基于CPLD和单片机的任意波形发生器设计

在电子工程设计与测试中，常常需要一些复杂的、具有特殊要求的信号，要求其波形可任意产生，频率方便可调。通常的信号产生器难以满足要求，市场上出售的任意信号产生器价格昂贵。结合实际需要，我们设计了一种任意波形发生器。电路设计中充分利用MATLAB的仿真功能，将希望得到的波形信号在MATLAB中完成信号的产生、抽样和模数转换，并将得到的数字波形数据存放在数据存储器中，通过单片机和CPLD控制，将波形数据读出，送入后向通道进行A/D转换和放大处理后得到所需的模拟信号波形。利用上述方法设计的任意波形发生器，信号产生灵活方便、功能扩展灵活、信号参数可调，实现了硬件电路的软件化设计。具有电路结构简单、实用性强、成本低廉等优点。  

系统框图  

任意波形发生器的设计思想，是利用MATLAB的强大仿真功能，方便、快捷的生成给定频率、周期、脉宽的任意波形数据；并将数据预存在数据存储器中。在单片机控制下，利用CPLD电路产生地址读出数据，送入D/A转换电路，得到所需的任意波形信号。系统结构框图如图1；图中分频电路和地址发生器由CPLD实现。

  图1  系统框图

电路设计及实现  单片机控制电路  

单片机采用AT89C52芯片，通过软件编程产生所要求的控制信号。主要的控制参数包括：信号周期、脉宽；分频电路的开始信号、地址发生器的复位信号；E2PROM的选通信号；D/A转换电路的选通信号。在具体电路中，端口P1.0控制分频电路的启动、P1.1控制地址发生器的清零，P2.0控制28C256和AD7545的选通信号。单片机工作在定时器0方式，软件设计利用C语言实现。流程图如图2所示。  

图2  软件流程图  

波形数据生成  

MATLAB作为一款优秀的数学工具软件，具有强大的运算功能；可以方便的产生各种信号波形，在软件中实现波形信号的产生、抽样和模数转换。设计的任意波形发生器，数据存储器选用28C256芯片，信号波形通过MATLAB仿真产生；得到的波形数据存放在数据存储器28C256中。具体设计中，我们要求产生周期为200ms，脉宽为5ms的单/调频混合信号，其中单频信号的脉宽为4ms，频率为30KHz；调频信号的脉宽为1ms，频率为30KHz_35KHz。在MATLAB中设定抽样率为500KHz,得到了2500个波形数据。这些混合波形数据在烧录入数据存储器的过程中，由于波形数据较多，直接用手工录入数据存储器中不仅费时且容易出错。为克服这一弊端，通过MATLAB编程的方法将产生的波形数据按照HEX文件的INTEL格式存放,然后将这些波形数据整批次烧录入数据存储器中。采用上述方法，波形数据生成简单，快捷；可根据需要在软件程序中方便地修改信号参数；无需改动硬件电路即可实现信号参数的功能扩展。  

CPLD逻辑设计  

分频电路采用两片74HC163实现。通过分频电路，将12MHz的晶振标准频率分频后，得到500KHz的抽样频率，作为地址发生器的时钟。分频电路的工作由单片机控制。

地址发生器电路由3片74HC163组成，时钟频率为500KHz，有分频电路提供；和预存的波形数据抽样频率相一致，以实现数据的无失真读出。  

电路设计中，采用ALTRA公司的EPM7128AETC100－10芯片，在MAX+PLUSⅡ开发环境中完成分频；PLD的电路设计，可以省去大部分的中小规模集成电路和分离元件；使得电路具有集成度高、工作速度快、编程方便、价格低廉的显著优点。通过CPLD和数据预生成的信号实现方法，无需改变硬件电路，即可实现信号参数的任意调整；同时外围电路十分简单，为工程调试和应用带来了方便。   

D/A转换电路

D/A转换电路的实现如图3所示。 电路中，AD7545将波形数据转换为模拟信号；LF353进行信号滤波和整形。   

图3  D/A转换电路         

结语

采用上述方法设计的任意波形发生器，通过软件和硬件结合，充分发挥MATLAB强大的仿真功能，尽可能的减少了硬件开销。根据实际需要，可产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形，可以产生线性调频信号（LFM），单频脉冲信号（CW），余弦包络信号以及他们之间的组合信号等多种波形参数；满足了工程需要。该任意波形发生器已应用于在研项目“水中运动目标轨迹测量”中，效果良好。