100MHz可編程數(shù)字信號(hào)發(fā)生器

摘 要： 介紹一種基于ISA總線的可編程數(shù)字信號(hào)發(fā)生器，其特點(diǎn)是：工作時(shí)鐘100MHz，用可編程邏輯器件EPLD作為核心元件，信號(hào)輸出多達(dá)16路，用LabWindjows/CVI軟件設(shè)計(jì)的PC機(jī)虛擬儀器面板，界面友好，操作方便。并給出了硬件原理框圖。

關(guān)鍵詞： ISA總線 可編程 數(shù)字信號(hào)發(fā)生器 虛擬儀器

在通訊、電子、自動(dòng)控制中，經(jīng)常需要非周期的、能精確定時(shí)的數(shù)字信號(hào)，用以產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)或模擬控制的時(shí)序。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的可程控信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)頻率較低（幾kHz～幾MHz）、輸出路數(shù)較少（一般為兩、三路）且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不方便，難以滿(mǎn)足現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的需要。

為此，我們開(kāi)發(fā)了一種各路輸出的波形可獨(dú)立地任意編輯、最小輸出方波步長(zhǎng)為10ns、信號(hào)輸出多達(dá)16路、每路信號(hào)基長(zhǎng)為256K單元的可編程數(shù)字信號(hào)發(fā)生器。該儀器的核心元件為ALTERA公司的EPLD，以ISA總線插卡插入計(jì)算機(jī)，工作時(shí)鐘頻率為100MHz。用LabWindjows/CV軟件設(shè)計(jì)了虛擬儀器面板，界面友好，操作方便。該儀器已在中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京化學(xué)研究所等多家實(shí)驗(yàn)室廣為應(yīng)用，效果很好。

１ 系統(tǒng)原理

在PC機(jī)上將編輯好的16路波形數(shù)據(jù)通過(guò)ISA總線寫(xiě)入高速靜態(tài)RAM。電路首先要對(duì)ISA總線的I/O口地址以及讀寫(xiě)控制等進(jìn)行譯碼，再驅(qū)動(dòng)一個(gè)18位的地址發(fā)生器（計(jì)數(shù)器）尋址256K×16bit RAM。PC機(jī)將寫(xiě)入的數(shù)據(jù)讀回比較，若正確則允許觸發(fā)輸出信號(hào)（可以軟件觸發(fā)、外加脈沖觸發(fā)、手動(dòng)按鈕觸發(fā)）。 輸出的信號(hào)首先要經(jīng)過(guò)74F574鎖存，再經(jīng)過(guò)74F245驅(qū)動(dòng)輸出，輸出為T(mén)TL電平，每路最大驅(qū)動(dòng)電流為64mA。256K RAM內(nèi)容可單次觸發(fā)輸出完停止，也可循環(huán)多次輸出，并且?guī)в杏|發(fā)指示燈LED。

譯碼、地址發(fā)生器、片選及各種控制邏輯都在一片ALTERA的EPM7128SLC84-7片內(nèi)實(shí)現(xiàn)。這比用分立元件可靠性大為提高，尤其在100MHz 時(shí)鐘頻率下，信號(hào)質(zhì)量明顯改善。EPM7128SLC84-7片內(nèi)可編程邏輯門(mén)有2500個(gè)，宏單元有128個(gè)，可用I/O片腳為68個(gè)。支持在線編程ISP(in-system programmability),不用將芯片拔下重新燒錄，通過(guò)PC機(jī)標(biāo)準(zhǔn)串行口即可將編譯好的邏輯數(shù)據(jù)文件燒錄進(jìn)片內(nèi)，方便邏輯調(diào)試。開(kāi)發(fā)工具軟件為Altera`s MAX+PLUS II，該軟件是基于WINDOWS，具有邏輯編輯、編譯、功能仿真、時(shí)序仿真、時(shí)序分析等功能。

本系統(tǒng)采用了16片ISSI公司的高速靜態(tài)RAM ：IS61C256AH-8(32K×8bit)地址建立時(shí)間(address access)為8ns，數(shù)據(jù)保持時(shí)間(data hold time) 為2ns, 片選建立時(shí)間(CE access time)為8ns。

PC機(jī)I/O口地址可以在電路板上靈活設(shè)置以避免與別的I/O設(shè)備地址沖突，設(shè)置范圍為0320H～033FH。

系統(tǒng)硬件原理示意框圖見(jiàn)圖１。

２ 主要特點(diǎn)

2.2 波形任意

各路可以獨(dú)立編輯生成各種周期波和非周期波。步長(zhǎng)是由時(shí)鐘頻率決定的，固定為10ns,但周期波的周期、占空比可調(diào)，非周期方波寬度和間隔可調(diào)。都是可以以10ns的整數(shù)倍任意調(diào)制的。圖３示意幾種編輯生成的波形。

３ 技術(shù)難點(diǎn)

本系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率是100MHz，鎖存器的鎖存信號(hào)是100MHz 所有的數(shù)據(jù)線信號(hào)頻率是50MHz，最低位地址線信號(hào)頻率是50MHz。在這種高速電路設(shè)計(jì)中，必須要考慮信號(hào)的反射、串?dāng)_、衰減等因素，這是同普通低速電路不同的。為此，我們采用了以下的措施：

· 為防止信號(hào)串?dāng)_及保證傳輸線阻抗均勻（終端阻抗匹配技術(shù)只對(duì)均勻阻抗有效），采用了四層電路板結(jié)構(gòu)，中間兩層是電源層和地層，上下兩層是信號(hào)層。

· 為防止信號(hào)反射，對(duì)高速信號(hào)線（50MHz以上）都采用了阻抗匹配技術(shù)。對(duì)100MHz信號(hào)線還采用了偽同軸電纜技術(shù)。

