任意波形發生器

技術分類： 測試與測量   來源：電子產品世界/ 西北工業大學 航海學院 任緒科 趙俊渭 周明  

引言

        在電子工程設計與測試中，常常需要一些復雜的、具有特殊要求的信號，要求其波形可任意產生，頻率方便可調。通常的信號產生器難以滿足要求，市場上出售的任意信號產生器價格昂貴。結合實際需要，我們設計了一種任意波形發生器。電路設計中充分利用MATLAB的仿真功能，將希望得到的波形信號在MATLAB中完成信號的產生、抽樣和模數轉換，并將得到的數字波形數據存放在數據存儲器中，通過單片機和CPLD控制，將波形數據讀出，送入后向通道進行A/D轉換和放大處理后得到所需的模擬信號波形。利用上述方法設計的任意波形發生器，信號產生靈活方便、功能擴展靈活、信號參數可調，實現了硬件電路的軟件化設計。具有電路結構簡單、實用性強、成本低廉等優點。

          系統框圖  

&nb 任意波形發生器的設計思想，是利用MATLAB的強大仿真功能，方便、快捷的生成給定頻率、周期、脈寬的任意波形數據；并將數據預存在數據存儲器中。在單片機控制下，利用CPLD電路產生地址讀出數據，送入D/A轉換電路，得到所需的任意波形信號。系統結構框圖如圖1；圖中分頻電路和地址發生器由CPLD實現。

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   圖1   系統框圖

         電路設計及實現

        單片機控制電路

        單片機采用AT89C52芯片，通過軟件編程產生所要求的控制信號。主要的控制參數包括：信號周期、脈寬；分頻電路的開始信號、地址發生器的復位信號；E2PROM的選通信號；D/A轉換電路的選通信號。在具體電路中，端口P1.0控制分頻電路的啟動、P1.1控制地址發生器的清零，P2.0控制28C256和AD7545的選通信號。單片機工作在定時器0方式，軟件設計利用C語言實現。流程圖如圖2所示。

圖2   軟件流程圖

         波形數據生成

        MATLAB作為一款優秀的數學工具軟件，具有強大的運算功能；可以方便的產生各種信號波形，在軟件中實現波形信號的產生、抽樣和模數轉換。設計的任意波形發生器，數據存儲器選用28C256芯片，信號波形通過MATLAB仿真產生；得到的波形數據存放在數據存儲器28C256中。具體設計中，我們要求產生周期為200ms，脈寬為5ms的單/調頻混合信號，其中單頻信號的脈寬為4ms，頻率為30KHz；調頻信號的脈寬為1ms，頻率為30KHz_35KHz。在MATLAB中設定抽樣率為500KHz,得到了2500個波形數據。這些混合波形數據在燒錄入數據存儲器的過程中，由于波形數據較多，直接用手工錄入數據存儲器中不僅費時且容易出錯。為克服這一弊端，通過MATLAB編程的方法將產生的波形數據按照HEX文件的INTEL格式存放,然后將這些波形數據整批次燒錄入數據存儲器中。采用上述方法，波形數據生成簡單，快捷；可根據需要在軟件程序中方便地修改信號參數；無需改動硬件電路即可實現信號參數的功能擴展。

         CPLD邏輯設計

        分頻電路采用兩片74HC163實現。通過分頻電路，將12MHz的晶振標準頻率分頻后，得到500KHz的抽樣頻率，作為地址發生器的時鐘。分頻電路的工作由單片機控制。

        地址發生器電路由3片74HC163組成，時鐘頻率為500KHz，有分頻電路提供；和預存的波形數據抽樣頻率相一致，以實現數據的無失真讀出。

電路設計中，采用ALTRA公司的EPM7128AETC100－10芯片，在MAX+PLUSⅡ開發環境中完成分頻緶泛偷刂販⑸ 韉緶返納杓啤； 贑PLD的電路設計，可以省去大部分的中小規模集成電路和分離元件；使得電路具有集成度高、工作速度快、編程方便、價格低廉的顯著優點。通過CPLD和數據預生成的信號實現方法，無需改變硬件電路，即可實現信號參數的任意調整；同時外圍電路十分簡單，為工程調試和應用帶來了方便。   

         D/A轉換電路

        D/A轉換電路的實現如圖3所示。 電路中，AD7545將波形數據轉換為模擬信號；LF353進行信號濾波和整形。

圖3   D/A轉換電路

         結語

       采用上述方法設計的任意波形發生器，通過軟件和硬件結合，充分發揮MATLAB強大的仿真功能，盡可能的減少了硬件開銷。根據實際需要，可產生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等多種波形，可以產生線性調頻信號（LFM），單頻脈沖信號（CW），余弦包絡信號以及他們之間的組合信號等多種波形參數；滿足了工程需要。該任意波形發生器已應用于在研項目“水中運動目標軌跡測量”中，效果良好。