智能高频任意波形发生器的研究

时间：2007-05-25

摘要：介绍一种基于DSP和ispLSI器件的数字方式产生高高频任意波形的方案。信号波形可通过编程任意产生，其他主要参数如幅度、频率等可程控，并且输出信号的波形和主要参数可由LCD液晶显示器实时显示。
关键词：信号发生器 DSP ispLSI 高速A/D转换高速D/A转换

数字波形合成器的设计在结构上大致分三类方法。
方法一：直接数字查表法合成周期信号，结构见图1。波形数据固化在EPROM或其它非易失性存储器中，通过查表电路，再晶振时钟控制下不断地从EPROM中取出数据，通过DAC和低通滤波器(LPF)输出。此结构的特点是能产生较高频率的信号，但不便程控且产生信号类型有限。

方法二：利用单片机查表法合成周期信号，结构见图2。波形数据固化在EPROM中，单片机不断地从存储器中取出数据，经并行口送出，在经DAC和LPF输出。特点是便于程控，但不能产生较高频率的信号。

方法三：利用单片机生成数据与查表相结合的方法合成周期信号，结构见图3。

基本波形数据固化在EPROM中，输出某种波形时，首先根据基本波形或公式算出波形数据送入RAM，然后由查表电路不断地、周而复始地从RAM中取出数据，通过DAC和LPF输出。特点是既便于程控，又能产生较高频率的信号，但结构复杂。

本文所介绍的方案是根据用户提出的主要性能技术指标和要求而设计的，是对方法三的一种改进、完善。本方案采用数字信号处理芯片DSP做主处理器，把波形数据的产生和波形的拟合相分离，从而可大大提高产生信号的频率；并且本系统增设了高速数据采集模块和液晶显示器LCD，能实时显示输出波形及其主要参数。

1 硬件框图及工作原理
本系统由三部分组成：任意周期信号产生模块、高速数据采集模块、处理系统及显示部分。框图见图4。

1.1 任意周期信号产生模块
该模块由高频晶振、频率合成器、高速RAM、高速D/A转换器、程控模拟信号放大器和滤波器组成，其主要任务是完成波形合成。存储器的读、写信号分别由高频晶振输出fo和DSP的写信号控制，信号切换由控制器ispLSI完成。其特点：(1)采用高频晶振控制数据转换，克服了数据转换受CPU工作速度的限制。(2)采用高速RAM和高速D/A转换器AD9720，数据转换速度达400Msps，完全可以拟合20MHz信号。(3)频率合成器主要由高速、高密度器件ispLSI2032设计完成，利用多位分频器细化频率设置，采用循环周期计数，产生高稳定度的合成波频率，在0～20MHz范围内频率误差＜0.1%，并克服了非周期采样而产生的高次谐波，频率设置可以程控。(4)程控高速宽带运放可实现输出信号的调整(放大、偏置)。
1.2 高速数据采集模块
高速数据采集模块是本信号发生器设计的特色，由高速A/D转换器AD9283(8bit100MHz)、RAM、锁存器组成。A/D的时钟信号由高频晶振输出fo经分频得到。分频器由控制器ispLSI实现程控。本模块完成对输出信号的实时采集，采集的数据同时送到LCD直接显示和给DSP进行处理(计算频率、幅值等参数)。并且可以采集外部输入信号，与整个系统配合实现信号再现。
1.3 处理系统及显示部分
它包括DSP芯片、控制器(ispLSI)、80C51芯片、外设接口、键盘和显示器。
DSP芯片完成波形数据的产生并与控制器(ispLSI)、80C51对整个系统进行控制。对于不同的信号，采用不同的数据生成方式：
(1)对于方波、矩形波、锯齿波、三角波、梯形波、随机信号、扫频信号等，可简单、方便地通过DSP直接计算得到波形数据；
(2)对于正弦、指数、高斯、余弦的信号，不便通过直接计算得到其波形数据，而其波形用较少数据即可准确描述，可把其基本波形数据固化在EPROM中；
(3)对于不便描述的信号，可通过数据采集得到波形数据或直接通过键盘输入数据。
80C51作为辅助微处理器，主要控制键盘和液晶显示器LCD。并和DSP进行通信。
键盘和显示器实现人机对话。键盘为4×6小键盘，由专用集成电路82C79控制。显示器采用图形点阵式液晶显示模块MGLS-24064，由内藏T6963C控制器驱动，可显示波形及其参数。
外设接口提供仿真接口和通信接口(RS232)，可以测试并远地控制。

2 系统软件设计
本仪器软件设计采用了结构化系统设计与结构化程序设计的方法，整个软件由顶向下分层分块，每个模块完成一项功能，并遵守上层模块调用下层模块、同层模块不能相互调用的原则。软件的模块结构如图5所示。

初始化模块装载每个模块的入口、出口条件及地址，模块的正常出口是回到键盘程序，等待按键：键盘处理模块根据操作规则优先处理四个键："预置"、"功能"、"方式"、"自检"，它们各自对应着仪器的一种工作模式。每一种工作模式划为一个模块，且这四个模块处于同一层次，而在每一种工作模式下又各有多种功能，各种功能就形成了下一层的一个个模块；处于层的是公用程序模块，它们是一些独立的公用子程序，可由上层模块随意调用。

本文所介绍的方案从结构设计上解决了通常任意波形信号发生器产生信号频率受CPU工作频率限制的问题，并采用DSP芯片做主处理器，从而大大提高了产生信号的频率和处理速度。采用大规模现场可编程(ispLSI器件代替MSI器件，大大简化了系统结构，提高了性能和可靠性，降低了成本。系统采用键盘和LCD作为人机对话窗口，具有良好的人机界面，并能实时显示输出波形及其参数。笔者根据此方案研制开发的智能高频率信号发生器EM-2000完全达到了用户的要求，具有新颖、结构简单、高性能、灵活的特点，具有很大的开发、应用前景。

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