摘? 要: 介紹一種基于DSP和ispLSI器件的數(shù)字方式產(chǎn)生高精度高頻任意波形的方案。信號波形可通過編程任意產(chǎn)生，其他主要參數(shù)如幅度、頻率等可程控，并且輸出信號的波形和主要參數(shù)可由LCD液晶顯示器實時顯示。
關(guān)鍵詞: 信號發(fā)生器 DSP? ispLSI? 高速A/D轉(zhuǎn)換? 高速D/A轉(zhuǎn)換
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數(shù)字波形合成器的設(shè)計在結(jié)構(gòu)上大致分三類方法。
方法一:直接數(shù)字查表法合成周期信號，結(jié)構(gòu)見圖1。波形數(shù)據(jù)固化在EPROM或其它非易失性存儲器中，通過查表電路，再晶振時鐘控制下不斷地從EPROM中取出數(shù)據(jù)，通過DAC和低通濾波器(LPF)輸出。此結(jié)構(gòu)的特點是能產(chǎn)生較高頻率的信號，但不便程控且產(chǎn)生信號類型有限。
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方法二:利用單片機查表法合成周期信號，結(jié)構(gòu)見圖2。波形數(shù)據(jù)固化在EPROM中，單片機不斷地從存儲器中取出數(shù)據(jù)，經(jīng)并行口送出，在經(jīng)DAC和LPF輸出。特點是便于程控，但不能產(chǎn)生較高頻率的信號。
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????方法三:利用單片機生成數(shù)據(jù)與查表相結(jié)合的方法合成周期信號，結(jié)構(gòu)見圖3。基本波形數(shù)據(jù)固化在EPROM中，輸出某種波形時，首先根據(jù)基本波形或公式算出波形數(shù)據(jù)送入RAM，然后由查表電路不斷地、周而復(fù)始地從RAM中取出數(shù)據(jù)，通過DAC和LPF輸出。特點是既便于程控，又能產(chǎn)生較高頻率的信號，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜。
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本文所介紹的方案是根據(jù)用戶提出的主要性能技術(shù)指標(biāo)和要求而設(shè)計的，是對方法三的一種改進(jìn)、完善。本方案采用數(shù)字信號處理芯片DSP做主處理器，把波形數(shù)據(jù)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(tǒng)增設(shè)了高速數(shù)據(jù)采集模塊和液晶顯示器LCD，能實時顯示輸出波形及其主要參數(shù)。
1 硬件框圖及工作原理
本系統(tǒng)由三部分組成:任意周期信號產(chǎn)生模塊、高速數(shù)據(jù)采集模塊、處理系統(tǒng)及顯示部分。框圖見圖4。
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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(zhuǎn)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、寫信號分別由高頻晶振輸出fo和DSP的寫信號控制，信號切換由控制器ispLSI完成。其特點:(1)采用高頻晶振控制數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，克服了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換受CPU工作速度的限制。(2)采用高速RAM和高速D/A轉(zhuǎn)換器AD9720，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速度達(dá)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(shè)計完成，利用多位分頻器細(xì)化頻率設(shè)置，采用循環(huán)周期計數(shù)，產(chǎn)生高穩(wěn)定度的合成波頻率，在0～20MHz范圍內(nèi)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(shè)置可以程控。(4)程控高速寬帶運放可實現(xiàn)輸出信號的調(diào)整(放大、偏置)。
1.2?高速數(shù)據(jù)采集模塊
高速數(shù)據(jù)采集模塊是本信號發(fā)生器設(shè)計的特色，由高速A/D轉(zhuǎn)換器AD9283(8bit，100MHz)、RAM、鎖存器組成。A/D的時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實現(xiàn)程控。本模塊完成對輸出信號的實時采集，采集的數(shù)據(jù)同時送到LCD直接顯示和給DSP進(jìn)行處理(計算頻率、幅值等參數(shù))。并且可以采集外部輸入信號，與整個系統(tǒng)配合實現(xiàn)信號再現(xiàn)。
1.3 處理系統(tǒng)及顯示部分
它包括DSP芯片、控制器(ispLSI)、80C51芯片、外設(shè)接口、鍵盤和顯示器。
DSP芯片完成波形數(shù)據(jù)的產(chǎn)生并與控制器(ispLSI)、80C51對整個系統(tǒng)進(jìn)行控制。對于不同的信號，采用不同的數(shù)據(jù)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，可簡單、方便地通過DSP直接計算得到波形數(shù)據(jù);
(2)對于正弦、指數(shù)、高斯、余弦的信號，不便通過直接計算得到其波形數(shù)據(jù)，而其波形用較少數(shù)據(jù)即可準(zhǔn)確描述，可把其基本波形數(shù)據(jù)固化在EPROM中;
(3)對于不便描述的信號，可通過數(shù)據(jù)采集得到波形數(shù)據(jù)或直接通過鍵盤輸入數(shù)據(jù)。
80C51作為輔助微處理器，主要控制鍵盤和液晶顯示器LCD。并和DSP進(jìn)行通信。
鍵盤和顯示器實現(xiàn)人機對話。鍵盤為4×6小鍵盤，由專用集成電路82C79控制。顯示器采用圖形點陣式液晶顯示模塊MGLS-24064，由內(nèi)藏T6963C控制器驅(qū)動，可顯示波形及其參數(shù)。
外設(shè)接口提供仿真接口和通信接口(RS232)，可以測試并遠(yuǎn)地控制。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
本儀器軟件設(shè)計采用了結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計的方法，整個軟件由頂向下分層分塊，每個模塊完成一項功能，并遵守上層模塊調(diào)用下層模塊、同層模塊不能相互調(diào)用的原則。軟件的模塊結(jié)構(gòu)如圖5所示。
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初始化模塊裝載每個模塊的入口、出口條件及地址，模塊的正常出口是回到鍵盤程序，等待按鍵:鍵盤處理模塊根據(jù)操作規(guī)則優(yōu)先處理四個高級鍵:“預(yù)置”、“功能”、“方式”、“自檢”，它們各自對應(yīng)著儀器的一種工作模式。每一種工作模式劃為一個模塊，且這四個模塊處于同一層次，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個模塊;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(diào)用。
本文所介紹的方案從結(jié)構(gòu)設(shè)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(guī)模現(xiàn)場可編程(ispLSI)器件代替MSI器件，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了性能和可靠性，降低了成本。系統(tǒng)采用鍵盤和LCD作為人機對話窗口，具有良好的人機界面，并能實時顯示輸出波形及其參數(shù)。筆者根據(jù)此方案研制開發(fā)的智能高頻率信號發(fā)生器EM-2000完全達(dá)到了用戶的要求，具有新穎、結(jié)構(gòu)簡單、高性能、靈活的特點，具有很大的開發(fā)、應(yīng)用前景。
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