CPLD DDS正交信號源濾波器

桂林電子科技大學 韓劍 李德明 馮雪

1 引言

由于傳統的多波形函數信號發生器需采用大量分離元件才能實現，且設計復雜，這里提出一種基于CPLD的多波形函數信號發生器。它采用CPLD作為函數信號發生器的處理器，以單片機和CPLD為核心，輔以必要的模擬和數字電路，構成的基于DDS(直接數字頻率合成)技術、波形穩定、精度較高的多功能函數信號發生器。

2 系統設計

圖1給出系統設計框圖，該系統設計主要由CPLD電路、單片機電路、鍵盤輸入液晶顯示輸出電路以及D/A轉換電路和低通濾波器等電路組成。

2.1 頻率合成器

該系統設計采用直接數字式頻率合成DDS(Direct Digital Frequency Synthesis)技術，采用ROM存儲所需的量化數據，按照不同頻率求出頻率控制字。以K為步進對相位累加器進行累加，每累加一次，取出累加器的高8 位數據送至ROM，ROM根據不同的地址取出不同的數據送TLC7524進行轉換。再經過濾波即可得到所需要波形。由于DDS具有相對帶寬很寬，頻率轉換時間極短，頻率分辨率高等優點。此外，全數字化結構便于集成，輸出相位連續，頻率，相位和幅度均可實現程控。

2.2 幅度控制模塊

幅度控制模塊由DAC0832控制，利用其內部電阻分壓網絡，將其作為數控電位器。將 TLC7524的輸出波形作為DAC0832的基準電壓源輸入，其輸出波形為V=(N/256)×Vin,其中N為單片機輸入的幅度控制字。通過一簡單的電阻分壓網絡調整運放輸出峰一峰值為0～5 V，再送至DAC0832由單片機控制其幅度實現幅度的步進，如圖2所示。

2.3 后級處理模塊

采用二階巴特沃茲低通濾波器。巴特沃茲低通濾波器的幅度函數是單調下降的，由于n階低通巴特沃茲低通濾波器的前(2n-1)階導數在ω=0處為零，所以巴特沃茲低通濾波器也稱最大平坦幅度濾波器。由于該設計要求濾除的頻率分量主要為由D/A轉換器產生的高頻分量，與系統所要求保留的頻率相差很遠，所以濾波器在通頻帶內的平坦程度比其衰減陡度更為重要，而且巴特沃茲低通濾波器所要的元件值合乎實際情況，不像其他濾波器要求元件值那么苛刻。

3 硬件電路系統設計

3.1 總體設計思路

整個系統以CPLD(EPM7128)、AT89S51、AT28C64(EEP-ROM)為核心。CPLD通過相位累加產生讀取ROM的地址。以單片機為系統控制的核心，主要功能：給CPLD送頻率控制字，即相位累加器的累加值，以此控制頻率;給D/A轉換器送幅度控制字D，控制波形幅度;處理紅外遙控鍵盤;送數據給液晶LCD。EEPROM存儲已固化好波形的數據。

3.2 CPLD模塊

該模塊通過一個4引腳的工業標準 JTAG接口在系統編程(ISP)，并且在編程過程中僅需5.0 V單電壓供電。編程過程中，I/O引腳處于三態并被上拉，以消除板上沖突。上拉阻值為1 kΩ。因為該器件是在線編程的，為了便于調試，所以把下載口直接做在電路板上。考慮到電源為自制的穩壓電源，CPLD受電源紋波干擾影響較大，所以在每個器件旁都加有去耦電容。

3.3 D/A轉換及幅度控制

D/A轉換采用TI公司的TLC7524，該器件轉換速度可達10 M，幅度控制D/A轉換采用MAX518，該器件是I2C總線的雙D/A轉換器，只需很少的端口線就可實現兩路幅度的控制，大大節省單片機的端口。圖3給出D/A轉換電路。

3.4 后級處理模塊

低通濾波器對階梯正弦波進行傅里葉分析。其中若一周期采樣點數為N，則其高次諧波能量主要集中在輸出頻率的(N±1)倍頻上，其幅值為基頻的 1/(N±1)。低通濾波可以平滑其臺階。另外還需濾除由DAC0832和TCL7524產生的1MHz和10 MHz的高頻分量。因此根據設計的要求(輸出最大頻率為250 kHz，為了保證250 kHz頻帶內輸出幅度平坦，又要盡可能抑制諧波和高頻分量，綜合考慮選用寬帶運放LF351，用EWB仿真表明：截止頻率為1 MHz～250 kHz以內幅度平坦。為了保證穩幅輸出，選用AD817。該器件是一種低功耗、高速、寬帶運算放大器，具有很強的大電流驅動能力。實際電路測量表明：當負載為100 Ω，輸出峰-峰值為10 V時，其帶寬大于500 kHz，幅度變化小于±1%。

4 軟件設計

4.1 波形發生

在 CPLD內設置25位相位累加器，高9位為ROM地址，低16 位為產生精確的讀ROM的點與點之間的時間間隔而設置的累加寄存器，即：單片機送一頻率控制字，由低16位寄存器每個時鐘都累加這個值，累加到低16位溢出，然后ROM的地址加1。ROM內的每個地址的數據表示當前波形的幅度，然后連續讀出數據并被平滑濾波后得出平滑、穩定的波形。波形產生流程如圖4所示。

4.2 幅度控制

系統的幅度控制由MAX518完成，利用其內部電阻網絡實現數字電位器功能，輸出電壓作為TLC7524的基準電壓。圖5為幅度控制流程。

5 電路系統調試與參數測試

調試與測試所用儀器PC機、雙蹤模擬示波器YUAN-LONG、SS7200通用智能計數器、DT9205三位半數字萬用表。在戶1 kHz步進為20 mV下，測試電壓幅度。表1為電壓幅度測試，表2為輸出頻率測試。

6 結論

基于單片機和CPLD的DDS正交信號源，其頻率幅度可精密控制，擴展輸出頻率達300 kHz，增加掃頻輸出功能。采用紅外鍵盤控制頻率和幅度，采用液晶同步顯示信號的頻率和幅度;輸出端產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，梯形波、短形波、頻率突變的方波、尖脈沖數字信號等，且具有掃頻輸出的功能。測試結果表明，系統穩定可靠，人機交互界面友好，操作簡單方便。