· 由于本系統(tǒng)是采用了16片RAM，地址線及數(shù)據(jù)線的驅(qū)動(dòng)問(wèn)題就顯得非常突出。為此，將16片RAM分為四組，地址線每組由兩片74F245驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)線每組由一片74F245驅(qū)動(dòng)。18位地址線的低15位用來(lái)直接尋址RAM，最高3位地址線經(jīng)138譯碼邏輯來(lái)產(chǎn)生片選信號(hào)。

· IS61C256AH-8的地址建立時(shí)間是8ns，數(shù)據(jù)保持時(shí)間是2ns。雖然從原理上講有4ns的時(shí)間范圍可供鎖存數(shù)據(jù)，但由于地址驅(qū)動(dòng)芯片74F245的傳輸延遲時(shí)間(propagation time)范圍較大(1.5~6.5ns)，雖經(jīng)篩選但實(shí)測(cè)有效鎖存數(shù)據(jù)時(shí)間范圍仍不到2ns。這就要求精確調(diào)整鎖存器74F574的鎖存時(shí)序。當(dāng)然，為確保片選、使能、讀寫(xiě)正確也要仔細(xì)調(diào)整各時(shí)序。

· 在邏輯設(shè)計(jì)時(shí)，為確保第一和最后一個(gè)波形正確而采取了一些特殊措施。因?yàn)锳LTERAEMP7128SLC-7的邏輯門(mén)延時(shí)為7.5ns，對(duì)于信號(hào)輸出完即停止方式，為確保第一個(gè)波形正確必須提前一個(gè)周期啟動(dòng)地址發(fā)生器，為確保最后一個(gè)波形正確必須提前一個(gè)周期關(guān)閉地址發(fā)生器。所有時(shí)序調(diào)整主要是在EPLD片內(nèi)完成，用Altera`s MAX+PLUS II的時(shí)序仿真來(lái)確定。

４ 虛擬儀器軟件實(shí)現(xiàn)

所謂虛擬儀器就是用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)以往通用儀器才能完成的功能。現(xiàn)在有很多工具軟件可以用來(lái)設(shè)計(jì)虛擬儀器。本系統(tǒng)采用美國(guó)國(guó)家儀器公司提供的LabWindjows/CV工具軟件設(shè)計(jì)。該軟件采用可視化編程，各種常用儀器面板庫(kù)功能強(qiáng)大，還可以直接調(diào)用ANSI C、VISUAL C等標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)函數(shù)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜算法。

本虛擬儀器操作面板主要包括：I/O口地址選擇、波形編輯、波形輸入、觸發(fā)輸出、波形顯示、復(fù)位、退出等。

波形編輯：對(duì)256K個(gè)單元定義波形不可能逐一定義，本軟面板采用解析式來(lái)方便波形編輯?？梢詫?duì)單個(gè)通道單獨(dú)編輯，也可以對(duì)16個(gè)通道統(tǒng)一編輯（16個(gè)通道波形相同）。每個(gè)通道的波形定義都以文件保存。波形定義分為規(guī)則波形和不規(guī)則波形兩種。

規(guī)則波形定義：只需指定 起始點(diǎn)，終止點(diǎn)，高電平個(gè)數(shù)、低電平個(gè)數(shù)?？梢詫?56K分為若干段分別定義為不同的規(guī)則波，也可以將256K定義為單一規(guī)則波。

例：ch_def1.dat ；通道１波形定義文件

g ；規(guī)則波形標(biāo)志符

1 ；1表示首先是高電平，接著是

低電平；0 則相反

2,100,1,1 ；表示第2～100范圍，由若

干個(gè)１個(gè)高電平（每個(gè)10ns）

；和１個(gè)低電平每個(gè)10ns組成；

即：1H1L1H1L1H1L．．．．．．

101,2000,1,3 ；表示第101～2000范圍，由若干

個(gè)１個(gè)高電平（每個(gè)10ns）

；和３個(gè)低電平每個(gè)10ns組成

；即：1H3L1H3L1H3L．．．．．．

；其余全是低電平。

不規(guī)則波形定義：只需指定 高電平（或低電平），起始點(diǎn)，終止點(diǎn)。

例：ch_def2.dat ；通道２波形定義文件

U ；不規(guī)則波形標(biāo)志符

1 ；１表示是高電平；０ 則相反

5,6 ；表示第５～６范圍，全是高電平。

200,202; 表示第200～202范圍，全是高電平。

；其余全是低電平。

波形顯示：可以在計(jì)算機(jī)顯示器上預(yù)覽16個(gè)通道的波形。這樣，可以直觀地檢驗(yàn)用解析式編輯的波形是否滿(mǎn)足要求。

總之，設(shè)計(jì)一個(gè)工作時(shí)鐘100MHz、16路輸出信號(hào)、每路信號(hào)基長(zhǎng)256K單元、波形編輯方便的可編程數(shù)字信號(hào)發(fā)生器還是有一定的技術(shù)難度的。本信號(hào)發(fā)生器的輸出信號(hào)用400MHz示波器觀察，波形正確無(wú)誤。經(jīng)采用終端阻抗匹配技術(shù)后，信號(hào)反射（上沖、下沖）均小于5%。事實(shí)證明，該儀器的軟硬件設(shè)計(jì)是成功的。100MHz可編程數(shù)字信號(hào)發(fā)生器在電子、通訊等各個(gè)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，尤其是在需要非周期的、能精確定時(shí)的數(shù)字信號(hào)，用以產(chǎn)生測(cè)試信號(hào)或模擬控制的時(shí)序等場(chǎng)合。