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 <reg51.h>#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12MHzuchar TH_0,TL_0,flag1,flag=0;uint FREQ=100,num;float temp;uchar code sin_num[]={0,0,0,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,2,2,2,2,3,3,4,4,4,5,5,6,6,7,7,8,8,9,9,10,10,11,12,12,13,14,15,15,16,17,18,18,19,20,21,22,23,24,25,25,26,27,28,29,30,31,32,34,35,36,37,38,39,40,41,42,44,45,46,47,49,50,51,52,54,55,56,57,59,60,61,63,64,66,67,68,70,71,73,74,75,77,78,80,81,83,84,86,87,89,90,92,93,95,96,98,99,101,102,104,106,107,109,110,112,113,115,116,118,120,121,123,124,126,128,129,131,132,134,135,137,139,140,142,143,145,146,148,149,151,153,154,156,157,159,160,162,163,165,166,168,169,171,172,174,175,177,178,180,181,182,184,185,187,188,189,191,192,194,195,196,198,199,200,201,203,204,205,206,208,209,210,211,213,214,215,216,217,218, 219,220,221,223,224,225,226,227,228,229,230,230,231,232,233,234, 235,236,237,237,238,239,240,240,241,242,243,243,244,245,245,246, 246,247,247,248,248,249,250,250,251,251,251,252,252,253,253,253, 253,254,254,254,254,254,254,255,255,255,255,255,255,255,255,255}; /************端口设置*********/sbit cs=P3^6;sbit change=P3^2;/************延时1m s*********/void delay(uint z){uint x,y;for(x=z;x>0;x--)for(y=110;y>0;y--);}/************初始化函数*********/void init(){TMOD=0X01; //设定工作模式1temp=ALL-Fosc/12.0/256/FREQ; //定时器初值计算TH_0=(uint)temp/256;TL_0=(uint)temp%256;EA=1; //开总中断EX0=1; //开外部中断IT0=1; //设定下降沿有效工作方式ET0=1; //设定定时器工作在定时方式TR0=1; //开定时器中断}/************切换波形函数*********/void changefreq(void){if(change==0){flag++;if(flag==4) {flag=0;num=0;}}TH_0=(uint)temp/256;TL_0=(uint)temp%256;}/************三角波函数*********/void sanjiaobo(void){for(num=0;num<255;num++){cs=0;DAC0832=num;cs=1;}for(num=255;num>0;--num){cs=0;DAC0832=num;cs=1;}}/************方波函数*********/void fangbo(void){cs=0;DAC0832=0xff;cs=1;for(num=0;num<255;num++);cs=0;DAC0832=0x00;cs=1;for(num=255;num>0;num--);}/************锯齿函数*********/void juchibo(void){cs=0;DAC0832=++num;cs=1;}/************正弦函数*********/void zhengxianbo(void){for(num=0;num<255;num++){cs=0;DAC0832=sin_num[num];cs=1;}for(num=255;num>0;num--){cs=0;DAC0832=sin_num[num];cs=1;} }/************外部中断服务函数*********/ void ext0()interrupt 0{changefreq(); //引用频率改变函数}/************定时器中断函数*********/ void timer0()interrupt 1{TH0=TH_0;TL0=TL_0; //重新装初值TR0=0;switch(flag){case 0:{sanjiaobo();TR0=1;break;}case 1:{fangbo();TR0=1;break;}case 2:{juchibo();TR0=1;break;}case 3:{zhengxianbo();TR0=1;break;}default:;}}/************主函数*********/void main(){init();while(1);}结语采用上述方法设计的任意波形发生器，通过软件和硬件结合，充分发挥MATLAB强大的仿真功能，尽可能的减少了硬件开销。