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(hào)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(hào)的波形和主要參數(shù)可由LCD液晶顯示器實(shí)時(shí)顯示。
關(guān)鍵詞: 信號(hào)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(jì)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(hào),，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(chǔ)器中,，通過查表電路,，再晶振時(shí)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(diǎn)是能產(chǎn)生較高頻率的信號(hào),，但不便程控且產(chǎn)生信號(hào)類型有限。
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方法二:利用單片機(jī)查表法合成周期信號(hào),，結(jié)構(gòu)見圖2,。波形數(shù)據(jù)固化在EPROM中，單片機(jī)不斷地從存儲(chǔ)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(diǎn)是便于程控，但不能產(chǎn)生較高頻率的信號(hào),。
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????方法三:利用單片機(jī)生成數(shù)據(jù)與查表相結(jié)合的方法合成周期信號(hào),，結(jié)構(gòu)見圖3?；静ㄐ螖?shù)據(jù)固化在EPROM中,，輸出某種波形時(shí)，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(diǎn)是既便于程控,，又能產(chǎn)生較高頻率的信號(hào)，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(jì)的,，是對(duì)方法三的一種改進(jìn)、完善,。本方案采用數(shù)字信號(hào)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(hào)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(shí)時(shí)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(hào)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(hào)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(hào)放大器和濾波器組成，其主要任務(wù)是完成波形合成,。存儲(chǔ)器的讀,、寫信號(hào)分別由高頻晶振輸出fo和DSP的寫信號(hào)控制，信號(hào)切換由控制器ispLSI完成,。其特點(diǎn):(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(hào),。(3)頻率合成器主要由高速、高密度器件ispLSI2032設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)放可實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)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(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)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(shí)鐘信號(hào)由高頻晶振輸出fo經(jīng)分頻得到,。分頻器由控制器ispLSI實(shí)現(xiàn)程控,。本模塊完成對(duì)輸出信號(hào)的實(shí)時(shí)采集，采集的數(shù)據(jù)同時(shí)送到LCD直接顯示和給DSP進(jìn)行處理(計(jì)算頻率,、幅值等參數(shù)),。并且可以采集外部輸入信號(hào)，與整個(gè)系統(tǒng)配合實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制,。對(duì)于不同的信號(hào)，采用不同的數(shù)據(jù)生成方式:
(1)對(duì)于方波,、矩形波,、鋸齒波、三角波,、梯形波,、隨機(jī)信號(hào)、掃頻信號(hào)等，可簡單,、方便地通過DSP直接計(jì)算得到波形數(shù)據(jù);
(2)對(duì)于正弦,、指數(shù)、高斯,、余弦的信號(hào),，不便通過直接計(jì)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(duì)于不便描述的信號(hào),，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(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)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(diǎn)陣式液晶顯示模塊MGLS-24064,，由內(nèi)藏T6963C控制器驅(qū)動(dòng),，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(jì)
本儀器軟件設(shè)計(jì)采用了結(jié)構(gòu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)的方法，整個(gè)軟件由頂向下分層分塊,，每個(gè)模塊完成一項(xiàng)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(gè)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(gè)高級(jí)鍵:“預(yù)置”、“功能”,、“方式”,、“自檢”，它們各自對(duì)應(yīng)著儀器的一種工作模式,。每一種工作模式劃為一個(gè)模塊,，且這四個(gè)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(gè)個(gè)模塊;處于最底層的是公用程序模塊,，它們是一些獨(dú)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(jì)上解決了通常任意波形信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)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(hào)的頻率和處理速度。采用大規(guī)?，F(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(jī)對(duì)話窗口，具有良好的人機(jī)界面,，并能實(shí)時(shí)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(hào)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(diǎn),，具有很大的開發(fā),、應(yīng)用前景。
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參考文獻(xiàn)
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