基于单片机、EDA技术的波形发生器的设计
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该波形发生器以单片机(MCS8031)为中心控制单元,由键盘输入模块、数码管显示模块、D/A波形发生模块、幅值调整模块组成。采用DDFS技术,先将要求的波形数据存储于EEPROM中,这样可以保证掉电以后波形数据不丢失。
为了达到所要求的高速度,采用FPGA(ALTEAR 公司的 EPF10K10LC84-4, 晶振频率可达 40MHz)来实现波形的发生,通过DDFS技术(直接数字频率合成技术)、VHDL语言和单片机汇编语言编程技术的完美结合实现了对正弦波、方波和三角波三种波形的频率、幅值的设置和发生。
随着深亚微米半导体技术的进步,可编程逻辑器件及EDA技术的应用已经相当普及。基于可编程逻辑器件的高频性质和单片机强大的数据处理功能,二者结合的技术也有相当的影响力。本设计中涉及到单片机汇编语言、VHDL语言的运用,充分地利用了二者的优点,制作了一套波形发生系统。
1 系统设计
整体设计由三大模块组成:单片机控制部分、可编程逻辑器件(FPGA)部分、模拟电路部分。其系统方框原理图如下所示:
波形发生采用DDS技术,可以很方便地产生各种高质量的波形,DDS的基本原理是:先将要产生的波形数据存入波形发生器,然后通过改变参考脉冲的频率,将波形数据传送给D/A转换器,滤波处理后便可以输出光滑的合成波形。为了提高所产生的波形频率,采用高频率特性的FPGA(ALTERA公司的 EPF10K10LC84-4),后级电路采用有较高的转换速度的DAC0832作为D/A转换。
1.1 单片机部分
在设计中,采用MCS8031为处理器,P2.7作为8279的片选端,P2.6作为FPGA的片选端, P2.5为DAC0832(a)的片选端。P0口作为三者的低8位地址和数据线。单片机控制DAC0832(a),使其输出为0~5V可变电压,作为 DAC0832(b)的参考电压,于是可控制输出波形的幅值。由于采用7位数据控制,精度可达到0.039V。
1.2 FPGA模块
设计中我使用了ALTRA公司的MAXPLUSⅡ 10.0系统,采用原理图和VHDL语言编程相结合的形式,充分地发挥了FPGA的高速和现场可编程的能力。
在FPGA中通过编程片内实现比例乘法器(cc14527),在单片机的控制下,FPGA接收单片机传送过来的用户要求的波形数据及其频率数据,并送到比例乘法器以产生所需要的输出频率值。顶层图如下:
其中:P20作为FPGA的片选端,低电平有效,高电平时保持现有状态,与单片机的P2.6相连。WR为FPGA的写信号,与单片机的写端口相连。当P20为低电平时,单片机可向FPGA写数据,以达到传送命令以及数据的目的。ALE为输入信号,与单片机的ALE信号相连,用于FPGA片内锁存地址,配合WR信号进行单片机与FPGA的通讯。P0[7..0]共8条数据线,为单片机P0口的接口,用于地址和数据的传送。CLK为FPGA的基准频率(16MHz)。WR0832用于控制DAC0832(b),与其WR端相连,在其下跳沿时DAC0832(b)可以取到存储器中相应给定地址的数据。 CE:用于控制EEPROM28C64,与其片选端CE相连。CE1用于控制DAC0832(b),与其片选端CE相连。ADDRESS[9..0]为 EEPROM28C64的地址信号,用于取址。
EEPROM28C64中存有波形数据,单片机通过控制FPGA使其输出的频率为用户所需频率的128倍,用于控制EEPROM28C64的输出值的频率,于是DAC0832(b)的输出波形频率也相应地改变。在FPGA内主要完成比例乘法器的功能,用于频率的控制。
单片机与FPGA通讯接口原理如下图所示:
其中:SEL信号,用于控制波形的形状,共有三种波形(正弦波、方波、三角波)。Q0[3..0]~Q5[3..0]用于6级级联比例乘法器的置数输入。ST为级联比例乘法器的片选端,低有效。
FPGA片内实现寄存器,可对单片机传输的数据和命令进行寄存,具体如下:
⑴命令寄存器
入口地址:FFH 命令字:FFH(ST有效),00H(ST无效)
入口地址:00H 命令字:E0H(显示正弦波,sel为00),E1H(显示方波,sel为01),E2H(显示三角波,sel为10)。
⑵ 数据寄存器
入口地址:01H,02H,03H分别存储单片机传送的6位10进制数。这些数据是用户要求的频率数通过单片机乘8处理后传送过来的,为乘法器提供频率数据。
FPGA对DAC0832及EEPROM28C64控制接口如下图所示:
WR0832为DAC0832读信号,下跳沿读取数据。CE、CE1分别为DAC0832、EEPROM28C64片选端。ADDRESS[9..0]为 EEPROM28C64地址信号。ADDRESS[9..0]的高两位为SEL[1..0],时钟信号CLK上升沿时ADDRESS[6..0]:自增 1,EEPROM28C64输出相应的波形数据。同时CLK下降沿时,DAC0832读取波形数据。
3 模拟部分
DAC0832与单片机采用单缓冲方式接口电路,由于DAC0832内部含有锁存器,具有锁存功能,所以不必通过373锁存。DAC0832的模拟电压输出电路如下:
滤波部分采用带通滤波,使低于1HZ的频率信号和高于100KHZ的频率信号被滤掉,增加波形的平滑度。