1 引言

　　由于傳統(tǒng)的多波形函數(shù)信號發(fā)生器需采用大量分離元件才能實現(xiàn)，且設(shè)計復雜,，這里提出一種基于CPLD的多波形函數(shù)信號發(fā)生器,。它采用CPLD作為函數(shù)信號發(fā)生器的處理器，以單片機和CPLD為核心,，輔以必要的模擬和數(shù)字電路,，構(gòu)成的基于DDS(直接數(shù)字頻率合成)技術(shù),、波形穩(wěn)定、精度較高的多功能函數(shù)信號發(fā)生器,。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計

　　圖1給出系統(tǒng)設(shè)計框圖,，該系統(tǒng)設(shè)計主要由CPLD電路、單片機電路,、鍵盤輸入液晶顯示輸出電路以及D/A轉(zhuǎn)換電路和低通濾波器等電路組成,。

　　2．1 頻率合成器

　　該系統(tǒng)設(shè)計采用直接數(shù)字式頻率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)技術(shù)，采用ROM存儲所需的量化數(shù)據(jù),，按照不同頻率求出頻率控制字,。以K為步進對相位累加器進行累加，每累加一次,，取出累加器的高8 位數(shù)據(jù)送至ROM,，ROM根據(jù)不同的地址取出不同的數(shù)據(jù)送TLC7524進行轉(zhuǎn)換。再經(jīng)過濾波即可得到所需要波形,。由于DDS具有相對帶寬很寬,，頻率轉(zhuǎn)換時間極短，頻率分辨率高等優(yōu)點,。此外,，全數(shù)字化結(jié)構(gòu)便于集成，輸出相位連續(xù),，頻率,，相位和幅度均可實現(xiàn)程控。

　　2．2 幅度控制模塊

　　幅度控制模塊由DAC0832控制,，利用其內(nèi)部電阻分壓網(wǎng)絡,，將其作為數(shù)控電位器。將 TLC7524的輸出波形作為DAC0832的基準電壓源輸入,，其輸出波形為V=(N/256)×Vin,其中N為單片機輸入的幅度控制字,。通過一簡單的電阻分壓網(wǎng)絡調(diào)整運放輸出峰一峰值為0～5 V，再送至DAC0832由單片機控制其幅度實現(xiàn)幅度的步進,，如圖2所示,。

　　2．3 后級處理模塊

　　采用二階巴特沃茲低通濾波器。巴特沃茲低通濾波器的幅度函數(shù)是單調(diào)下降的,，由于n階低通巴特沃茲低通濾波器的前(2n-1)階導數(shù)在ω=0處為零,，所以巴特沃茲低通濾波器也稱最大平坦幅度濾波器。由于該設(shè)計要求濾除的頻率分量主要為由D／A轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生的高頻分量,，與系統(tǒng)所要求保留的頻率相差很遠,，所以濾波器在通頻帶內(nèi)的平坦程度比其衰減陡度更為重要，而且巴特沃茲低通濾波器所要的元件值合乎實際情況，不像其他濾波器要求元件值那么苛刻,。

　　3 硬件電路系統(tǒng)設(shè)計

　　3．1 總體設(shè)計思路

　　整個系統(tǒng)以CPLD(EPM7128),、AT89S51、AT28C64(EEP-ROM)為核心,。CPLD通過相位累加產(chǎn)生讀取ROM的地址,。以單片機為系統(tǒng)控制的核心，主要功能：給CPLD送頻率控制字,，即相位累加器的累加值,，以此控制頻率；給D／A轉(zhuǎn)換器送幅度控制字D,，控制波形幅度,；處理紅外遙控鍵盤；送數(shù)據(jù)給液晶LCD,。EEPROM存儲已固化好波形的數(shù)據(jù),。

