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數字波形合成器的設計在結構上大致分三類(lèi)方法。 方法一：直接數字查表法合成周期信號，結構見(jiàn)圖1。波形數據固化在EPROM或其它非易失性存儲器中，通過(guò)查表電路，再晶振時(shí)鐘控制下不斷地從EPROM中取出數據，通過(guò)DAC和低通濾波器(LPF)輸出。此結構的特點(diǎn)是能產(chǎn)生較高頻率的信號，但不便程控且產(chǎn)生信號類(lèi)型有限。 方法二：利用單片機查表法合成周期信號，結構見(jiàn)圖2。波形數據固化在EPROM中，單片機不斷地從存儲器中取出數據，經(jīng)并行口送出，在經(jīng)DAC和LPF輸出。特點(diǎn)是便于程控，但不能產(chǎn)生較高頻率的信號。 方法三：利用單片機生成數據與查表相結合的方法合成周期信號，結構見(jiàn)圖3。 基本波形數據固化在EPROM中，輸出某種波形時(shí)，首先根據基本波形或公式算出波形數據送入RAM，然后由查表電路不斷地、周而復始地從RAM中取出數據，通過(guò)DAC和LPF輸出。特點(diǎn)是既便于程控，又能產(chǎn)生較高頻率的信號，但結構復雜。 本文所介紹的方案是根據用戶(hù)提出的主要性能技術(shù)指標和要求而設計的，是對方法三的一種改進(jìn)、完善。本方案采用數字信號處理芯片DSP做主處理器，把波形數據的產(chǎn)生和波形的擬合相分離，從而可大大提高產(chǎn)生信號的頻率；并且本系統增設了高速數據采集模塊和液晶顯示器LCD，能實(shí)時(shí)顯示輸出波形及其主要參數。 1 硬件框圖及工作原理 本系統由三部分組成：任意周期信號產(chǎn)生模塊、高速數據采集模塊、處理系統及顯示部分�？驁D見(jiàn)圖4。 1.1 任意周期信號產(chǎn)生模塊 該模塊由高頻晶振、頻率合成器、高速RAM、高速D/A轉換器、程控模擬信號放大器和濾波器組成，其主要任務(wù)是完成波形合成。存儲器的讀、寫(xiě)信號分別由高頻晶振輸出fo和DSP的寫(xiě)信號控制，信號切換由控制器ispLSI完成。其特點(diǎn)：(1)采用高頻晶振控制數據轉換，克服了數據轉換受CPU工作速度的限制。(2)采用高速RAM和高速D/A轉換器AD9720，數據轉換速度達400Msps，完全可以擬合20MHz信號。(3)頻率合成器主要由高速、高密度器件ispLSI2032設計完成，利用多位分頻器細化頻率設置，采用循環(huán)周期計數，產(chǎn)生高穩定度的合成波頻率，在0～20MHz范圍內頻率誤差＜0.1%，并克服了非周期采樣而產(chǎn)生的高次諧波，頻率設置可以程控。(4)程控高速寬帶運放可實(shí)現輸出信號的調整(放大、偏置)。 1.2 高速數據采集模塊 高速數據采集模塊是本信號發(fā)生器設計的特色，由高速A/D轉換器AD9283(8bit?100MHz)、RAM、鎖存器組成。A/D的時(shí)鐘信號由高頻晶振輸出fo經(jīng)分頻得到。分頻器由控制器ispLSI實(shí)現程控。本模塊完成對輸出信號的實(shí)時(shí)采集，采集的數據同時(shí)送到LCD直接顯示和給DSP進(jìn)行處理(計算頻率、幅值等參數)。并且可以采集外部輸入信號，與整個(gè)系統配合實(shí)現信號再現。 1.3 處理系統及顯示部分 它包括DSP芯片、控制器(ispLSI)、80C51芯片、外設接口、鍵盤(pán)和顯示器。 DSP芯片完成波形數據的產(chǎn)生并與控制器(ispLSI)、80C51對整個(gè)系統進(jìn)行控制。對于不同的信號，采用不同的數據生成方式： (1)對于方波、矩形波、鋸齒波、三角波、梯形波、隨機信號、掃頻信號等，可簡(jiǎn)單、方便地通過(guò)DSP直接計算得到波形數據； (2)對于正弦、指數、高斯、余弦的信號，不便通過(guò)直接計算得到其波形數據，而其波形用較少數據即可準確描述，可把其基本波形數據固化在EPROM中； (3)對于不便描述的信號，可通過(guò)數據采集得到波形數據或直接通過(guò)鍵盤(pán)輸入數據。 80C51作為輔助微處理器，主要控制鍵盤(pán)和液晶顯示器LCD。并和DSP進(jìn)行通信。 鍵盤(pán)和顯示器實(shí)現人機對話(huà)。鍵盤(pán)為4×6小鍵盤(pán)，由專(zhuān)用集成電路82C79控制。顯示器采用圖形點(diǎn)陣式液晶顯示模塊MGLS-24064，由內藏T6963C控制器驅動(dòng)，可顯示波形及其參數。 外設接口提供仿真接口和通信接口(RS232)，可以測試并遠地控制。 2 系統軟件設計 本儀器軟件設計采用了結構化系統設計與結構化程序設計的方法，整個(gè)軟件由頂向下分層分塊，每個(gè)模塊完成一項功能，并遵守上層模塊調用下層模塊、同層模塊不能相互調用的原則。軟件的模塊結構如圖5所示。 初始化模塊裝載每個(gè)模塊的入口、出口條件及地址，模塊的正常出口是回到鍵盤(pán)程序，等待按鍵：鍵盤(pán)處理模塊根據操作規則優(yōu)先處理四個(gè)高級鍵："預置"、"功能"、"方式"、"自檢"，它們各自對應著(zhù)儀器的一種工作模式。每一種工作模式劃為一個(gè)模塊，且這四個(gè)模塊處于同一層次，而在每一種工作模式下又各有多種功能，各種功能就形成了下一層的一個(gè)個(gè)模塊；處于最底層的是公用程序模塊，它們是一些獨立的公用子程序，可由上層模塊隨意調用。 本文所介紹的方案從結構設計上解決了通常任意波形信號發(fā)生器產(chǎn)生信號頻率受CPU工作頻率限制的問(wèn)題，并采用DSP芯片做主處理器，從而大大提高了產(chǎn)生信號的頻率和處理速度。采用大規�，F場(chǎng)可編程(ispLSI 器件代替MSI器件，大大簡(jiǎn)化了系統結構，提高了性能和可靠性，降低了成本。系統采用鍵盤(pán)和LCD作為人機對話(huà)窗口，具有良好的人機界面，并能實(shí)時(shí)顯示輸出波形及其參數。筆者根據此方案研制開(kāi)發(fā)的智能高頻率信號發(fā)生器EM-2000完全達到了用戶(hù)的要求，具有新穎、結構簡(jiǎn)單、高性能、靈活的特點(diǎn)，具有很大的開(kāi)發(fā)、應用前景。 |
