基于FPGA的模擬信號波形的設計

1 引言

　　波形發(fā)生器已經廣泛的應用在通信、控制、測量等各個領域，如鋸齒波、正弦波、方波等波形常用于電路的設計與調試。隨著電子技術的迅猛發(fā)展，數字化正逐漸地成為電子產業(yè)的發(fā)展趨勢，各公司都將自己的產品向數字化、集成化、小型化等方向進行拓展。眾所周知，數字化的電子產品有其不可替代的優(yōu)勢，譬如體積小、集成程度高、抗干擾能力強等特點。但是，數字電路只能夠較好地處理脈沖波形，即只對l和0形成的方波處理得很好．對于連續(xù)漸變的信號不能夠很好地處理，而這恰恰正是模擬電路的優(yōu)勢所在。本文將數字電路與模擬電路相結合，即通過FPGA來產生所需各種模擬波形的控制信號，然后通過模擬電路來處理漸變信號，這樣町以得到各種清晰的波形。

2 示波器顯示原理

　　首先，對示波器的顯示原理進行簡要地說明，以便更好地了解硬件電路的工作過程。在整個顯示期間，示波器需要始終處于“X-Y”檔，即爾波器的波形是 X軸和Y軸輸入信號的疊加合成顯示?？芍?，一般情況下，x軸輸入的變量為信號頻率，Y軸輸入的變量為信號幅度。因此，當在x軸上輸入5KHz的信號頻率值，在Y軸上輸入0V的直流電壓幅度時，在示波器位于(5KHz，0V)的位置處就會顯示出一個亮點；同理，若在Y軸上輸入5V的直流電壓幅度，而在x軸上輸入0Hz的信號頻率值時，在示波器位于(0Hz，5V)的位置處也會顯示出一個亮點；而如果在x軸和Y軸上的輸入分別為5KHz、5V時，則亮點就會出現在示波器上的(5KHz，5V)處。這樣，如果通過程序不間斷地對兩個坐標軸進行賦值，就可以在示波器上顯示出一條清晰．連續(xù)的信號波形。

3 硬件設計

　　本文主要詳細地介紹了常用信號中階梯波和鋸齒波的模擬波形設計，它們的模擬電路實現簡單，并且實際的輸出波形清晰。方案中的硬件電路主要是南DSP、 FPGA以及外圍芯片構成，DSP用于控制模擬波形的輸出位置和幅度；外圍芯片用來進行模擬波形的產生，如利用兩個DAC0832來產生兩路電壓信號，一個用于控制鋸齒波的高度，另一個用于控制階梯波的高度。而FPGA則進行所需的各種控制信號的邏輯編程。

　　這里，FPGA采用的是ALTERA公司的10K10系列的可編程邏輯器件。ALTERA公司的FLEX 10K系列器件是業(yè)界第一塊嵌入式可編程邏輯器件，為柔性邏輯元素陣列架構，利用通用的門海架構來實現一般性的邏輯功能，還采用專用的硅片來實現規(guī)模較大的專用功能。和標準的門陣列比較，由于嵌入式功能在硅片上實現，所需的硅片面積更小、系統(tǒng)速度更高。FLEX 10K系列不僅能提供高密度、高速度和系統(tǒng)集成功能，并且在單個器件內部包含多重32比特總線、*4比特的RAM空間，還支持串行與并行兩種配置方式及JTAG模式的在線仿真，這些特點都使得FLEX IOK系列器件成為目前應用最為廣泛的可編程邏輯器件之一。與之對應，采用的開發(fā)工具是MaxplusⅡ可編程邏輯開發(fā)軟件，利用MaxplusⅡ作為 EDA的軟件工具，可實現強大的邏輯功能，還具有周期短、集成度高、價格合適等優(yōu)點。并且，由于電路的邏輯模塊都是在FPGA中實現的，因此，它們具有良好的可移植性和易維護性等特點，并方便以后系統(tǒng)的改進。同時，這也進一步地減少了電路板面積，使電路的集成度大大地提高。在本設計方案中，主要是使用 FPGA來進行各種模擬波形的控制編程，產生各種邏輯用以作為其控制信號。其中，FPGA中邏輯控制的結構框圖如圖1所示，可分為三個部分，而粗掃、精掃信號是作為鋸齒波的控制信號。

圖1 FPGA中控制信號模塊功能框圖

　　FPGA的工作過程為：首先，對輸入的32KHz時鐘信號以計數器進行分頻，產生一個1600Hz的窄脈沖信號，它一方面作為外部模擬波形產生電路的掃描觸發(fā)信號，另一方面作為鋸齒波控制信號的工作起始信號，即該信號每到來一次，就啟動其它功能模塊，按照需要的時序產生所需的控制信號。由圖1可知，1600Hz頻率到來，會打開精掃計數器與粗掃計數器的輸入時鐘(2MHz)，并啟動二者的初始裝載過程，然后以這個初始值對輸入脈沖進行減法計數，當減法溢出時，輸出端就會產生所需的掃描信號。同時，還要利用該信號關閉各自的輸入時鐘信號，直到下一個1600Hz的到來。當經過邏輯運算改變減法計數器的8位初始值時，輸出信號的時刻相對于1600Hz信號來講，就會有相應的變化。通過這種邏輯方式，就可以控制各種模擬波形的出現時間，從而能夠控制示波器上各種波形的顯示位置。其中，減法計數器初值的改變是通過一個8位鎖存器來實現，即將DSP的地址線、讀／寫信號線及I／O空間的訪問控制線進行邏輯運算，作為8位鎖存器的選通信號，然后利用程序將8位數據寫入減法計數器。

　　而階梯波控制信號則是完全由軟件程序來實現，即根據其各種時序，在不同的時刻將不同的數據寫入FPGA中進行鎖存，然后經由D觸發(fā)器輸出用以控制信號的產生。為了滿足系統(tǒng)的需要，還設計了一個控制波形寬度變化的邏輯用以產生顯示所需的不同寬度的脈沖序列，其T．作方式是將兩個不同頻率的方波信號和一個D觸發(fā)器的輸出端D與，D分別作邏輯與操作，然后再進行邏輯或運算，再通過程序來改變D觸發(fā)器的輸出狀態(tài)，從而得列具有兩種寬度的輸出脈沖。