引言
在電子工程設(shè)計(jì)與測試中，常常需要一些復(fù)雜的、具有特殊要求的信號，要求其波形可任意產(chǎn)生，頻率方便可調(diào)。通常的信號產(chǎn)生器難以滿足要求，市場上出售的任意信號產(chǎn)生器價(jià)格昂貴。結(jié)合實(shí)際需要，我們設(shè)計(jì)了一種任意波形發(fā)生器。電路設(shè)計(jì)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(chǎn)生、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)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(jī)和CPLD控制，將波形數(shù)據(jù)讀出，送入后向通道進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器，信號產(chǎn)生靈活方便、功能擴(kuò)展靈活、信號參數(shù)可調(diào)，實(shí)現(xiàn)了硬件電路的軟件化設(shè)計(jì)。具有電路結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)用性強(qiáng)、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)。
系統(tǒng)框圖
任意波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)思想，是利用MATLAB的強(qiáng)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(yù)存在數(shù)據(jù)存儲器中。在單片機(jī)控制下，利用CPLD電路產(chǎn)生地址讀出數(shù)據(jù)，送入D/A轉(zhuǎn)換電路，得到所需的任意波形信號。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1；圖中分頻電路和地址發(fā)生器由CPLD實(shí)現(xiàn)。
圖1 系統(tǒng)框圖
電路設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
單片機(jī)控制電路
單片機(jī)采用AT89C52芯片，通過軟件編程產(chǎn)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(fù)位信號；E2PROM的選通信號；D/A轉(zhuǎn)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(jī)工作在定時(shí)器0方式，軟件設(shè)計(jì)利用C語言實(shí)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(xué)工具軟件，具有強(qiáng)大的運(yùn)算功能；可以方便的產(chǎn)生各種信號波形，在軟件中實(shí)現(xiàn)波形信號的產(chǎn)生、抽樣和模數(shù)轉(zhuǎn)換。設(shè)計(jì)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(chǎn)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(shè)計(jì)中，我們要求產(chǎn)生周期為200ms，脈寬為5ms的單/調(diào)頻混合信號，其中單頻信號的脈寬為4ms，頻率為30KHz；調(diào)頻信號的脈寬為1ms，頻率為30KHz_35KHz。在MATLAB中設(shè)定抽樣率為500KHz,得到了2500個(gè)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(fèi)時(shí)且容易出錯(cuò)。為克服這一弊端，通過MATLAB編程的方法將產(chǎn)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(shí)現(xiàn)信號參數(shù)的功能擴(kuò)展。
CPLD邏輯設(shè)計(jì)
分頻電路采用兩片74HC163實(shí)現(xiàn)。通過分頻電路，將12MHz的晶振標(biāo)準(zhǔn)頻率分頻后，得到500KHz的抽樣頻率，作為地址發(fā)生器的時(shí)鐘。分頻電路的工作由單片機(jī)控制。
地址發(fā)生器電路由3片74HC163組成，時(shí)鐘頻率為500KHz，有分頻電路提供；和預(yù)存的波形數(shù)據(jù)抽樣頻率相一致，以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無失真讀出。 電路設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)，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(jià)格低廉的顯著優(yōu)點(diǎn)。通過CPLD和數(shù)據(jù)預(yù)生成的信號實(shí)現(xiàn)方法，無需改變硬件電路，即可實(shí)現(xiàn)信號參數(shù)的任意調(diào)整；同時(shí)外圍電路十分簡單，為工程調(diào)試和應(yīng)用帶來了方便。
D/A轉(zhuǎn)換電路
D/A轉(zhuǎn)換電路的實(shí)現(xiàn)如圖3所示。 電路中，AD7545將波形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為模擬信號；LF353進(jìn)行信號濾波和整形。
圖3 D/A轉(zhuǎn)換電路
結(jié)語
采用上述方法設(shè)計(jì)的任意波形發(fā)生器，通過軟件和硬件結(jié)合，充分發(fā)揮MATLAB強(qiáng)大的仿真功能，盡可能的減少了硬件開銷。根據(jù)實(shí)際需要，可產(chǎn)生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等多種波形，可以產(chǎn)生線性調(diào)頻信號（LFM），單頻脈沖信號（CW），余弦包絡(luò)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(yīng)用于在研項(xiàng)目“水中運(yùn)動目標(biāo)軌跡測量”中，效果良好。