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传统的信号源设计常采用模拟分立元件或单片压控函数发生器MAX038，可产生正弦波、方波、三角波，并通过调整外部元件改变输出频率，但由于采用模拟器件，所用元件的分散性太大，即使使用单片函数发生器，也因参数与外部元件有关(外接的电阻电容对参数影响很大)，使频率稳定度较差，精度低，抗干扰能力低，成本也高；况且其灵活性较差，而不能实现多种波形以及波形运算输出等功能。( a* ^. r- ^, W- \+ b! t
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在此，采用直接数字频率合成(DDFS)技术，并使用单片机控制cpld的方法。由于CPLD具有可编程重置特性，因而可以方便地改变控制方式或更换波形数据，而且简单易行，易于系统升级，同时具有很高的性价比。频率合成是将一个高稳定度和一个高精度的标准频率经过运算，产生同样稳定度和精度的大量离散频率技术，一定程度上解决了既要频率稳定、精确，又要频率在较大范围内可变的矛盾。
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1 DDFS的原理和特点9 L& \+ Q6 h5 z$ V" r
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1.1 DDFS的基本原理: _7 }" h; p, l2 N8 L- m
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DDFS的基本原理图如图1所示。
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" ^: r( z8 o2 W! u# E一个完整输出波形的周期、幅值都被顺序地存放在RAM中。当RAM的地址变化时，DAC将该波形数据转换成电压波形，该电压波形的频率与RAM地址变化的速率成正比。DDFS发生器使用了相位累加技术，以控制波形在RAM中的地址。它用一个加法器代替计数器来产生RAM的顺序地址。在每一个时钟周期，存储于相位递增寄存器(Phase Increment Register，PIR)中的常数都被加到相位累加器的当前结果上。相位累加器输出的最大有效位数被用来确定波形在RAM中的地址。通过改变PIR的常数，确定每个周期中的点数，而这些点数正是用来改变整个波形的频率。当一个新相位递增寄存器的(PIR)常数被存进寄存器中，波形的输出频率便随下一个时钟周期连续地改变相位。相位累加器将依据PIR中存储的常数来改变RAM的地址，若PIR数值很小(即频率较低)时，累加器便逐步地经过每个RAM地址；当PIR的值较大时，相位累加器将跳跃某些RAM地址。% q' F; q2 m9 \. Q5 M5 d
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1.2 DDFS的特点. s4 e0 \( z% T( R# }/ Y
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DDFS的特点如下：
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(1)DDFS的频率分辨率在相位累加器的位数N足够大时，理论上可以获得相应的分辨精度，这是传统方法难以实现的。
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(2)由于DDFS中不需要相位反馈控制，频率建立及频率切换快，并且与频率分辨率、频谱纯度相互独立，这一点明显优于PPL。
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" B. s+ d ^( L5 }(3)DDFS的相位误差主要依赖于时钟的相位特性，相位误差小。另外，DDFS的相位是连续变化的，形成的信号具有良好的频谱，这是传统的直接频率合成方法无法实现的。9 Z8 o5 @0 H! p( i- `( D2 z! U3 x
2 h0 u; |8 x7 D(4)DDFS的失真度除了受到D／A转换器本身的噪声影响外，还与离散点数N和D／A字长有着密切的关系。在高输出频率取样点数32和相应的量化级数256条件下，失真度(5.676%)已经足够小了。* p: I. ]- i" u O* ]5 n
5 q- G+ z! r; N3 ? K' ]/ a2 系统设计
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8 |* r) x5 _/ l6 |& a2.1 总体设计
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6 n; o8 E6 u# d0 b8 X2 e系统框图如图2所示。
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: V5 ~9 k4 j9 \! _: U/ c2.2 主要模块设计. @$ Y" l. R: b' V1 q4 i. l
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(1)波形产生电路模块。用CPLD产生方波、正弦波、三角波和占空比可调的矩形波，从存储器读出波形数据，把数据交给D／A转换器DAC0832进行转换得到模拟波形。在CPLD内部采用层次化设计方法产生波形，底层采用硬件描述语言描述波形。8 Q, W. p& [; k7 |# b* f
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(2)键盘控制模块。用单片机80C196接8255芯片控制4&TImes;5键盘，8255得到键盘码，通过中断服务程序把键盘信息送给单片机。
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(3)LED显示模块。用8个LED数码管显示占空比和频率值，接口电路简单，控制方便。LED数码管的质量轻，体积小，功耗低，接口简单方便可与8位微处理器或控制器相连。
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(4)单片机控制模块。是系统的主控制器，用于控制其他模块协调工作。该系统程序的代码比较长，约几十KB，使用80C196单片机，片内有ROM，不必扩展外部ROM。, Y# }' ^- c( [! G, N
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该程序需要较大的RAM，以便进行波形存储、失真度分析等操作。 W% ~. N% S0 _8 R
+ E( z5 j R$ c! Q: x* D! u7 q5 A* Q2.3 参数计算
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2 L! C+ {$ W V5 m$ [频率参数计算如下：. P! u% u2 x% U ~& y
* w, X! N, r7 i; K1 H波形频率范围为20 Hz～20 kHz；步进为10 Hz。因为根据公式：fout=Nfclk／2M，△f=fclk／2M=10 Hz，因此选取的时钟频率必须为2 MHz。另外要保证20 kHz以上时，取样点数都是64点，这样时钟频率必须大于10 MHz。该系统的时钟频率采用80 MHz。综合考虑，相位累加器的时钟频率fx根据公式fx=fclk／(2Nfout)选取，相位累加器位数为16位，频率步进为fs=fx／216=10。相位增量寄存器为16位，故最高输出频率为20 kHz。8 Y' l* q; @& M9 w* `' {' _. D
