基于51單片機、EDA技術(shù)的波形發(fā)生器的設(shè)計

　　該波形發(fā)生器以單片機(MCS8031)為中心控制單元，由鍵盤輸入模塊、數(shù)碼管顯示模塊、D/A波形發(fā)生模塊、幅值調(diào)整模塊組成。采用DDFS技術(shù)，先將要求的波形數(shù)據(jù)存儲于EEPROM中，這樣可以保證掉電以后波形數(shù)據(jù)不丟失。

　　為了達到所要求的高速度，采用FPGA(ALTEAR 公司的 EPF10K10LC84-4, 晶振頻率可達 40MHz)來實現(xiàn)波形的發(fā)生，通過DDFS技術(shù)（直接數(shù)字頻率合成技術(shù)）、VHDL語言和單片機匯編語言編程技術(shù)的完美結(jié)合實現(xiàn)了對正弦波、方波和三角波三種波形的頻率、幅值的設(shè)置和發(fā)生。

　　隨著深亞微米半導體技術(shù)的進步，可編程邏輯器件及EDA技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)相當普及?；诳删幊踢壿嬈骷母哳l性質(zhì)和單片機強大的數(shù)據(jù)處理功能，二者結(jié)合的技術(shù)也有相當?shù)挠绊懥?。本設(shè)計中涉及到單片機匯編語言、VHDL語言的運用，充分地利用了二者的優(yōu)點，制作了一套波形發(fā)生系統(tǒng)。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　整體設(shè)計由三大模塊組成：單片機控制部分、可編程邏輯器件（FPGA）部分、模擬電路部分。其系統(tǒng)方框原理圖如下所示：

波形發(fā)生采用DDS技術(shù)，可以很方便地產(chǎn)生各種高質(zhì)量的波形，DDS的基本原理是：先將要產(chǎn)生的波形數(shù)據(jù)存入波形發(fā)生器，然后通過改變參考脈沖的頻率，將波形數(shù)據(jù)傳送給D／A轉(zhuǎn)換器，濾波處理后便可以輸出光滑的合成波形。為了提高所產(chǎn)生的波形頻率，采用高頻率特性的FPGA（ALTERA公司的 EPF10K10LC84－4），后級電路采用有較高的轉(zhuǎn)換速度的DAC0832作為D/A轉(zhuǎn)換。

　　1.1 單片機部分

　　在設(shè)計中，采用MCS8031為處理器，P2.7作為8279的片選端，P2.6作為FPGA的片選端， P2.5為DAC0832（a）的片選端。P0口作為三者的低8位地址和數(shù)據(jù)線。單片機控制DAC0832（a），使其輸出為0～5V可變電壓，作為 DAC0832（b）的參考電壓，于是可控制輸出波形的幅值。由于采用7位數(shù)據(jù)控制，精度可達到0.039V。

　　1.2 FPGA模塊

　　設(shè)計中我使用了ALTRA公司的MAXPLUSⅡ 10.0系統(tǒng)，采用原理圖和VHDL語言編程相結(jié)合的形式，充分地發(fā)揮了FPGA的高速和現(xiàn)場可編程的能力。

　　在FPGA中通過編程片內(nèi)實現(xiàn)比例乘法器（cc14527），在單片機的控制下，F(xiàn)PGA接收單片機傳送過來的用戶要求的波形數(shù)據(jù)及其頻率數(shù)據(jù),并送到比例乘法器以產(chǎn)生所需要的輸出頻率值。頂層圖如下：

其中：P20作為FPGA的片選端，低電平有效，高電平時保持現(xiàn)有狀態(tài)，與單片機的P2.6相連。WR為FPGA的寫信號，與單片機的寫端口相連。當P20為低電平時，單片機可向FPGA寫數(shù)據(jù)，以達到傳送命令以及數(shù)據(jù)的目的。ALE為輸入信號，與單片機的ALE信號相連，用于FPGA片內(nèi)鎖存地址，配合WR信號進行單片機與FPGA的通訊。P0［7..0］共8條數(shù)據(jù)線，為單片機P0口的接口，用于地址和數(shù)據(jù)的傳送。CLK為FPGA的基準頻率（16MHz）。WR0832用于控制DAC0832（b），與其WR端相連，在其下跳沿時DAC0832（b）可以取到存儲器中相應(yīng)給定地址的數(shù)據(jù)。 CE：用于控制EEPROM28C64，與其片選端CE相連。CE1用于控制DAC0832（b），與其片選端CE相連。ADDRESS［9..0］為 EEPROM28C64的地址信號，用于取址。

　　EEPROM28C64中存有波形數(shù)據(jù)，單片機通過控制FPGA使其輸出的頻率為用戶所需頻率的128倍，用于控制EEPROM28C64的輸出值的頻率，于是DAC0832（b）的輸出波形頻率也相應(yīng)地改變。在FPGA內(nèi)主要完成比例乘法器的功能，用于頻率的控制。

　　單片機與FPGA通訊接口原理如下圖所示：

其中：SEL信號，用于控制波形的形狀，共有三種波形（正弦波、方波、三角波）。Q0［3..0］～Q5［3..0］用于6級級聯(lián)比例乘法器的置數(shù)輸入。ST為級聯(lián)比例乘法器的片選端，低有效。

　　FPGA片內(nèi)實現(xiàn)寄存器，可對單片機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和命令進行寄存，具體如下：

　　⑴命令寄存器

　　入口地址：FFH 命令字：FFH（ST有效），00H（ST無效）
入口地址：00H 命令字：E0H（顯示正弦波，sel為00），E1H（顯示方波，sel為01），E2H（顯示三角波，sel為10）。

　?、?數(shù)據(jù)寄存器

　　入口地址：01H，02H，03H分別存儲單片機傳送的6位10進制數(shù)。這些數(shù)據(jù)是用戶要求的頻率數(shù)通過單片機乘8處理后傳送過來的，為乘法器提供頻率數(shù)據(jù)。

　　FPGA對DAC0832及EEPROM28C64控制接口如下圖所示：

WR0832為DAC0832讀信號，下跳沿讀取數(shù)據(jù)。CE、CE1分別為DAC0832、EEPROM28C64片選端。ADDRESS[9..0]為 EEPROM28C64地址信號。ADDRESS[9..0]的高兩位為SEL[1..0]，時鐘信號CLK上升沿時ADDRESS[6..0]：自增 1，EEPROM28C64輸出相應(yīng)的波形數(shù)據(jù)。同時CLK下降沿時，DAC0832讀取波形數(shù)據(jù)。

　　3 模擬部分

　　DAC0832與單片機采用單緩沖方式接口電路，由于DAC0832內(nèi)部含有鎖存器，具有鎖存功能，所以不必通過373鎖存。DAC0832的模擬電壓輸出電路如下：

濾波部分采用帶通濾波，使低于1HZ的頻率信號和高于100KHZ的頻率信號被濾掉，增加波形的平滑度。