基于CPLD的任意波形發(fā)生器

摘  要：本文設(shè)計(jì)了一種任意波形發(fā)生器(Arbitrary Wave Generator,AWG). 該AWG 采用AT90S8515 RISC指令單片機(jī)做控制器，采用CPLD (Complex Programmable Logic Device) 構(gòu)造控制電路。配合AWG的使用，編制了上位機(jī)軟件，在上位機(jī)可以動(dòng)態(tài)設(shè)置要產(chǎn)生的波形。

關(guān)鍵詞：任意波形發(fā)生器，CPLD, 微控制器

引言

任意波形發(fā)生器(Arbitrary Wave Generator,以下簡(jiǎn)稱(chēng)AWG)在通信系統(tǒng)、測(cè)試系統(tǒng)等方面得到廣泛應(yīng)用。本文利用自主研制的150 MSPS (Million Sampling Per Second)12位DAC (Digital Analog Converter)和300MSPS 12位DAC，基于CPLD技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種AWG。要產(chǎn)生的波形通過(guò)上位機(jī)軟件設(shè)置，然后將波形數(shù)據(jù)下載到AWG，AWG在CPLD的高速控制電路下將波形數(shù)據(jù)送高速DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換形成所要的波形。下面先分析AWG的硬件結(jié)構(gòu)。 
   
任意波形發(fā)生器的硬件結(jié)構(gòu)

AWG的工作過(guò)程是，首先接收上位機(jī)送來(lái)的波形數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)到SRAM，然后啟動(dòng)控制電路從SRAM取出數(shù)據(jù)送DAC進(jìn)行數(shù)摸轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的模擬信號(hào)送低通濾波器形成波形。如果DAC工作在150MSPS的速度下，可以以150MHz的頻率送數(shù)據(jù)到DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換，微控制器的晶振輸入一般工作在40MHz以下，沒(méi)有這么高的速度送出數(shù)據(jù)到DAC，所以考慮采用CPLD構(gòu)建硬件控制電路。數(shù)據(jù)首先傳送到SRAM，然后在CPLD硬件控制電路的控制下，以150MHz的頻率從SRAM中取數(shù)送DAC轉(zhuǎn)換。其體系結(jié)構(gòu)如圖一所示。如果要形成正弦周期信號(hào)，每周期4個(gè)點(diǎn)就可以合成一個(gè)波形，此時(shí)可以輸出約38MHz的高頻信號(hào)。

 
 
圖一 AWG硬件結(jié)構(gòu)

CPLD(Complex Programmable Logic Device，復(fù)雜可編程邏輯器件)是在傳統(tǒng)的PAL、GAL基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，具有多種工作方式和高集成、高速、高可靠性等明顯的特點(diǎn)，在超高速領(lǐng)域和實(shí)時(shí)測(cè)控方面有非常廣泛的應(yīng)用。與FPGA相比，CPLD比較適合計(jì)算機(jī)總線控制、地址譯碼、復(fù)雜狀態(tài)機(jī)、定時(shí)/計(jì)數(shù)器、存儲(chǔ)控制器等I/O密集型應(yīng)用，且無(wú)須外部配置ROM、時(shí)延可預(yù)測(cè)等。目前的CPLD普遍基于E2PROM和Flash電可擦技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)循環(huán)擦寫(xiě)。Altera 公司的MAX7000 CPLD配置有JTAG口，支持ISP編程。用VHDL或Verilog HDL(Hardware Description Language, 硬件描述語(yǔ)言)設(shè)計(jì)的程序，借助EDA工具經(jīng)過(guò)行為仿真、功能仿真和時(shí)序仿真后，通過(guò)綜合工具產(chǎn)生網(wǎng)表，下載到目標(biāo)器件，從而生成硬件電路。

本裝置中，CPLD采用Altera公司的EPM7128AE [4]，其最高工作頻率達(dá)200MHz。微控制器采用Atmel公司AVR微控制器AT90S8515[2],其主要特征有：增強(qiáng)型RISC體系結(jié)構(gòu)CPU，8K Flash，512 字節(jié) EEPROM，512 字節(jié) Internal SRAM，UART，SPI，寬電壓范圍: 2.7 - 6.0V。SRAM選用64K x 16的CY7C1021V。 

下面對(duì)CPLD控制電路進(jìn)行分析。

CPLD電路設(shè)計(jì) 

CPLD主要負(fù)責(zé)以高速率（150MHz）從SRAM中取數(shù)到DAC，其核心電路是一個(gè)13位的計(jì)數(shù)器。波形數(shù)據(jù)文件的大小為8Kbytes。如果要擴(kuò)大波形文件的大小，可以根據(jù)需要增加CPLD的地址計(jì)數(shù)器容量。在CPLD內(nèi)部構(gòu)造的DAC控制電路如圖二所示，下面對(duì)其控制流程進(jìn)行分析。

