PCI总线和CPLD的任意信号发生器设计

随着通信、雷达技术的高速发展，稳定度高、信号种类多样、多种调制方式的高质量信号源的需求也越来越广。在电子设备的测量、电磁环境的模拟等应用中，需要能够方便快速地产生各种类型、参数的信号。所以，研究开发了这种基于计算机PCI总线和CPLD控制的任意信号发生器，在PC端对信号的各种参数进行设置，实时产生所需要的各种信号。实现了多种类型、参数信号之间方便快速的切换。

1 基本原理和系统主要框图

基于PCI总线和CPLD的任意信号发生器如图1所示，PC端的控制程序对信号的频率、相位等各种参数以及调制方式进行设置，通过PCI总线将所设置的各种参数信息传到CPLD中，CPLD根据预先编好的Verilog HDL程序，将PCI总线传来的参数信息转换成DDS的控制信息，控制DDS芯片的工作状态和写入DDS中相应的寄存器，完成DDS的配置，生成所需要的信号。　　

2 系统主要硬件设计

2.1 PCI总线接口部分设计

PCI总线作为计算机与外部设备的一个重要连接总线，数据传输稳定、灵活、传输速度快，还具有即插即用和良好的扩展性等优点，被广泛应用在各种与计算机互联的设备中。

考虑到PCI总线的协议比较复杂，所以本设计采用了PLX公司生产的PCI接口专用芯片PCI9052用于PCI总线的控制。图2是PCI9052芯片的主要接口电路图。主要包括9052与PCI插槽间的连接信号线、与E2PROM之间的连接线和与局部总线之间的连接线。与PCI插槽的信号包括地址数据复用信号AD[31：O].总线命令信号C/BE[3：0]#和PCI协议控制信号PAR，FRAME#，IRDY#，TRDY#，STOP#，IDSEL，DEVSEL#，PERR#，SERR#。与串行E2PROM的连线有4根信号线：EESK，EEDO，EEDI和EECS。本设计中需要传输的数据量比较少，同时考虑到对早期的ISA设备的兼容性，所以采用了9052中的ISA模式。在ISA模式下，9052与ISA总线的连接有数据线LAD[7：0]，地址线ISAA[1：O]，LA[23：2]，I/O读写信号线IOWR#，IORD#，地址锁存BALE。　　

9052的工作方式及配置信息主要由E2PROM加载，这里采用了Motorola公司的93LC46B，E2PROM的数据可以提前用烧写器烧好，也可以在线烧写。配置信息包括：设备号DID、制造商号VID、子设备号SDID、子制造商号SVID、中断号、设备类型号、局部空间基地址、局部空间描述符、工作模式、LOCAL端数据线的宽度、片选以及局部响应控制CNTRL等信号。根据需要配置好这些信息，写入E2PROM中。本设计中E2PROM的配置信息如表1所示。　　

2.2 CPLD控制部分设计

CPLD在系统中的主要作用是用来将PCI控制器传输过来的数据，经过一定的算法处理，得到DDS外围管脚的状态及向DDS中写入控制寄存器数值，使DDS根据配置信息产生所需要的信号。

本设计中使用的CPLD是Altera公司的7000S系列，工作电压为5 V，具有192个宏单元，采用通用JTAG方式下载。CPLD与DDS之间的接口电路主要包括8位数据线D[7：O]。6位地址线ADD[5：0]，串并选择信号PMODE，复位信号RESET，外部更新信号UDCLK、读写信号WR、RD和控制信号0RAMP、FDATA。如图3所示。　　

考虑到DDS信号输出的实时性和减少CPLD的宏单元的占用，本设计中使用9052的IOWR#信号去触发DDS的写入信号WR。DDS控制寄存器的写入方式有串行和并行两种，由PMODE管脚控制，当PMODE信号为高时，为并行写入模式，当PMODE信号为低时，为串行工作模式。由于设计中PCI9052写入CPLD的数据为8位并行输入，所以在这里选用了并行的方式向DDS的控制寄存器中写入数据。写入的时序如图4所示。　　

CPLD的程序在Altera公司提供的QuartusⅡ开发系统下通过Verilog HDL语言来实现。在QuartusⅡ环境中，可以方便地对波形进行仿真，便于查看和修改程序中可能存在的问题。QuartusⅡ仿真环境如图5所示。　　

2.3 DDS输出部分设计

DDS部分电路设计除了与CPLD之间的连接电路外，还有DDS的外围电路设计。本系统中DDS的外围电路主要包括电压转换、差分时钟信号输入和低通滤波器三个部分，如图6所示。设计中的DDS采用的是AD公司的通用DDS芯片AD9852，芯片的工作电压为3.3 V，最高系统时钟为300 MHz。　

在整个系统中，PCI9052和CPLD的工作电压为5 V，所以需要将工作电压由5 V转换为DDS正常工作的3.3 V，设计中采用了专用的电压转换模块，完成电压转换工作，为DDS及其外围电路提供3.3 V工作电压。

差分时钟输入模块是为了DDS输出信号能够得到较好频谱纯净度，本设计采用了20 MHz的有源晶振，通过MCl00LVEL16D芯片产生20 MHz的差分时钟信号，作为DDS的外部输入时钟。

为了滤去不需要的频率成分和抑制输出信号的杂散，在信号的输出部分，采用了一个π型结构的LC低通滤波器，滤波器的结构