周期可调的多波形发生器

I周期可调的多波形发生器设计与仿真摘要：本文提出了采用Max+PlusII开发平台，VHDL编程实现，基于可编程逻辑器件CPLD设计多波形发生器的设计方案。整个系统除晶体振荡器和D／A转换外，全部集成在一片EPF10K10LC84-4芯片上。它可输出频率可调的正弦波、三角波、方波和两种或三种波形线性组合的10种波形。任意波形模块可由用户自行编辑所需波形数据，经下载在不改变整个系统硬件连接的情况下，输出用户所需的特殊波形，实现了传统的波形发生器不具有的一些波形的产生。整个设计采用VHDL编程实现，其设计过程简单，极易修改，可移植性强。关键词：波形发生器；线性组合；硬件描述语言；复杂可编程逻辑器件IITheDesignandSimulationofCycleAdjustableMulti-waveGeneratorAbstract:Thispaperproposesthedesignproposalthatdesignthemulti-wavegeneratorbasedonprogrammablelogicalcomponentCPLD,theVHDLprogrammingrealizationandtheMax+PlusIIdevelopmentplatform.BesidesthecrystaloscillatorandtheD/Atransformation,theentiresystemcompletelyintegratesontheEPF10K10LC84-4chipwhichisproducedbyAlteraCorporationofUSA.Themulti_wavegeneratormayoutputthesine_wave,thetriangle_wave,thesquare_wave,andtwokindsorthreekindsofprofileslinearcombination,totally10kindsofprofileswhichthefrequency,thescopecanbeadjusted.Thefreeprofilemodulemayvoluntarilybeeditedbytheprofiledatabasedontheusersneeds,thendownloadedunderthesituationwhichtheentiresystemhardwareconnectsdonotchange,andfinallyoutputthespecialprofilewhichuserneeds.Themulti_wavegeneratorgenerateswavewhichhtheconventionalfunctionsignalgeneratorscan’tmake.ThewholedesignrealizesbytheVHDLprogramme.Itsdesignprocesshassimplefeature,easymodificationandhightransportation.keywords:wavegenerator;linearcombination;VHDL;CPLD周期可调的多波形发生器1第1章绪论1.1研究波形发生器的目的与意义波形发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需要的己知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在各种实验应用和试验测试处理中的应用非常广泛。它不是测量仪器，而是根据使用者的要求，作为激励源，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要。目前我国己经开始研制波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说,我国波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看,多为一些PC仪器插卡，独立的仪器和VXI系统的模块很少，并且我国目前波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。1.2波形发生器的发展现状和前景展望1.2.1波形发生器的发展状况波形发生器是能够产生大量的标准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变换、和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统，因此被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。在70年代前，信号发生器主要有两类：正弦波和脉冲波，而函数发生器介于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用标准波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时期的波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。同时，主要表现为两个突出问题，一是通过电位器的调节来实现输出频率的调节，因此很难将频率调到某一固定值；二是脉冲的占空比不可调节。在70年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、A/D和D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器多以软周期可调的多波形发生器2件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。90年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是HP公司推出了型号为HP770S的信号模拟装置系统，它由HP8770A任意波形数字化和HP1776A波形发生软件组成。HP8770A实际上也只能产生8种波形，而且价格昂贵。不久以后，Analogic公司推出了型号为Data-2020的多波形合成器，Lecroy公司生产的型号为9100的任意波形发生器等。