采用单片机和CPLD控制的任意波形发生器的设计

2012-10-31 10:20:21来源: 互联网

电子工程设计与测试中,常常需要一些复杂的、具有特殊要求的信号,要求其波形可任意产生,频率方便可调。

结合实际需要,我们设计了一种任意波形发生器电路设计中充分利用MATLAB的仿真功能,将希望得到的波形信号在MATLAB中完成信号的产生、抽样和模数转换,并将得到的数字波形数据存放在数据存储器中,通过单片机CPLD控制,将波形数据读出,送入后向通道进行A/D转换和放大处理后得到所需的模拟信号波形。利用上述方法设计的任意波形发生器,信号产生灵活方便、功能扩展灵活、信号参数可调,实现了硬件电路的软件化设计。
系统框图  

任意波形发生器的设计思想,是利用MATLAB的强大仿真功能,方便、快捷的生成给定频率、周期、脉宽的任意波形数据;并将数据预存在数据存储器中。在单片机控制下,利用CPLD电路产生地址读出数据,送入D/A转换电路,得到所需的任意波形信号。系统结构框图如图1;图中分频电路和地址发生器由CPLD实现。


  图1  系统框图 

电路设计及实现  单片机控制电路  

单片机采用AT89C52芯片,通过软件编程产生所要求的控制信号。主要的控制参数包括:信号周期、脉宽;分频电路的开始信号、地址发生器的复位信号;E2PROM的选通信号;D/A转换电路的选通信号。在具体电路中,端口P1.0控制分频电路的启动、P1.1控制地址发生器的清零,P2.0控制28C256和AD7545的选通信号。单片机工作在定时器0方式,软件设计利用C语言实现。流程图如图2所示。  

图2  软件流程图  

波形数据生成  

MATLAB作为一款优秀的数学工具软件,具有强大的运算功能;可以方便的产生各种信号波形,在软件中实现波形信号的产生、抽样和模数转换。设计的任意波形发生器,数据存储器选用28C256芯片,信号波形通过MATLAB仿真产生;得到的波形数据存放在数据存储器28C256中。具体设计中,我们要求产生周期为200ms,脉宽为5ms的单/调频混合信号,其中单频信号的脉宽为4ms,频率为30KHz;调频信号的脉宽为1ms,频率为30KHz_35KHz。在MATLAB中设定抽样率为500KHz,得到了2500个波形数据。这些混合波形数据在烧录入数据存储器的过程中,由于波形数据较多,直接用手工录入数据存储器中不仅费时且容易出错。为克服这一弊端,通过MATLAB编程的方法将产生的波形数据按照HEX文件的INTEL格式存放,然后将这些波形数据整批次烧录入数据存储器中。采用上述方法,波形数据生成简单,快捷;可根据需要在软件程序中方便地修改信号参数;无需改动硬件电路即可实现信号参数的功能扩展。  

CPLD逻辑设计  

分频电路采用两片74HC163实现。通过分频电路,将12MHz的晶振标准频率分频后,得到500KHz的抽样频率,作为地址发生器的时钟。分频电路的工作由单片机控制。

地址发生器电路由3片74HC163组成,时钟频率为500KHz,有分频电路提供;和预存的波形数据抽样频率相一致,以实现数据的无失真读出。  

电路设计中,采用ALTRA公司的EPM7128AETC100-10芯片,在MAX+PLUSⅡ开发环境中完成分频;PLD的电路设计,可以省去大部分的中小规模集成电路和分离元件;使得电路具有集成度高、工作速度快、编程方便、价格低廉的显著优点。通过CPLD和数据预生成的信号实现方法,无需改变硬件电路,即可实现信号参数的任意调整;同时外围电路十分简单,为工程调试和应用带来了方便。   

D/A转换电路 

D/A转换电路的实现如图3所示。 电路中,AD7545将波形数据转换为模拟信号;LF353进行信号滤波和整形。   

图3  D/A转换电路         

结语 

采用上述方法设计的任意波形发生器,通过软件和硬件结合,充分发挥MATLAB强大的仿真功能,尽可能的减少了硬件开销。根据实际需要,可产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形,可以产生线性调频信号(LFM),单频脉冲信号(CW),余弦包络信号以及他们之间的组合信号等多种波形参数;满足了工程需要。该任意波形发生器已应用于在研项目“水中运动目标轨迹测量”中,效果良好。

关键字:单片机  CPLD  波形发生器

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1031/article_17281.html
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