波形发生器设计，单片机、CPLD控制的任意波形发生器设计实例

波形发生器有多种类型，任意波形发生器便是其中一种。对于任意波形发生器，本文中，讲为大家讲解采用单片机和CPLD控制的任意波形发生器的设计。

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。

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。

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

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

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。

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;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。

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。

图3 D/A转换电路

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。根据实际需要，可产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形，可以产生线性调频信号(LFM)，单频脉冲信号(CW)，余弦包络信号以及他们之间的组合信号等多种波形参数;满足了工程需要。该任意波形发生器已应用于在研项目“水中运动目标轨迹测量”中，效果良好。

单片机还可以这么玩：制作波形发生器

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一．波形发生器的技术指标

1. 波形：方波，正弦波，三角波，锯齿波；

2. 幅值电压：1v，2v，3v,4v,5v;

3. 频率：10hz,20hz,50hz,100hz,200hz,500hz,1khz;

4. 输出极性；双极。

二．硬件组成

由单片机，键盘/显示接口电路，波形转换（D\A）电路和电源等四部分组成。

1.单片机电路

功能：形成扫描码、键值识别、键处理、参数设置；形成波形的数字编码，并输出到D\A接口电路。

电路如图。89 C51的P0、P2口作为扩展I\O口，与8155、0832、74 LS373相连接，可寻址片外的寄存器。单片机采用存储器映象方式寻址外设，外部接口芯片与内部存储器统一编址，P0（分时复用）和P2提供16位地址线。P1口接16键的矩阵键盘。用T0定时/计数器作为中断源。用来控制显示程序的扫描时间

2．键盘/显示电路

功能：驱动6位数码管动态显示，扫描键盘。

由并口扩展芯片8155、74 LS244、同相驱动器7407、6位共阴极数码管和4×4键盘等组成。

89s52的p1口作键盘接口，8155的A口作为数码管的段选口，与74 LS244相连，c口作为位选口，与7407相连接。8155的寄存器地址如下：控制口与7FF8H、A口7FFF9H、B口7FFAH、C口7FFBH。

3．D/A电路

功能：将波形样值的编码转换成模拟值；完成单极性向双极性的波形输出。

由两片0832和一块LM 324运放组成。0832（1）提供参考电压，单片机向0832（1）送数字编码，产生不同的输出。本波形发生器可输出1v，2v，3v,4v,5v等5个电压，作为0832（2）的参考电压。因此，0832（2）输出波形信号时，其幅度是可调的。0832（2）用于产生各种波形，生成波形样值编码，经D/A转换得到波形的模拟样值点。假如N个点构成波形的一个周期，则0832（2）输出N个样值点后，样值点形成运动轨迹，即一个周期。重复输出N个点，成为第二个周期。

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