多波形信号发生器设计原理分析

在教学实验和教学研究中，信号发生器作为提供测试用电信号的仪器必不可少。目前通用的信号发生器一般只能输出常用的波形信号，不能满足某些特殊的需要，例如在电子测量教学中，通过用示波器测量晶体管的输出特性曲线实验，让学生理解晶体管测试仪的测量原理，就需要阶梯波信号。又如研究计数法测周期时，噪声信号引起的触发误差所需的某种噪声信号。鉴于教学实验和教学研究的需要，笔者设计了一种基于可编程逻辑器件CPLD的多波形信号发生器，此设计采用Max Plus II开发平台，VHDL编程实现，整个系统除晶体振荡器和A/D转换外，全部集成在一片美国Altera公司生产的EPM7256SR208-15的芯片上。他除了输出常用的正弦波、三角波、方波以外，专门设计了一个任意波形模块（在本设计中为阶梯波波形数据），以及两种波形线性组合共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。该信号发生器输出波形的频率可数控选择，其范围为100 Hz～30 kHz。幅度调节范围为0～5 V。

1 设计原理

根据设计要求，多波形信号发生器由3部分组成，即时钟信号发生器、波形数据产生器和数/模转换电路。晶体振荡器产生稳定度很高的时钟信号，在时钟信号的作用下，波形数据产生器生成频率可变的波形数据数字信号，经数/模转换电路最终输出所需波形信号。幅度的调节可通过改变A/D转换芯片电阻网络的基准电压实现。基于CPLD的波形数据产生器顶层电路如图1所示。

图1 波形数据产生器顶层电路图

图中DFR为数控分频器，根据仪器面板8位数字量开关产生的预置数据D输出不同频率的时钟，以改变输出信号的频率。在时钟的作用下，DELTA，SIA，SQUARE，AT_WILL模块分别产生三角波、正弦波、方波和任意波形的波形数据。SELECTOR（数据选择器）在面板上的波形选择开关CORTROL的控制下，选择输出不同的波形数据，送至A/D转换电路。A/D转换采用8位的DAC0832芯片。

2 各模块电路设计

2．1 数控分频器设计

数控分频器的功能是在输入端输入不同数据时，对输入时钟产生不同的分频比，输出不同频率的时钟，以改变输出信号的频率。本设计中利用并行预置数的减法计数器实现，他的工作原理是：减法计数器在并行预置数的基础上，在时钟的作用下进行减计数，当计数值为零时产生溢出信号，加载预置数据，并且将溢出信号作为分频器的输出信号，实现N分频信号输出。其分频系数N为N = D 1。D为预置数的值。为了得到占空比为50%的矩形时钟信号，将输出再进行二分频。由此，该分频器的总分频系数为2N。本设计中一个波形周期由64个时钟信号组成，则输出信号频率为：

时钟频率为4 MHz。数控分频器如程序1。

［程序1］

--略去申明部分

entity dfr is

port（clk:in std_logic;d:in integer range 0 to 255;fout:out std_logic）;

end dfr;

architecture one of dfr is

signal full:std_logic; //定义内部溢出标志信号

begin

process（clk）

variable cnt9:integer range 0 to 312;

//内部变量，位宽同预置数据端

begin

if clk‘event and clk=’1‘ then

if cnt9= 0 then cnt9：=d; //计数值为0时，产生溢出信号

full《=’1‘; //同时，同步加载预置数据d

else cnt9：=cnt9=1;full《=’0‘;//否则，进行减1计数

end if;

end if;

end process;

--略去二分频进程

end one;

2．2 三角波波形数据产生模块设计

该模块可设计一个可逆计数器实现。设计时设置一变量作为工作状态标志，在此变量为全0时，当检测到时钟的上升沿时进行加同一个数操作，为全1时，进行减同一个数操作。由于A/D转换采用8位的DAC0832芯片，且设64个时钟为一个三角波周期，则输出Q每次加/减8。

2．3 正弦波波形数据产生模块设计

用加法计数器和译码电路完成。首先对幅度为1的正弦波的一个周期分为64个采样点，根据正弦波的函数关系计算得到每一点对应的幅度值，然后量化为8位二进制数据，最大值为255，最小值为0，以此得到正弦波波表。加法计数器生成译码电路的64个输入值，译码电路查波表输出。如程序2。

［程序2］

--略去申明和实体部分

architecture one of sia is

begin

process（clk，clr）

variable tmp:integer range 0 to 63;

begin

if clr=’0‘ then q《=0;

elsif clk’event and clk=‘1’ then

if tmp=63 then tmp：=0;

else tmp：=tmp 1;

end if;

case tmp is

--查表输出部分程序

when 00=》 q《=0;when 01=》 q《=1;when 02=》 q《=4;

……

when 29=》 q《=252;when 30=》 q《= 254;when 31=》 q《=255;

……

when 61=》 q《=4;when 62=》 q《=1 when 63=》 q《=0;when others=》 null;

end case;

end if;

end process;

end one;

2．4 方波波形数据产生模块设计

通过交替送出全0和全1，并给以32个时钟延时实现，64个时钟为一个周期。

2．5 任意波波形数据产生模块设计

设计原理同正弦波。译码器查表输出设计方法可以使用户编辑任意波形时，依据所需波表数据，修改CASE语句中条件赋值语句的赋值源数据即可。

2．6 数据选择器设计

用CASE语句设计完成。在CORTROL的控制下选择输出一种波形数据输出，同时完成两种波形的线性组合。波形组合是将波形每一时刻的数值相加，为了不超出DAC0832的输出范围，做相应的除2操作 。如程序3。

［程序3］

--略去申明和实体部分

architecture one of selector is begin

process（delta，sia，square，at_will，cortrol）

variable a:std_logic_vector（9 downto 0）;

begin

case cortrol is

when “1000”=》 q《= delta;when “0100”=》 q《= sia;

when “0010”=》 q《= square;when “0001”=》 q《=at_will;

when “1100”=》 a：=“00”& delta sia;q《=a（8 downto 1）;

when “1010”=》 a：=“00”& delta square;q《=a（8 downto 1）;

when “1001”=》 a：=“00”& delta at_will;q《= a （8 downto 1）;

when “0110”=》 a：=“00”& sia square;q《=a（8 downto 1）;

when “0101”=》 a：=“00”& sia at_will;q《=a（8 downto 1）;

when “0011”=》 a：=“00”& square at_will;q《=a（8 downto 1）;

when others= 》 null：

end case;

end process;

end one;

以上各模块电路在Max Plus II开发平台上经编译、仿真符合设计要求后，用原理图输入法完成顶层电路的设计、综合，最后下载至型号为EPM7256SR208-15的CPLD芯片中，最终完成硬件电路连接。经测试符合设计要求。用Multisim仿真器仿真波形如图2所示。

图2中左图为正弦波 方波的输出波形，右图为三角波波形。从对输出10种波形的测试结果看：在整个频率范围内，频率误差最大为设计值的0.8%，最小为0.2%，低于传统的函数信号发生器的频率误差。

3 结语

实验表明，基于CPLD的多波形信号发生器实现了各种波形的产生，尤其是实现了传统的函数信号发生器不具有的一些波形的产生。输出波形频率按设计要求可调，并达到一定的精度。满足了教学实验和开发新的实验项目对特殊波形的要求。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。另外由于CPLD具有可编程重置特性，因而可以方便地更换波形数据，且简单易行，所以为教学带来极大的方便。