一種高精度波形發(fā)生器的設計
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引言
隨著電子技術(shù)的發(fā)展，波形發(fā)生器已經(jīng)廣泛的應用在通信、控制、測量等各個領域。在很多地方，如測試測量領域，需要輸出的波形能夠精確地定位在某一整數(shù)值上，但通常由于ADC參考電平的限制，使之很難達到所需的精度，給系統(tǒng)的調(diào)試及軟件設計帶來諸多不便。本文采用了高精度的電壓參考芯片ADR434為模數(shù)變換器提供參考電平，使波形發(fā)生器的最低可調(diào)電壓達到125μV，為精確地輸出數(shù)據(jù)值電壓及其相應波形提供了方便的硬件環(huán)境。本設計具有輸出精確，控制靈活方便等特點。
1 系統(tǒng)設計
本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC54X系列DSP作為核心控制器件，并采用Cypress工司生產(chǎn)的CY7C1021V（64K16位RAM）來擴充DSP的外部數(shù)據(jù)存儲空間。在DSP與ADC及RAM之間的數(shù)據(jù)接口加入74LVC16245（16位總線變換器）以增加DSP的驅(qū)動能力，并用來隔斷器件間的干擾。DSP與DAC之間的邏輯控制采用CPLD實現(xiàn)，這樣可以方便系統(tǒng)的設計與調(diào)試，本文中采用的CPLD為Altera公司的EPM7064SLC84-10。
整個系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。
2 器件簡介
本系統(tǒng)所采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器為AD7846，它是美國AD（Analog Device）公司基于LC2MOS工藝生產(chǎn)的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它有VREF+和VREF-兩個參考電平輸入端以及一個片內(nèi)放大器。標準情況下可以將其配置為單極性輸出（0～+5V，0～+10V）或雙極性輸出（5V，10V）。當然，改變VREF+VREF-兩個參考電平輸入端的電平，也可以改變其輸出的動態(tài)范圍。如本文中的采用高精度電壓參考芯片AD434提供參考電平，使D/A的動態(tài)范圍設置為4.096V。
AD7846采用分段式結(jié)構(gòu)。DAC鎖存器的高4位選通16個電阻串中的一段，段的兩端接有運放作為緩沖，運放的輸出反饋至12位的模數(shù)變換電路，并由該電路提供后12位分辨率。這種結(jié)構(gòu)可以確保16位單調(diào)性，兩個緩沖運放間輸入失調(diào)電壓的高度匹配還確保了優(yōu)良的積分非線性。
除了優(yōu)良的精度指標外，AD7846與微處理器的連接也非常方便。它有16位數(shù)據(jù)I/O以及4根控制線（CS，R/W，LDAC以及CLR）。R/W與CS用來控制對I/O鎖存器的讀寫，LDAC信號用于多DAC系統(tǒng)中同步更新多片DAC數(shù)據(jù)，CLR用于將DAC的輸出復位至0V。
3 AD7846參考電壓的設計
為了使系統(tǒng)的輸出波形在幅度上能夠精確到1mV,本文采用AD434為AD7846提供參考電壓。ADR434為AD公司生產(chǎn)的低噪聲、高精度、低溫漂的電壓參考芯片。它采用了AD公司的溫漂曲率修正專利技術(shù)，可以使其電壓對溫度的非線性達到最小。二者的具體連接如圖2所示。
圖2所示的連接方式使AD7846工作在雙極性輸出狀態(tài)下。AD434為D/A提供+4.096V的參考電平，D/A根據(jù)此電平經(jīng)過雙極十六位線性分解，所得的最低可調(diào)電壓為4.096V/2 15=125μV。具體的編碼表如表1所列。
表1 AD7846編碼表
| DAC鎖存器中的二進制數(shù) | 模擬輸出VOUT/V |
| 1111 1111 1111 1111 | +4.096C(32767/32768)=+4.095875 |
| 1000 0000 0000 1000 | +1.096V(8/32768)=+0.001 |
| 1000 0000 0000 0001 | +4.096V(1/32768)=+0.000125 |
| 1000 0000 0000 0000 | +4.096V(0/32768)=0 |
| 0111 1111 1111 1111 | -4.096V(1/32768)=-0.000125 |
| 0000 0000 0000 0000 | -4.096V(32768/32768)=-4.096 |
4 邏輯控制及軟件實現(xiàn)
本文使用CPLD作為DSP控制D/A映射在DSP的I/O口，地址為4000H～7FFFH。AD7846一共有4根控制線，它們組成的控制邏輯如表2所列。
表2 AD7846控制邏輯真值表
| CS | R/W | LDAC | CLR | 功 能 |
| 1 | X | X | X | 使DAC的I/O鎖存器呈高阻態(tài) |
| 0 | 0 | X | X | 數(shù)據(jù)（DB1～5DB0）裝入I/O鎖存器 |
| 0 | 1 | X | X | I/O鎖存器中的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)線上 |
| X | X | 0 | 1 | I/O鎖存器中的數(shù)據(jù)裝入DAC鎖存器 |
| X | 0 | X | 0 | DAC鎖存器裝入數(shù)據(jù)000...000 |
| X | 1 | X | 0 | DAC鎖存器裝入數(shù)據(jù)100...000 |
CPLD中燒入的邏輯圖如圖3所示。
對于波形的產(chǎn)生，通常有兩種方法。一種方法為使用算法計算輸出波形某點的幅度編碼值（如正弦波可通過泰勒級數(shù)展開得到），這種方法可直接精確地計算出每個角度的波形值，所占用的存儲空間小，但對于任意波形的輸出，所需的算法較為復雜，系統(tǒng)實時性也會受到影響。另一種方法為查表法，該方法可能需要占用較大的存儲空間，但軟件控制卻非常方便，實時性也更高。采用查表法的軟件控制可由如下代碼實現(xiàn)。
.mmregs
.global main
main:nop
ori:stm #SINtable,ar2 ;將數(shù)據(jù)表頭地址送入ar2
ld #13H,a ；循環(huán)輸出20個樣點值
JUMP：portw *ar2+,4000h ;AD4846被配置在I/O口的4000H～7FFFFH處
Rpt #1fffh ;改變rpt的值可以改變正弦波的頻率
Nop
Sub #1d,a
Bc JUMP,aneq
bori
SINtable ;正弦波幅度編碼表
.word 7FFFH .word 0A78DH .word 0CB3CH .word 0EF8DH
.word 0F9BCH .word 0FFFFH .word 0F9BCH .word 0E78DH
.word 0cB3CH .word 0A78DH .word 8000H .word 5872H
.word 34C3H .word 1872H .word 0643H .word 0000H
.word 0643H .word 1872H .word 34C3H .word 5872H
.end
該段程序可使AD7846輸出標準正弦波，幅度范圍為4.096V，頻率可通過改變rpt的值加以調(diào)節(jié)。若提供大量采樣點，可使其實時輸出高精度的任意波形。當然，利用DSP強大的運算處理能力，也可用軟件計算出所需波形的各點采樣值，這樣可以節(jié)省存儲空間，降低系統(tǒng)硬件成本。
結(jié)語
本系統(tǒng)已經(jīng)過實際測量，系統(tǒng)各部分工作正常，AD7846可精確穩(wěn)定地輸出所需波形。該方案不僅達到了很高的精度與系統(tǒng)實時性，還具有控制靈活方便等特點，是一種很好的波形發(fā)生器。
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