    PA[15:0]接AT90S8515的2個(gè)8位并行口；D[15:0]接SRAM的數(shù)據(jù)線D0-D15；AD[12:0]接SRAM的地址線A0-A12；DB[15:0]接DAC的D0-D11（D12-D15不用）；CLK_SEL選擇計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘輸入方式；CLK_AVR接MCU的一個(gè)I/O端，通過(guò)軟件編程在CLK_AVR輸出脈沖信號(hào)作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘；CLK_CPLD接150MHz時(shí)鐘信號(hào)；/WR和 /WE接MCU的I/O端。

當(dāng)PC機(jī)下載數(shù)據(jù)時(shí)，其控制流程如下：
①     CLK_SEL=0，選擇軟件時(shí)鐘
②     復(fù)位地址計(jì)數(shù)器
③     MCU送數(shù)據(jù)到PA[15：0]
④    /WR從0變到1，打開(kāi)從MCU到SRAM的數(shù)據(jù)緩沖器將數(shù)據(jù)寫(xiě)入SRAM
⑤    給CLK_AVR一個(gè)脈沖，讓計(jì)數(shù)器增1從而指向SRAM的下一個(gè)接收地址單元。

當(dāng)數(shù)據(jù)下載完成后， 啟動(dòng)CPLD從SRAM取數(shù)據(jù)到DAC，其控制流程如下：
①     WE=1，打開(kāi)從SRAM到DAC的緩沖器。
②     CLK_SEL=1，計(jì)數(shù)器的輸入時(shí)鐘選擇150MHz的外部時(shí)鐘，
③     復(fù)位地址計(jì)數(shù)器，外部高速時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下地址計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，從SRAM中取出數(shù)據(jù)送到DAC進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

 
CPLD的編程在Quartus II 5.0環(huán)境下進(jìn)行，Quartus的設(shè)計(jì)輸入支持AHDL、VHDL、Verilog HDL等硬件描述語(yǔ)言的程序輸入和圖形輸入，這里采用圖形輸入的方式。完成設(shè)計(jì)輸入后，依次進(jìn)行編譯、功能仿真、時(shí)序仿真。下圖三是CPLD取數(shù)據(jù)到DAC進(jìn)行轉(zhuǎn)換的時(shí)序仿真結(jié)果。圖中CPLD的工作頻率為125MHz,實(shí)際工作中最高工作在200MHz，從圖中可以看出，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘，CPLD從SRAM中取出一個(gè)數(shù)據(jù)送DAC進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。最后將結(jié)果下載到CPLD內(nèi)部運(yùn)行。

 
軟件設(shè)計(jì) 

AWG的軟件采用CodeVision AVR C [3] 編寫(xiě)，AT90S8515支持ISP（In System Programming, 在系統(tǒng)編程），程序編譯后經(jīng)JTAG口下載到AT90S8515中。為配合該裝置的使用，我們?cè)赩B開(kāi)發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)了上位機(jī)軟件，其運(yùn)行界面如圖四所示，在該軟件中選擇要產(chǎn)生的波形，然后下載到AWG。

AWG和PC機(jī)采用RS-232串口通信, 上電運(yùn)行后等待PC傳送波形，接收完波形數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)CPLD從SRAM中取出數(shù)據(jù)送DAC進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換，經(jīng)低通濾波器形成輸出波形。

 
 
圖四 波形數(shù)據(jù)產(chǎn)生軟件

結(jié)語(yǔ) 

AWG和PC機(jī)通過(guò)RS232串口連接后，運(yùn)行PC機(jī)軟件，在PC機(jī)上選擇要生成的波形，生成波形數(shù)據(jù)下載到AWG，可以選擇線性調(diào)制技術(shù)的絕對(duì)相移鍵控(BPSK)、相對(duì)相移鍵控(DPSK)、四相相移鍵控(QPSK)、交錯(cuò)正交相移鍵控(OQPSK)、π/4偏移差分相移鍵控(π/4—DQPSK)，恒包絡(luò)調(diào)制的二進(jìn)制頻移鍵控(FSK)、最小頻移鍵控(MSK)、高斯濾波最小頻移鍵控(GMSK)，混合線性和恒包絡(luò)調(diào)制技術(shù)的M相相移鍵控(MPSK)、多進(jìn)制正交幅度調(diào)制(QAM)、多進(jìn)制頻移鍵控(MFSK)等波形，下載到AWG生成所要的波形。下圖五是DAC工作在125MHz下合成的2FSK（Frequency Shift Key）波形。

 
圖五 2FSK波形

參考文獻(xiàn)：
[1]  黃正謹(jǐn)，徐堅(jiān)等，CPLD系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)入門(mén)與應(yīng)用，2002，北京
[2]  Atmel Corp., AT90S8515 datasheet, 2002
[3]  Atmel Corp., CodeVision AVR C Compiler Reference, 2002
[4]  Altera Corp., MAX7000 Programmable Logic Device Family Data sheet, November,2001