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D／A转换器的转换时间为1μs，可以保证在输出频率为1 MHz时，输出64个样点。用单片机输出控制信号与数据，CPLD芯片作为系统实现。! m; @5 x0 Z% W! u
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2.4 幅度控制1 X6 B3 ~( p S0 J. O
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D／A转换器是实现幅度可调和任意输出的关键，以此来控制信号发生器的输出电压。D／A转换器中电流的建立时间将直接影响到输出的最高频率。该系统采用的是DAC0832，电流建立时间为1μs，在最高频率点，一个周期输出64个点，可输出20 Hz～20 kHz的频率信号。幅度控制用8位D／A控制，最高峰值为12.7 V，因此幅度分辨率为0.1 V。! P" \! j* q+ M7 q& u; F- u/ Q
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2.5 滤波、缓冲输出电路 [# S$ H) e7 }& t8 i% D
5 g- A" v. o/ \0 b# K" a' r1 ], iD／A转换器输出后，正弦波通过滤波电路、输出缓冲电路对信号去毛刺，使信号平滑且具有负载能力。运放选用高速宽带运放TL084，截止频率约为1 MHz，20 kHz以内幅度平坦。& Y5 C( ?: ?/ l+ s0 h6 W) ~
! C. G: p; A! Q7 a+ `! G3 b4 n为了保证稳幅输出，选用OCL功放电路，得到的频率特性好，波形失真小，具有很强大的电流驱动能力。实际电路测量结果表明，当负载为100 Ω，输出电压峰值为12 V时，带宽大于20 kHz，幅度变化小于±1／100。
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3 调 试, `& F- n' |# D3 h b) V2 y
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调试过程分三大部分：硬件调试、软件调试、软硬件联调。电路按模块调试，各模块逐个调试通过后再联调。单片机软件先在最小系统板上调试，确保外部EPROM和RAM工作正常之后，再与硬件系统联调。" S: Q& J) W9 {
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3.1 软件调试3 I. S/ E! s! I7 Q& z
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该系统的软件系统很大，全部用80C196来编写，由于一般仿真器对196的支持都有一定的缺陷，调试比较复杂。除了语法差错和逻辑差错外，当确认程序没问题时，通过直接下载到单片机来调试。采取的是自上到下的调试方法，即单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统调试。
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# U+ b# ^ @7 r/ b5 R% @3.2 硬件调试+ k9 B$ K4 l& l5 p) t& s. E
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(1)CPLD控制电路的调试。该系统的CPLD采用EPM7128SLC84-15。调试时，使用存储示波器显示CPLD的输出波形，以发现时序与仿真结果是否有出入，便于找出硬件电路中的故障。: E* H7 ~ J# g. d8 |: c$ N8 v
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(2)高频电路抗干扰设计。CPLD的时钟频率很高，对周围电路有一定影响。这里采取一些抗干扰措施，如尽量缩短引线，减少交叉，使每个芯片的电源与地之间都接有去耦电容，并将数字地与模拟地分开、敷铜等。实践证明，这些措施对消除某些引脚上的“毛刺”及高频噪声的效果很好。
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# S8 ?1 m( b- E! k9 u! ~(3)运算放大器的调试。由于输出频率为20 Hz～20 kHz，因此对放大器的带宽有一定要求，所以在调试滤波电路和缓冲输出电路时，都选择了高速宽带运放TL084。
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3.3 软、硬联调( k8 l, n+ X' ]7 I) s0 ?
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该系统软件与硬件之间的联系不是十分紧密，一般是软件计算完毕后，将数据存入ROM，CPLD读取单片机系统的数据，进行运算、逻辑分析，从而产生波形。因此在软、硬件都基本调通的情况下，系统的软、硬件联调难度不大。输出波形的频率范围测试数据如表1所示。
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8 g. {. B1 l9 F, R2 n由表1可以看出，在频率稳定度方面，正弦波、方波、三角波在带负载的情况下均十分稳定，这正体现了DDFS技术的特点，输出频率稳定度和晶振稳定度在同一数量级。脉冲波占空比的调试如表2所示。5 S( V. b ^# x( @
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& r! r' Z% L1 Q4 V4 [3 ~由表2可以看出，占空比可以在10％～90％范围内预置。在20 kHz正弦波条件下测得的输出波形幅度数据如表3所示。
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由表3可见，电压稳定度方面，在电压的绝对值和预置值之差及带负载和不带负载的情况下，输出电压之差均小于±1／100。1 \ P/ ^& d) ?$ W8 Z7 B% k7 S. a7 }
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4 结 语
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" T; y" h. g J! K" M, V7 q系统采用DDFS技术和单片机控制CPLD的方法，实现了常用的正弦波、方波、三角波和占空比可调的矩形波，频率范围为20 Hz～20 kHz。利用LED显示波形的类型、频率和幅值，并具有输出电路保护功能。经实际调试，该系统的频率范围宽，步进小，幅度和频率的精度高。
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发表于 2021-2-2 14:07
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