基于单片机与CPLD技术的多波形函数信号发生器设计
1 引言
由于传统的多波形函数信号发生器需采用大量分离元件才能实现，且设计复杂，这里提出一种基于cpld的多波形函数信号发生器。它采用cpld作为函数信号发生器的处理器，以单片机和cpld为核心，辅以必要的模拟和数字电路，构成的基于dds(直接数字频率合成)技术、波形稳定、精度较高的多功能函数信号发生器。
2 系统设计
图1给出系统设计框图，该系统设计主要由cpld电路、单片机电路、键盘输入液晶显示输出电路以及d/a转换电路和低通滤波器等电路组成。
2．1 频率合成器
该系统设计采用直接数字式频率合成dds(direct digital frequency synthesis)技术，采用rom存储所需的量化数据，按照不同频率求出频率控制字。以k为步进对相位累加器进行累加，每累加一次，取出累加器的高8 位数据送至rom，rom根据不同的地址取出不同的数据送tlc7524进行转换。再经过滤波即可得到所需要波形。由于dds具有相对带宽很宽，频率转换时间极短，频率分辨率高等优点。此外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率，相位和幅度均可实现程控。
2．2 幅度控制模块
幅度控制模块由dac0832控制，利用其内部电阻分压网络，将其作为数控电位器。将 tlc7524的输出波形作为dac0832的基准电压源输入，其输出波形为v=(n/256)×vin,其中n为单片机输入的幅度控制字。通过一简单的电阻分压网络调整运放输出峰一峰值为0～5 v，再送至dac0832由单片机控制其幅度实现幅度的步进，如图2所示。
2．3 后级处理模块
采用二阶巴特沃兹低通滤波器。巴特沃兹低通滤波器的幅度函数是单调下降的，由于n阶低通巴特沃兹低通滤波器的前(2n-1)阶导数在ω=0处为零，所以巴特沃兹低通滤波器也称最大平坦幅度滤波器。由于该设计要求滤除的频率分量主要为由d／a转换器产生的高频分量，与系统所要求保留的频率相差很远，所以滤波器在通频带内的平坦程度比其衰减陡度更为重要，而且巴特沃兹低通滤波器所要的元件值合乎实际情况，不像其他滤波器要求元件值那么苛刻。
3 硬件电路系统设计
3．1 总体设计思路
整个系统以cpld(epm7128)、at89s51、at28c64(eep-rom)为核心。cpld通过相位累加产生读取rom的地址。以单片机为系统控制的核心，主要功能：给cpld送频率控制字，即相位累加器的累加值，以此控制频率；给d／a转换器送幅度控制字d，控制波形幅度；处理红外遥控键盘；送数据给液晶lcd。eeprom存储已固化好波形的数据。
3．2 cpld模块
该模块通过一个4引脚的工业标准jtag接口在系统编程(isp)，并且在编程过程中仅需5．0 v单电压供电。编程过程中，i／o引脚处于三态并被上拉，以消除板上冲突。上拉阻值为1 kω。因为该器件是在线编程的，为了便于调试，所以把下载口直接做在电路板上。考虑到电源为自制的稳压电源，cpld受电源纹波干扰影响较大，所以在每个器件旁都加有去耦电容。
3．3 d／a转换及幅度控制
d／a转换采用ti公司的tlc7524，该器件转换速度可达10 m，幅度控制d／a转换采用max518，该器件是i2c总线的双d／a转换器，只需很少的端口线就可实现两路幅度的控制，大大节省单片机的端口。图3给出d／a转换电路。
3．4 后级处理模块
低通滤波器对阶梯正弦波进行傅里叶分析。其中若一周期采样点数为n，则其高次谐波能量主要集中在输出频率的(n±1)倍频上，其幅值为基频的 1／(n±1)。低通滤波可以平滑其台阶。另外还需滤除由dac0832和tcl7524产生的1mhz和10 mhz的高频分量。因此根据设计的要求(输出最大频率为250 khz，为了保证250 khz频带内输出幅度平坦，又要尽可能抑制谐波和高频分量，综合考虑选用宽带运放lf351，用ewb仿真表明：截止频率为1 mhz～250 khz以内幅度平坦。为了保证稳幅输出，选用ad817。该器件是一种低功耗、高速、宽带运算放大器，具有很强的大电流驱动能力。实际电路测量表明：当负载为100 ω，输出峰-峰值为10 v时，其带宽大于500 khz，幅度变化小于±1％。
4 软件设计
4．1 波形发生
在cpld内设置25位相位累加器，高9位为rom地址，低16 位为产生精确的读rom的点与点之间的时间间隔而设置的累加寄存器，即：单片机送一频率控制字，由低16位寄存器每个时钟都累加这个值，累加到低16位溢出，然后rom的地址加1。rom内的每个地址的数据表示当前波形的幅度，然后连续读出数据并被平滑滤波后得出平滑、稳定的波形。波形产生流程如图4所示。
4．2 幅度控制
系统的幅度控制由max518完成，利用其内部电阻网络实现数字电位器功能，输出电压作为tlc7524的基准电压。图5为幅度控制流程。
5 电路系统调试与参数测试
调试与测试所用仪器pc机、双踪模拟示波器yuan-long、ss7200通用智能计数器、dt9205三位半数字万用表。在户1 khz步进为20 mv下，测试电压幅度。表1为电压幅度测试，表2为输出频率测试。
6 结论
基于单片机和cpld的dds正交信号源，其频率幅度可精密控制，扩展输出频率达300 khz，增加扫频输出功能。采用红外键盘控制频率和幅度，采用液晶同步显示信号的频率和幅度；输出端产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，梯形波、短形波、频率突变的方波、尖脉冲数字信号等，且具有扫频输出的功能。测试结果表明，系统稳定可靠，人机交互界面友好，操作简单方便。
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该系统设计采用直接数字式频率合成dds(direct digital frequency synthesis)技术，采用rom存储所需的量化数据，按照不同频率求出频率控制字。以k为步进对相位累加器进行累加，每累加一次，取出累加器的高8 位数据送至rom，rom根据不同的地址取出不同的数据送tlc7524进行转换。再经过滤波即可得到所需要波形。由于dds具有相对带宽很宽，频率转换时间极短，频率分辨率高等优点。此外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率，相位和幅度均可实现程控。
2．2 幅度控制模块
幅度控制模块由dac0832控制，利用其内部电阻分压网络，将其作为数控电位器。将 tlc7524的输出波形作为dac0832的基准电压源输入，其输出波形为v=(n/256)×vin,其中n为单片机输入的幅度控制字。通过一简单的电阻分压网络调整运放输出峰一峰值为0～5 v，再送至dac0832由单片机控制其幅度实现幅度的步进，如图2所示。
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采用二阶巴特沃兹低通滤波器。巴特沃兹低通滤波器的幅度函数是单调下降的，由于n阶低通巴特沃兹低通滤波器的前(2n-1)阶导数在ω=0处为零，所以巴特沃兹低通滤波器也称最大平坦幅度滤波器。由于该设计要求滤除的频率分量主要为由d／a转换器产生的高频分量，与系统所要求保留的频率相差很远，所以滤波器在通频带内的平坦程度比其衰减陡度更为重要，而且巴特沃兹低通滤波器所要的元件值合乎实际情况，不像其他滤波器要求元件值那么苛刻。
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