到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可过GHz的DDS芯片，同时也推动了函数波形发生器的发展。2003年，Agilent的产品33220A能够产生17种波形，最高频率可达到20M，2005年的产品N6030A能够产生高达500MHz的频率，采样的频率可达1.25GHz。由上面的产品可以看出，函数波形发生器发展很快。近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现在以下几个方面：（1）过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波形发生器能应用于越来越广的领域。波形发生器软件的开发正使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如VisualBasic,VisualC等等)编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。（2）与VXI资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和适用于个人计算机的插卡以及新近开发的VXI模块。由于VXI总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用VXI系统测量产生复杂的波形，VXI的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发VXI模块的周期长，而且需要专门的VXI机箱的配套使用，使得波形发生器VXI模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面，VXI模块远远不如台式仪器更为方便。（3）随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能。而且外形尺寸与价格，都比过去的类周期可调的多波形发生器3似产品减少了一半。1.2.2国内外波形发生器产品比较早在1978年，由美国Wavetek公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为5MHz，可以形成256点(存储长度)波形数据，垂直分辨率为8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近30年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好。表1.1几种波形发生器的性能指标，从中可以看出当今世界上重要电子仪器生产商在波形发生器上的研制水平。表1.1波形发生器的性能指标公司TektronixTektronix横河电机Wavetek型号AG320AWG710AG5100295最高采用频率16MS/s4GMS/s1GMS/s50MS/s通道数2224垂直分辨率12bit8bit8bit12bit存储容量64K8M8M64K输出电压10V2.5V2V15V1.3任意波形发生器任意波形发生器是在1975年开发成功的，从此，信号发生器增加了一个新品种。在任意波形发生器作为测量用信号激励源进入市场之前，为了产生非正弦波信号，已使用函数发生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等几种特殊波形。声音和振动分析需要复杂调制的信号源，以便仿真真实的信号，只有借助任意波形发生器，例如医疗测试往往需要心电波形，任意波形发生器很容易产生各种非标准的振动信号。早期的任意波形发生器主要着重音频频段，现在的波形发生器已扩展到射频频段，它与数字示波器（DSO）密切配合，只要数字示波器捕获的信号，任意波形发生器就能复制出同样的波形。在电路构成上，数字示波器是模拟/数字转换，周期可调的多波形发生器4任意波形发生器是模拟/数字的逆转换，目前任意波形发生器的带宽已达到2GHZ，足够仿真许多移动通信、卫星通信的许多复杂信号。几种任意波形发生器生产数字示波器的仪器公司一般都供应任意波形发生器，如安捷伦、力科、泰克公司，也有只生产任意波形发生器的公司，如雷科、斯坦福公司。仪器有台式、PC机虚拟、VXI总线、PXI总线等多种方式，大部分产品只有1路输出，有的高达16路输出。仪器采样率从最低的100KS/S到4GS/S，相当实时带宽50KHZ到最高的2GHZ。产生任意波形的方法主要有两种：即存储器和直接数字合成（DDS），前者比较简单，分两种形式：相位累加器式与计数器式，但需要较深的存储容量。仪器的垂直分辨率有8位至16位，采样率越高时分辨率越低，主要受数/模转换器和存储器特性的影响。存储器的容量从最小的8K（12位）到16M（8位），通常可根据客户要求扩充容量。任意波形发生器的波形定义主要有面板设定、方程式设定、波形下载、软件设定、数字示波器下载、内置编辑器等多种。软件大部分采用Windows、LabVIEW或VXIpnp,总线主要是GPIB(台式仪器)VXI（模块仪器）、PCI/PXI（PC机仪器)、RS-232（通信）、LAN（网络）等。任意波形发生器的应用非常广泛，在原理上可仿真任意波形，只要数字示波器或其他记录仪捕捉到的波形，任意波形发生器都可复制出，特别有用的是仿真单次偶发的信号，例如地震波形、汽车碰撞波形等等。以下是几种尖端技术中任意波形发生器产生的复杂测量信号：第一、雷达信号仿真――雷科公司的任意波形发生器有调幅、调频和脉冲三组输出，组合调制信号输入微波信号发生器产生复杂的雷达信号模式，用于仿真飞行器的雷达信令。由于三种调制信号有严格的同步和低的相位噪声，使这种序列信号既稳定又相位噪声极低，序列内内科插入触发、波形循环、断点而不会失去同步，从而扩展成为复杂的波形产生设备。第二、卫星音调仿真――任意波形发生器和微波信号发生器一起可产生通信卫星的音调仿真。用于测试地面接收站特性。任意波形发生器驱动上变频器在适当频率下产生几种音调，在被测通道的测试序列插入空白段，用于播送实况信号。任意波形发生器的数量视音调数目和间隔而定。这种测试方法同样可用来测试在同一通信链路内收发多个数据流的电信系统。周期可调的多波形发生器5第三、微机电系统的驱动――微机电系统有机械、光学、电学的多种信号，需要几台任