基于CPLD的函数信号发生器设计

摘要：针对传统信号源精度低的特点，提出一种新的函数信号发生器设计方案。这里介绍的函数信号发生器由CPLD、单片机控制模块、键盘、LED显示、D／A转换模块组成。采用直接数字频率合成(DDFS)技术，用单片机控制CPLD的方法产生正弦波、方波、三角波和占空比可调的矩形波。该系统具有频率范围宽，步进小，幅度和频率的精度高等特点。
关键词：CPLD；DDFS；单片机控制；80C196

0 引 言
    传统的信号源设计常采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038，可产生正弦波、方波、三角波，并通过调整外部元件改变输出频率，但由于采用模拟器件。所用元件的分散性太大，即使使用单片函数发生器，也因参数与外部元件有关(外接的电阻电容对参数影响很大)，使频率稳定度较差．精度低，抗干扰能力低，成本也高；况且其灵活性较差．而不能实现多种波形以及波形运算输出等功能。
    在此，采用直接数字频率合成(DDFS)技术，并使用单片机控制CPLD的方法。由于CPLD具有可编程重置特性，因而可以方便地改变控制方式或更换波形数据。而且简单易行，易于系统升级，同时具有很高的性价比。频率合成是将一个高稳定度和一个高精度的标准频率经过运算，产生同样稳定度和精度的大量离散频率技术，一定程度上解决了既要频率稳定、精确，又要频率在较大范围内可变的矛盾。

1 DDFS的原理和特点
1．1 DDFS的基本原理
    DDFS的基本原理图如图1所示。

    一个完整输出波形的周期、幅值都被顺序地存放在RAM中。当RAM的地址变化时，DAC将该波形数据转换成电压波形，该电压波形的频率与RAM地址变化的速率成正比。DDFS发生器使用了相位累加技术，以控制波形在RAM中的地址。它用一个加法器代替计数器来产生RAM的顺序地址。在每一个时钟周期，存储于相位递增寄存器(Phase Increment Register，PIR)中的常数都被加到相位累加器的当前结果上。相位累加器输出的最大有效位数被用来确定波形在RAM中的地址。通过改变PIR的常数，确定每个周期中的点数，而这些点数正是用来改变整个波形的频率。当一个新相位递增寄存器的(PIR)常数被存进寄存器中，波形的输出频率便随下一个时钟周期连续地改变相位。相位累加器将依据PIR中存储的常数来改变RAM的地址，若PIR数值很小(即频率较低)时，累加器便逐步地经过每个RAM地址；当PIR的值较大时，相位累加器将跳跃某些RAM地址。
1．2 DDFS的特点
    DDFS的特点如下：
    (1)DDFS的频率分辨率在相位累加器的位数N足够大时，理论上可以获得相应的分辨精度，这是传统方法难以实现的。
    (2)由于DDFS中不需要相位反馈控制，频率建立及频率切换快，并且与频率分辨率、频谱纯度相互独立，这一点明显优于PPL。
    (3)DDFs的相位误差主要依赖于时钟的相位特性，相位误差小。另外，DDFS的相位是连续变化的，形成的信号具有良好的频谱，这是传统的直接频率合成方法无法实现的。
    (4)DDFS的失真度除了受到D／A转换器本身的噪声影响外，还与离散点数N和D／A字长有着密切的关系。在高输出频率取样点数32和相应的量化级数256条件下，失真度(5．676％)已经足够小了。

