波形發(fā)生器高手必看，任意波形發(fā)生器連接設(shè)計(jì)

波形發(fā)生器知識(shí)較多，學(xué)習(xí)波形發(fā)生器需要循序漸進(jìn)。若大家想了解波形發(fā)生器，可翻閱小編往期文章。本文對(duì)于波形發(fā)生器的介紹，主要在于講解如何基于CPLD技術(shù)和RS-232串口實(shí)現(xiàn)任意波形發(fā)生器連接設(shè)計(jì)。如果你對(duì)本文即將介紹的內(nèi)容存在興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦。

任意波形發(fā)生器(Arbitrary　Wave　Generator，以下簡(jiǎn)稱AWG)在通信系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用。本文利用自主研制的150　MSPS　(Million　Sampling　Per　Second)12位DAC(Digital　Analog　Converter)和300MSPS　12位DAC，基于CPLD技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種AWG。要產(chǎn)生的波形通過上位機(jī)軟件設(shè)置，然后將波形數(shù)據(jù)下載到AWG，AWG在CPLD的高速控制電路下將波形數(shù)據(jù)送高速DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換形成所要的波形。下面先分析AWG的硬件結(jié)構(gòu)。

任意波形發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)

AWG的工作過程是，首先接收上位機(jī)送來的波形數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到SRAM，然后啟動(dòng)控制電路從SRAM取出數(shù)據(jù)送DAC進(jìn)行數(shù)摸轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)送低通濾波器形成波形。如果DAC工作在150MSPS的速度下，可以以150MHz的頻率送數(shù)據(jù)到DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，微控制器的晶振輸入一般工作在40MHz以下，沒有這么高的速度送出數(shù)據(jù)到DAC，所以考慮采用CPLD構(gòu)建硬件控制電路。數(shù)據(jù)首先傳送到SRAM，然后在CPLD硬件控制電路的控制下，以150MHz的頻率從SRAM中取數(shù)送DAC轉(zhuǎn)換。其體系結(jié)構(gòu)如圖一所示。如果要形成正弦周期信號(hào)，每周期4個(gè)點(diǎn)就可以合成一個(gè)波形，此時(shí)可以輸出約38MHz的高頻信號(hào)。

本裝置中，CPLD采用Altera公司的EPM7128AE，其最高工作頻率達(dá)200MHz。微控制器采用Atmel公司AVR微控制器AT90S8515，其主要特征有：增強(qiáng)型RISC體系結(jié)構(gòu)CPU，8K　Flash，512字節(jié)EEPROM，512字節(jié)Internal　SRAM，UART，SPI，寬電壓范圍：2.7-6.0V。SRAM選用64K　x　16的CY7C1021V。

下面對(duì)CPLD控制電路進(jìn)行分析。

CPLD電路設(shè)計(jì)

CPLD主要負(fù)責(zé)以高速率(150MHz)從SRAM中取數(shù)到DAC，其核心電路是一個(gè)13位的計(jì)數(shù)器。波形數(shù)據(jù)文件的大小為8Kbytes。如果要擴(kuò)大波形文件的大小，可以根據(jù)需要增加CPLD的地址計(jì)數(shù)器容量。在CPLD內(nèi)部構(gòu)造的DAC控制電路如圖二所示，下面對(duì)其控制流程進(jìn)行分析。

PA[15:0]接AT90S8515的2個(gè)8位并行口;D[15:0]接SRAM的數(shù)據(jù)線D0-D15;AD[12:0]接SRAM的地址線A0-A12;DB[15:0]接DAC的D0-D11(D12-D15不用);CLK_SEL選擇計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入方式;CLK_AVR接MCU的一個(gè)I/O端，通過軟件編程在CLK_AVR輸出脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘;CLK_CPLD接150MHz時(shí)鐘信號(hào);/WR和/WE接MCU的I/O端。

當(dāng)PC機(jī)下載數(shù)據(jù)時(shí)，其控制流程如下：

①CLK_SEL=0，選擇軟件時(shí)鐘

②復(fù)位地址計(jì)數(shù)器

③MCU送數(shù)據(jù)到PA[15：0]

④/WR從0變到1，打開從MCU到SRAM的數(shù)據(jù)緩沖器將數(shù)據(jù)寫入SRAM

⑤給CLK_AVR一個(gè)脈沖，讓計(jì)數(shù)器增1從而指向SRAM的下一個(gè)接收地址單元。

當(dāng)數(shù)據(jù)下載完成后，啟動(dòng)CPLD從SRAM取數(shù)據(jù)到DAC，其控制流程如下：

①WE=1，打開從SRAM到DAC的緩沖器。

②CLK_SEL=1，計(jì)數(shù)器的輸入時(shí)鐘選擇150MHz的外部時(shí)鐘，

③復(fù)位地址計(jì)數(shù)器，外部高速時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下地址計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，從SRAM中取出數(shù)據(jù)送到DAC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

CPLD的編程在QuartusII5.0環(huán)境下進(jìn)行，Quartus的設(shè)計(jì)輸入支持AHDL、VHDL、Verilog　HDL等硬件描述語言的程序輸入和圖形輸入，這里采用圖形輸入的方式。完成設(shè)計(jì)輸入后，依次進(jìn)行編譯、功能仿真、時(shí)序仿真。下圖三是CPLD取數(shù)據(jù)到DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)序仿真結(jié)果。圖中CPLD的工作頻率為125MHz，實(shí)際工作中最高工作在200MHz，從圖中可以看出，每來一個(gè)時(shí)鐘，CPLD從SRAM中取出一個(gè)數(shù)據(jù)送DAC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。最后將結(jié)果下載到CPLD內(nèi)部運(yùn)行。

軟件設(shè)計(jì)

AWG的軟件采用CodeVision　AVR　C編寫，AT90S8515支持ISP(In　System　Programming，在系統(tǒng)編程)，程序編譯后經(jīng)JTAG口下載到AT90S8515中。為配合該裝置的使用，我們?cè)赩B開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，其運(yùn)行界面如圖四所示，在該軟件中選擇要產(chǎn)生的波形，然后下載到AWG。

AWG和PC機(jī)采用RS-232串口通信，上電運(yùn)行后等待PC傳送波形，接收完波形數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)CPLD從SRAM中取出數(shù)據(jù)送DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)低通濾波器形成輸出波形。

AWG和PC機(jī)通過RS232串口連接后，運(yùn)行PC機(jī)軟件，在PC機(jī)上選擇要生成的波形，生成波形數(shù)據(jù)下載到AWG，可以選擇線性調(diào)制技術(shù)的絕對(duì)相移鍵控(BPSK)、相對(duì)相移鍵控(DPSK)、四相相移鍵控(QPSK)、交錯(cuò)正交相移鍵控(OQPSK)、π/4偏移差分相移鍵控(π/4—DQPSK)，恒包絡(luò)調(diào)制的二進(jìn)制頻移鍵控(FSK)、最小頻移鍵控(MSK)、高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)，混合線性和恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)的M相相移鍵控(MPSK)、多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(QAM)、多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)等波形，下載到AWG生成所要的波形。下圖五是DAC工作在125MHz下合成的2FSK(Frequency　Shift　Key)波形。

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