波形發(fā)生器已有較多使用，各大機(jī)械公司均具備波形發(fā)生器產(chǎn)品。上篇文章中，小編為大家?guī)硪黄ㄐ伟l(fā)生器設(shè)計實例，講解了如何利用數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計高速任意波形發(fā)生器。本文波形發(fā)生器相關(guān)內(nèi)容，為上篇文章的余下部分，一起來了解下吧。
一、任意波形產(chǎn)生電路的設(shè)計
如圖4所示，一個完整的任意波形產(chǎn)生電路主要由時鐘發(fā)生電路、地址計數(shù)器、波形存儲器、鎖存器、奇偶數(shù)據(jù)選擇電路以及D/A轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。
時鐘發(fā)生電路用于產(chǎn)生任意波形發(fā)生器所需的可變時鐘，通常可以由單片機(jī)控制的鎖相環(huán)電路構(gòu)成，在實際設(shè)計中采用鎖相環(huán)集成電路，產(chǎn)生最高頻率為100MHz的時鐘信號，時鐘電路的輸出信號送往地址計數(shù)器的時鐘輸入端，以驅(qū)動地址計數(shù)器掃描波形存儲器中的數(shù)據(jù)，地址計數(shù)器采用15位二進(jìn)制同步計數(shù)器，邏輯上等同于4片74F161級聯(lián)，地址計數(shù)器輸出的15位地址數(shù)據(jù)與波形存儲器的地址輸入端相連，波形存儲器使用四片32K×8(讀寫速度為12ns)的SRAM級聯(lián)成32K×32的SRAM陣列，SRAM陣列輸出端的32比特數(shù)據(jù)中，24比特為波形數(shù)據(jù)，2比特為控制信號，其余6比特數(shù)據(jù)線不使用。每個波形點分辨率為12比特，每個地址存放兩個波形點的數(shù)據(jù)，單片段任意波信號最長可達(dá)64K個點，2個控制信號分別為停止位、同步位，停止位數(shù)據(jù)線通過D觸發(fā)器與地址計數(shù)器的預(yù)置數(shù)控制端端相連，當(dāng)檢測到掃描至最后一個波形地址時，停止位將地址計數(shù)器的預(yù)置數(shù)控制端置位，這樣在下一個時鐘到來時，地址計數(shù)器又從該任意波形的首地址尋址，讀取波形數(shù)據(jù)。控制信號中的同步位用于輸出外同步信號。波形存儲器輸出的24位任意波形數(shù)據(jù)由鎖存器鎖存后送往12位奇偶數(shù)據(jù)選擇電路的輸入端。如前所述，波形存儲器的每個地址存放兩個點的波形數(shù)據(jù)，在通過人機(jī)接口向波形存儲器寫入波形數(shù)據(jù)時，一個點的波形數(shù)據(jù)由每個地址中的奇數(shù)位數(shù)據(jù)構(gòu)成，另外一個點的數(shù)據(jù)由偶數(shù)位構(gòu)成，這樣做的好處是每個采樣時鐘到來時，可同時讀取2個波形點的數(shù)據(jù)，使得輸出波形的最高頻
率增大了1倍，相當(dāng)于采樣時鐘的頻率提高了1倍，大大提高儀器性能。12位奇偶數(shù)據(jù)選擇電路邏輯上等同于3片74F157。奇偶數(shù)據(jù)選擇電路的輸出端與D/A轉(zhuǎn)換器的輸入端相連，D/A轉(zhuǎn)換器的作用是將從波形存儲器中讀取的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號，由于最高時鐘頻率為100MHz，所以D/A轉(zhuǎn)換器選擇速率為125百萬次/秒的AD975。根據(jù)采樣定律輸出信號的基波頻率將低于所用的參考時鐘頻率的一半，在本方案中采樣時鐘最高頻率為100MHz，一個任意波形最少可由4個點構(gòu)成，并且每個時鐘周期讀取兩個波形數(shù)據(jù)，因此所輸出的任意波形信號的最高頻率為50MHz。上述電路中，15位同步二進(jìn)制地址計數(shù)器、24位鎖存器、12位奇偶數(shù)據(jù)選擇電路及相關(guān)控制電路也可由高速CPLD實現(xiàn)。
