用CPLD和单片机设计任意波形发生器

基于单片机频率计的设计

说明书

开封大学参赛成员：郭东卫王超参赛指导教师：杨志帮侯静

基于单片机频率计的设计

指导老师-杨志帮、侯静

核心器件: AT89C52 74HC163

在电子工程设计与测试中，常常需要一些复杂的、具有特殊要求的信号，要求其波形可任意产生，频率方便可调。通常的信号产生器难以满足要求，市场上出售的任意信号产生器价格昂贵。结合实际需要，我们设计了一种任意波形发生器。电路设计中充分利用MATLAB的仿真功能，将希望得到的波形信号在MATLAB中完成信号的产生、抽样和模数转换，并将得到的数字波形数据存放在数据存储器中，通过单片机和CPLD控制，将波形数据读出，送入后向通道进行A/D转换和放大处理后得到所需的模拟信号波形。利用上述方法设计的任意波形发生器，信号产生灵活方便、功能扩展灵活、信号参数可调，实现了硬件电路的软件化设计。具有电路结构简单、实用性强、成本低廉等优点。

一、系统框图

任意波形发生器的设计思想，是利用MATLAB的强大仿真功能，方便、快捷的生成给定频率、周期、脉宽的任意波形数据；并将数据预存在数据存储器中。在单片机控制下，利用CPLD电路产生地址读出数据，送入D/A转换电路，得到所需的任意波形信号。系统结构框图如图1；图中分频电路和地址发生器由CPLD实现。

图1 系统框图

二、电路设计及实现

单片机控制电路

单片机采用AT89C52芯片，通过软件编程产生所要求的控制信号。主要的控制参数包括：信号周期、脉宽；分频电路的开始信号、地址发生器的复位信号；E2PROM的选通信号；D/A转换电路的选通信号。在具体电路中，端口P1.0控制分频电路的启动、P1.1控制地址发生器的清零，P2.0控制28C256和AD7545的选通信号。单片机工作在定时器0方式，软件设计利用C语言实现。流程图如图2所示。

图2 软件流程图

三、波形数据生成

MATLAB作为一款优秀的数学工具软件，具有强大的运算功能；可以方便的产生各种信号波形，在软件中实现波形信号的产生、抽样和模数转换。设计的任意波形发生器，数据存储器选用28C256芯片，信号波形通过MATLAB仿真产生；得到的波形数据存放在数据存储器28C256中。具体设计中，我们要求产生周期为200ms，脉宽为5ms的单/调频混合信号，其中单频信号的脉宽为4ms，频率为30KHz；调频信号的脉宽为1ms，频率为30KHz_35KHz。在MATLAB中设定抽样率为500KHz,得到了2500个波形数据。这些混合波形数据在烧录入数据存储器的过程中，由于波形数据较多，直接用手工录入数据存储器中不仅费时且容易出错。为克服这一弊端，通过MATLAB编程的方法将产生的波形数据按照HEX文件的INTEL格式存放,然后将这些波形数据整批次烧录入数据存储器中。采用上述方法，波形数据生成简单，快捷；可根据需要在软件程序中方便地修改信号参数；无需改动硬件电路即可实现信号参数的功能扩展。

四、CPLD逻辑设计

分频电路采用两片74HC163实现。通过分频电路，将12MHz的晶振标准频率分频后，得到500KHz的抽样频率，作为地址发生器的时钟。分频电路的工作由单片机控制。地址发生器电路由3片74HC163组成，时钟频率为500KHz，有分频电路提供；和预存的波形数据抽样频率相一致，以实现数据的无失真读出。

电路设计中，采用ALTRA公司的EPM7128AETC100－10芯片，在MAX+PLUSⅡ开发环境中完成分频缏泛偷刂贩⑸鞯缏返纳杓啤；贑PLD的电路设计，可以省去大部分的中小规模集成电路和分离元件；使得电路具有集成度高、工作速度快、编程方便、价格低廉的显著优点。通过CPLD和数据预生成的信号实现方法，无需改变硬件电路，即可实现信号参数的任意调整；同时外围电路十分简单，为工程调试和应用带来了方便。

五、D/A转换电路

D/A转换电路的实现如图3所示。电路中，AD7545将波形数据转换为模拟信号；LF353进行信号滤波和整形。

根据项目要求，要实现输出波形程序设计主要解决按键控制输出三角波、方波、锯齿波和正弦波的问题。

按键控制：根据设计要求和按键控制输出波形的变化，程序应设计不断查询检测按键的状态，以便输出对应的波形。对于要通过一个按键来识别每种不同的功能，我们给每个不同的功能模块设置ID号进行标识，这样每按一次键，ID的值就不一样。因此，我们不同的波形用flag标识：当flag=0时，输出三角波；当flag=1时，输出方波；当flag=2时，输出锯齿波；当flag=3时，输出正弦波。我们规定，每次按下K键，分别给出不同的flag值就能实现任务。

输出模拟电压：由于DAC0832和单片机AT89C51采用直通方式，因此只要往数据输入端送数字量，从后面的运放输出端就可得到模拟电压。输出的电压根据公式计算到。由此在需要输出某个电压值时，求出对应的数字值，通过P2口输出，就可以得到所需的模拟电压。为了方便编程我们将DAC0832的输出封装为一个子函数，用形参表示待输出的数值。程序中用4个子函数分别表示产生不同的波形，程序设计的流程图如图所示

图简易波形发生器程序流程图

根据程序流程图，写出单片机C语言程序清单：

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

#define DAC0832 P2 // 将DAC0832定义为P2口

#define ALL 65536 // 将ALL定义为65536

#define Fosc 12000000 // 频率为12MHz

uchar TH_0,TL_0,flag1,flag=0;

uint FREQ=100,num;

float temp;

uchar code sin_num[]={0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,2,2,2,2,3,3,4,4,4,

5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,12,12,13,14,15,15,16,17,18,18,19,20,

21,22,23,24,25,25,26,27,28,29,30,31,32,34,35,36,37,38,39,40,41,42,

44,45,46,47,49,50,51,52,54,55,56,57,59,60,61,63,64,66,67,68,70,71,

73,74,75,77,78,80,81,83,84,86,87,89,90,92,93,95,96,98,99,101,102,

104,106,107,109,110,112,113,115,116,118,120,121,123,124,126,128,

129,131,132,134,135,137,139,140,142,143,145,146,148,149,151,153,

154,156,157,159,160,162,163,165,166,168,169,171,172,174,175,177,

178,180,181,182,184,185,187,188,189,191,192,194,195,196,198,199,