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
?
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。
?
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)。
?
????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。基本波形數(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。
?
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。
?
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(jiǎn)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(cè)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。
?
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(chǎng)可編程(ispLSI)器件代替MSI器件，大大簡(jiǎn)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(jiǎn)單、高性能、靈活的特點(diǎn)，具有很大的開發(fā)、應(yīng)用前景。
?
參考文獻(xiàn)
1 趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社，1999
2 趙洪亮.一種實(shí)用任意波形信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì).儀表技術(shù)，1999；2：14～18
3 龐曉暉.高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).儀器儀表學(xué)報(bào)，2000;21(3):297～299
4 張積東.單片機(jī)51/98開發(fā)與應(yīng)用，北京:電子工業(yè)出版社，1994
5 TMS320C2XX高速數(shù)字信號(hào)處理原理與應(yīng)用.北京聞亭科技發(fā)展有限公司，1998