二、濾波器設(shè)計
經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換后的信號通常含有較多的時鐘成分及較為陡峭的躍變邊緣，為了減少輸出波形的抖動、抑制高次諧波，在任意波形發(fā)生器的設(shè)計中選擇有效的濾波器就顯得非常重要，高速任意波形發(fā)生器即能輸出正弦波，又可輸出三角波、鋸齒波、脈沖波以及任意波型，因此要根據(jù)不同頻段和波形來選擇不同性能的濾波器，橢圓(EllipTIc)濾波器具有陡峭的過渡特性，適合用作正弦波的輸出濾波器，三角波、鋸齒波和任意波具有豐富的頻譜，因此要求濾波器在通帶范圍內(nèi)具有良好的幅頻特性，以保證信號通過濾波器后即不產(chǎn)生失真，又能濾去雜散信號。橢圓濾波器對正弦波以外的其他波形會產(chǎn)生劇烈的振鈴，而具有線形相位的高斯(Gaussian)濾波器可以滿足這些要求，在本方案中由于任意波形發(fā)生器的采樣時鐘可變，因此它的低通濾波器的截止頻率也必須變化，否則在有些頻段就不起濾波作用，或者是在高頻段有用信號會被衰減，為此本設(shè)計方案中采用截止頻率為25MHz、50MHz的七階橢圓濾波器以及截止頻率為20MHz高斯濾波器，由單片機(jī)根據(jù)不同情況編程選擇。圖5給出了截止頻率為50MHz的七階橢圓濾波器以及截止頻率為20MHz高斯濾波器的電路。
三、GPIB接口設(shè)計
盡管目前在智能儀器中有許多新的接口標(biāo)準(zhǔn)，比如USB、LAN等，但是GPIB(General Purpose Interface Bus)接口仍然是業(yè)界公認(rèn)的智能儀器標(biāo)準(zhǔn)接口，在本方案中采用GPIB接口由PC機(jī)向任意波形發(fā)生器下載數(shù)據(jù)，并可通過GPIB總線遠(yuǎn)程控制任意波形發(fā)生器，GPIB接口電路由采用NI公司的NAT7210GPIB專用集成電路和TI公司生產(chǎn)的GPIB總線驅(qū)動器SN75160以及SN75162構(gòu)成，NAT7210輸出的是標(biāo)準(zhǔn)的GPIB格式數(shù)據(jù)，符合IEEE488.2標(biāo)準(zhǔn)，GPIB總線驅(qū)動器的作用是增強(qiáng)接口的驅(qū)動能力。NAT7210與SN75160、SN75161以及單片機(jī)之間的連接方法參見文獻(xiàn)。
四、高速任意波形發(fā)生器的軟件設(shè)計
高速任意波形發(fā)生器的軟件包括PC機(jī)部分的波形編輯及下載軟件以及儀器內(nèi)部的單片機(jī)控制軟件兩部分，波形編輯及下載軟件具備各種任意波形編輯能力，例如直線編輯方式、曲線編輯方式、公式編輯方式、調(diào)制波形編輯方式。波形編輯及下載軟件能夠通過GPIB接口與任意波形發(fā)生器通信完成任意波形數(shù)據(jù)的下載及儀器的遠(yuǎn)程監(jiān)控。儀器內(nèi)部的單片機(jī)控制軟件結(jié)構(gòu)采用經(jīng)典的主程序循環(huán)和中斷服務(wù)模式，其流程圖如圖6所示。儀器加電后，首先進(jìn)行自檢和軟、硬件的初始化，再進(jìn)入主程序的循環(huán)，主程序的循環(huán)是等待中斷處理的過程，它依據(jù)中斷請求判斷中斷源，開中斷并轉(zhuǎn)向相應(yīng)的中斷處理子程序，完成對應(yīng)操作或硬件控制。
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