　　3．2 CPLD模塊

　　該模塊通過一個4引腳的工業(yè)標準JTAG接口在系統(tǒng)編程(ISP)，并且在編程過程中僅需5．0 V單電壓供電,。編程過程中,，I／O引腳處于三態(tài)并被上拉,，以消除板上沖突,。上拉阻值為1 kΩ。因為該器件是在線編程的,，為了便于調(diào)試,，所以把下載口直接做在電路板上?？紤]到電源為自制的穩(wěn)壓電源,，CPLD受電源紋波干擾影響較大，所以在每個器件旁都加有去耦電容,。

　　3．3 D／A轉(zhuǎn)換及幅度控制

　　D／A轉(zhuǎn)換采用TI公司的TLC7524,，該器件轉(zhuǎn)換速度可達10 M，幅度控制D／A轉(zhuǎn)換采用MAX518,，該器件是I2C總線的雙D／A轉(zhuǎn)換器,，只需很少的端口線就可實現(xiàn)兩路幅度的控制，大大節(jié)省單片機的端口,。圖3給出D／A轉(zhuǎn)換電路,。

　　3．4 后級處理模塊

　　低通濾波器對階梯正弦波進行傅里葉分析。其中若一周期采樣點數(shù)為N,，則其高次諧波能量主要集中在輸出頻率的(N±1)倍頻上,，其幅值為基頻的 1／(N±1)。低通濾波可以平滑其臺階,。另外還需濾除由DAC0832和TCL7524產(chǎn)生的1MHz和10 MHz的高頻分量,。因此根據(jù)設(shè)計的要求(輸出最大頻率為250 kHz,，為了保證250 kHz頻帶內(nèi)輸出幅度平坦，又要盡可能抑制諧波和高頻分量,，綜合考慮選用寬帶運放LF351,，用EWB仿真表明：截止頻率為1 MHz～250 kHz以內(nèi)幅度平坦。為了保證穩(wěn)幅輸出,，選用AD817,。該器件是一種低功耗、高速,、寬帶運算放大器,，具有很強的大電流驅(qū)動能力。實際電路測量表明：當負載為100 Ω,，輸出峰-峰值為10 V時,，其帶寬大于500 kHz，幅度變化小于±1％,。

　　4 軟件設(shè)計

　　4．1 波形發(fā)生

　　在CPLD內(nèi)設(shè)置25位相位累加器,，高9位為ROM地址，低16 位為產(chǎn)生精確的讀ROM的點與點之間的時間間隔而設(shè)置的累加寄存器,，即：單片機送一頻率控制字,，由低16位寄存器每個時鐘都累加這個值，累加到低16位溢出,，然后ROM的地址加1,。ROM內(nèi)的每個地址的數(shù)據(jù)表示當前波形的幅度，然后連續(xù)讀出數(shù)據(jù)并被平滑濾波后得出平滑,、穩(wěn)定的波形,。波形產(chǎn)生流程如圖4所示。

　　4．2 幅度控制

　　系統(tǒng)的幅度控制由MAX518完成,，利用其內(nèi)部電阻網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)字電位器功能,，輸出電壓作為TLC7524的基準電壓。圖5為幅度控制流程,。

　　5 電路系統(tǒng)調(diào)試與參數(shù)測試

　　調(diào)試與測試所用儀器PC機,、雙蹤模擬示波器YUAN-LONG、SS7200通用智能計數(shù)器,、DT9205三位半數(shù)字萬用表,。在戶1 kHz步進為20 mV下，測試電壓幅度,。表1為電壓幅度測試,，表2為輸出頻率測試。

　　6 結(jié)論

　　基于單片機和CPLD的DDS正交信號源，其頻率幅度可精密控制,，擴展輸出頻率達300 kHz,，增加掃頻輸出功能。采用紅外鍵盤控制頻率和幅度,，采用液晶同步顯示信號的頻率和幅度,；輸出端產(chǎn)生正弦波、方波,、三角波,、鋸齒波，梯形波,、短形波,、頻率突變的方波、尖脈沖數(shù)字信號等,，且具有掃頻輸出的功能,。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠,，人機交互界面友好,，操作簡單方便。