基于FPGA的模拟信号波形的实现

2015-05-12 10:53:40   来源:21ic   

关键字: 信号调理  FPGA  模拟信号波形  示波器

1 引言

波形发生器已经广泛的应用在通信、控制、测量等各个领域,如锯齿波、正弦波、方波等波形常用于电路的设计与调试。随着电子技术的迅猛发展,数字化正逐渐地成为电子产业的发展趋势,各公司都将自己的产品向数字化、集成化、小型化等方向进行拓展。众所周知,数字化的电子产品有其不可替代的优势,譬如体积小、集成程度高、抗干扰能力强等特点。但是,数字电路只能够较好地处理脉冲波形,即只对l和0形成的方波处理得很好.对于连续渐变的信号不能够很好地处理,而这恰恰正是模拟电路的优势所在。本文将数字电路与模拟电路相结合,即通过FPGA来产生所需各种模拟波形的控制信号,然后通过模拟电路来处理渐变信号,这样町以得到各种清晰的波形。

2 示波器显示原理

首先,对示波器的显示原理进行简要地说明,以便更好地了解硬件电路的工作过程。在整个显示期间,示波器需要始终处于“X-Y”档,即尔波器的波形是 X轴和Y轴输入信号的叠加合成显示。可知,一般情况下,x轴输入的变量为信号频率,Y轴输入的变量为信号幅度。因此,当在x轴上输入5KHz的信号频率值,在Y轴上输入0V的直流电压幅度时,在示波器位于(5KHz,0V)的位置处就会显示出一个亮点;同理,若在Y轴上输入5V的直流电压幅度,而在x轴上输入0Hz的信号频率值时,在示波器位于(0Hz,5V)的位置处也会显示出一个亮点;而如果在x轴和Y轴上的输入分别为5KHz、5V时,则亮点就会出现在示波器上的(5KHz,5V)处。这样,如果通过程序不间断地对两个坐标轴进行赋值,就可以在示波器上显示出一条清晰.连续的信号波形。

3 硬件设计

本文主要详细地介绍了常用信号中阶梯波和锯齿波的模拟波形设计,它们的模拟电路实现简单,并且实际的输出波形清晰。方案中的硬件电路主要是南DSP、 FPGA以及外围芯片构成,DSP用于控制模拟波形的输出位置和幅度;外围芯片用来进行模拟波形的产生,如利用两个DAC0832来产生两路电压信号,一个用于控制锯齿波的高度,另一个用于控制阶梯波的高度。而FPGA则进行所需的各种控制信号的逻辑编程。

这里,FPGA采用的是ALTERA公司的10K10系列的可编程逻辑器件。ALTERA公司的FLEX 10K系列器件是业界第一块嵌入式可编程逻辑器件,为柔性逻辑元素阵列架构,利用通用的门海架构来实现一般性的逻辑功能,还采用专用的硅片来实现规模较大的专用功能。和标准的门阵列比较,由于嵌入式功能在硅片上实现,所需的硅片面积更小、系统速度更高。FLEX 10K系列不仅能提供高密度、高速度和系统集成功能,并且在单个器件内部包含多重32比特总线、6144比特的RAM空间,还支持串行与并行两种配置方式及JTAG模式的在线仿真,这些特点都使得FLEX IOK系列器件成为目前应用最为广泛的可编程逻辑器件之一。与之对应,采用的开发工具是MaxplusⅡ可编程逻辑开发软件,利用MaxplusⅡ作为 EDA的软件工具,可实现强大的逻辑功能,还具有周期短、集成度高、价格合适等优点。并且,由于电路的逻辑模块都是在FPGA中实现的,因此,它们具有良好的可移植性和易维护性等特点,并方便以后系统的改进。同时,这也进一步地减少了电路板面积,使电路的集成度大大地提高。在本设计方案中,主要是使用 FPGA来进行各种模拟波形的控制编程,产生各种逻辑用以作为其控制信号。其中,FPGA中逻辑控制的结构框图如图1所示,可分为三个部分,而粗扫、精扫信号是作为锯齿波的控制信号。

图1 FPGA中控制信号模块功能框图

FPGA的工作过程为:首先,对输入的32KHz时钟信号以计数器进行分频,产生一个1600Hz的窄脉冲信号,它一方面作为外部模拟波形产生电路的扫描触发信号,另一方面作为锯齿波控制信号的工作起始信号,即该信号每到来一次,就启动其它功能模块,按照需要的时序产生所需的控制信号。由图1可知,1600Hz频率到来,会打开精扫计数器与粗扫计数器的输入时钟(2MHz),并启动二者的初始装载过程,然后以这个初始值对输入脉冲进行减法计数,当减法溢出时,输出端就会产生所需的扫描信号。同时,还要利用该信号关闭各自的输入时钟信号,直到下一个1600Hz的到来。当经过逻辑运算改变减法计数器的8位初始值时,输出信号的时刻相对于1600Hz信号来讲,就会有相应的变化。通过这种逻辑方式,就可以控制各种模拟波形的出现时间,从而能够控制示波器上各种波形的显示位置。其中,减法计数器初值的改变是通过一个8位锁存器来实现,即将DSP的地址线、读/写信号线及I/O空间的访问控制线进行逻辑运算,作为8位锁存器的选通信号,然后利用程序将8位数据写入减法计数器。

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编辑:什么鱼
本文引用地址: http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2015/0512/article_11728.html
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