hào)在四個(gè)輸出口都可以輸出，由于肉眼識(shí)別的時(shí)間差異可以達(dá)到四路同時(shí)輸出這一效果。在圖3中LOAD是除法模塊中的使能端高電平有效，B[8．．0]是控制頻率的，SWITCH[1．．0]是選擇輸出波形的，這三個(gè)都是輸入端，輸出端是兩個(gè)，ADGDATA[3．．0]和DATA[7．．0]，前面是多路模擬開關(guān)的輸出信號(hào)，后面是DA的輸出信號(hào)，從圖中可以看出DA輸出一個(gè)信號(hào)的時(shí)候多路模擬開關(guān)不斷的在四個(gè)開關(guān)口選通。

 
4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    圖4是用撥碼開關(guān)輸出250 Hz和100 Hz的測試結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出當(dāng)撥碼開關(guān)的前9位為011111010，第10個(gè)和第11個(gè)撥碼開關(guān)為10，然后把示波器的紅色探針放到排母的第9根到第12根上的任意一根可以在示波器上看到三角波，并且在圖的右下角可以看到當(dāng)前波形的頻率，該頻率為261 Hz與理論上相差不大。當(dāng)把撥碼開關(guān)的前9位改為001100100時(shí)，示波器的頻率顯示為100．94 Hz，達(dá)到了預(yù)期的效果。

    圖5為同一個(gè)方波信號(hào)同時(shí)輸出四路，當(dāng)?shù)?0個(gè)和第11個(gè)撥碼開關(guān)為11時(shí)，會(huì)在排母的第13根到第16根上同時(shí)輸出方波信號(hào)，從圖片的左邊到右邊分別為探針從第16路到第13路探測出的波形，可以看到四路都有方波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了四路同時(shí)輸出信號(hào)的功能。

    通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出該Flash型FPGA的信號(hào)源卡的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了方波，三角波，正弦波和直流信號(hào)的多路輸出以及頻率在1～500 Hz可調(diào)的功能。