2 系统设计
2．1 总体设计
系统框图如图2所示。

2．2 主要模块设计
    (1)波形产生电路模块。用CPLD产生方波、正弦波、三角波和占空比可调的矩形波，从存储器读出波形数据，把数据交给D／A转换器DAC0832进行转换得到模拟波形。在CPLD内部采用层次化设计方法产生波形，底层采用硬件描述语言描述波形。
    (2)键盘控制模块。用单片机80C196接8255芯片控制4×5键盘，8255得到键盘码，通过中断服务程序把键盘信息送给单片机。
    (3)LED显示模块。用8个LED数码管显示占空比和频率值，接口电路简单，控制方便。LED数码管的质量轻，体积小，功耗低，接口简单方便可与8位微处理器或控制器相连。
    (4)单片机控制模块。是系统的主控制器，用于控制其他模块协调工作。该系统程序的代码比较长，约几十KB，使用80C196单片机，片内有ROM，不必扩展外部ROM。
    该程序需要较大的RAM，以便进行波形存储、失真度分析等操作。
2．3 参数计算
    频率参数计算如下：
    波形频率范围为20 Hz～20 kHz；步进为10 Hz。
因为根据公式：，因此选取的时钟频率必须为2 MHz。另外要保证20 kHz以上时，取样点数都是64点，这样时钟频率必须大于10 MHz。该系统的时钟频率采用80 MHz。综合考虑，相位累加器的时钟频率fx根据公式选取，相位累加器位数为16位，频率步进为。相位增量寄存器为16位，故最高输出频率为20 kHz。
    D／A转换器的转换时间为1μs，可以保证在输出频率为1 MHz时，输出64个样点。用单片机输出控制信号与数据，CPLD芯片作为系统实现。
2．4 幅度控制
    D／A转换器是实现幅度可调和任意输出的关键，以此来控制信号发生器的输出电压。D／A转换器中电流的建立时间将直接影响到输出的最高频率。该系统采用的是DAC20832，电流建立时间为1μs，在最高频率点，一个周期输出64个点，可输出20 Hz～20 kHz的频率信号。幅度控制用8位D／A控制，最高峰值为12．7 V，因此幅度分辨率为0．1 V。
2．5 滤波、缓冲输出电路
    D／A转换器输出后，正弦波通过滤波电路、输出缓冲电路对信号去毛刺，使信号平滑且具有负载能力。运放选用高速宽带运放TL084，截止频率约为1 MHz，20 kHz以内幅度平坦。
    为了保证稳幅输出，选用OCL功放电路，得到的频率特性好，波形失真小，具有很强大的电流驱动能力。实际电路测量结果表明，当负载为100Ω，输出电压峰值为12 V时，带宽大于20 kHz，幅度变化小于±1／100。

3 调 试
    调试过程分三大部分：硬件调试、软件调试、软硬件联调。电路按模块调试，各模块逐个调试通过后再联调。单片机软件先在最小系统板上调试，确保外部EPROM和RAM工作正常之后，再与硬件系统联调。
3．1 软件调试
    该系统的软件系统很大，全部用80C196来编写，由于一般仿真器对196的支持都有一定的缺陷，调试比较复杂。除了语法差错和逻辑差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自上到下的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统调试。
3．2 硬件调试
    (1)CPLD控制电路的调试。该系统的CPLD采用EPM7128SLC84-15。调试时，使用存储示波器显示CPLD的输出波形，以发现时序与仿真结果是否有出入，便于找出硬件电路中的故障。
    (2)高频电路抗干扰设计。CPLD的时钟频率很高。对周围电路有一定影响。这里采取一些抗干扰措施，如尽量缩短引线，减少交叉，使每个芯片的电源与地之间都接有去耦电容，并将数字地与模拟地分开、敷铜等。实践证明，这些措施对消除某些引脚上的“毛刺”及高频噪声的效果很好。
    (3)运算放大器的调试。由于输出频率为20 Hz～20 kHz，因此对放大器的带宽有一定要求，所以在调试滤波电路和缓冲输出电路时，都选择了高速宽带运放TL084。
3．3 软、硬联调
    该系统软件与硬件之间的联系不是十分紧密，一般是软件计算完毕后，将数据存入ROM，CPLD读取单片机系统的数据，进行运算、逻辑分析，从而产生波形。因此在软、硬件都基本调通的情况下，系统的软、硬件联调难度不大。输出波形的频率范围测试数据如表1所示。

    由表1可以看出，在频率稳定度方面，正弦波、方波、三角波在带负载的情况下均十分稳定，这正体现了DDFS技术的特点，输出频率稳定度和晶振稳定度在同一数量级。脉冲波占空比的调试如表2所示。

    由表2可以看出，占空比可以在10％～90％范围内预置。在20 kHz正弦波条件下测得的输出波形幅度数据如表3所示。

    由表3可见，电压稳定度方面，在电压的绝对值和预置值之差及带负载和不带负载的情况下，输出电压之差均小于±1／100。

4 结 语
    系统采用DDFS技术和单片机控制CPLD的方法，实现了常用的正弦波、方波、三角波和占空比可调的矩形波，频率范围为20 Hz～20 kHz。利用LED显示波形的类型、频率和幅值，并具有输出电路保护功能。经实际调试，该系统的频率范围宽，步进小，幅度和频率的精度高。