一種基于fpga的波形發(fā)生器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于FPGA的波形發(fā)生器，包括FPGA控制器、電子電位器、調(diào)壓電阻R和MAX038芯片；調(diào)壓電阻R的一端與電源VCC相連接，調(diào)壓電阻R的另一端與所述電子電位器的滑動端相連接，電子電位器的滑動端還與電子電位器的高電位端相連接，電子電位器的低電位端接地，電子電位器的滑動端與MAX038芯片的占空比調(diào)整端相連接，電子電位器的受控端與FPGA控制器的輸出口相連接；MAX038芯片的同步輸出端與FPGA控制器的輸入口相連接。本實用新型具有信號占空比選擇靈活，能產(chǎn)生具有各種占空比信號并且能實現(xiàn)組合波形輸出的優(yōu)點。
【專利說明】
一種基于FPGA的波形發(fā)生器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型涉及一種波形發(fā)生器，具體是一種基于FPGA實現(xiàn)組合波形輸出與波形 占空比選擇的波形發(fā)生器，屬于信號發(fā)生與控制技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 波形發(fā)生器能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形(常見的有正弦波、方波、三角 波、鋸齒波和脈沖波等)信號，頻率范圍可從微赫級到上百兆赫，在電子測量領(lǐng)域有著廣泛 的應(yīng)用。
[0003] 函數(shù)信號發(fā)生器芯片是常見的實現(xiàn)波形發(fā)生器的核心部件，如L8038，BA205等器 件應(yīng)用都非常廣泛，但是它們的功能較少，精度不高，頻率上限只有3000KHZ，無法產(chǎn)生更高 頻率的信號，套接方式也不夠靈活，頻率和占空比不能獨立調(diào)節(jié)，二者相互影響。
[0004] 美國Maxim公司生產(chǎn)的MAX038芯片逐漸得到更多的應(yīng)用，采用該芯片設(shè)計信號源 電路不但設(shè)計簡單，可以生成同一頻率信號的各種波形信號，而且能以最少的外部元件構(gòu) 成多波形信號發(fā)生器。
[0005] 但是現(xiàn)有技術(shù)中采用AX038芯片實現(xiàn)的波形發(fā)生器通常具有以下兩方面的缺陷：
[0006] (1)輸出信號占空比固定為50%，或者需要通過多個擋位開關(guān)實現(xiàn)手動調(diào)節(jié)： MAX038芯片7號引腳為占空比調(diào)整端，調(diào)整該端口電壓，即可實現(xiàn)輸出波形占空比15%~ 85%調(diào)整，現(xiàn)有技術(shù)中通常是通過多個撥碼開關(guān)實現(xiàn)MAX038芯片7號引腳電壓的選擇(通過 一個撥碼開關(guān)控制某具有特定電壓的電節(jié)點與MAX038芯片7號引腳的通斷），一個撥碼開關(guān) 對應(yīng)一個具有特定電壓的電節(jié)點，顯然這會導(dǎo)致電路復(fù)雜，并且由于不能設(shè)置太多的擋位 開關(guān)，因此信號占空比選擇有限，不能產(chǎn)生具有各種占空比的信號。
[0007] (2)通常采用單片機(jī)作為中央控制器件對MAX038芯片進(jìn)行控制，單片機(jī)基于軟件 程序?qū)崿F(xiàn)控制，雖然具有較大的靈活性，但是無法完成數(shù)字邏輯處理，因此往往需要配合外 圍的數(shù)字芯片實現(xiàn)數(shù)字邏輯運(yùn)算功能，例如:對于MAX038芯片，要實現(xiàn)輸出信號波形選擇的 話必須通過對第一波形選擇端(3腳）、第二波形選擇端(4腳)設(shè)置高低電平來實現(xiàn)，第一波 形選擇端和第二波形選擇端的信號為〇〇時，輸出矩形波;第一波形選擇端和第二波形選擇 端的信號為〇 1時，輸出正弦波;第一波形選擇端和第二波形選擇端的信號為10時候，輸出三 角波，第一波形選擇端和第二波形選擇端的信號為11時候，仍然輸出正弦波。基于以上原 因，如果需要實現(xiàn)組合波形輸出（例如前半周期為正弦波，后半周期為三角波），則必須對通 常由撥碼開關(guān)產(chǎn)生的第一波形選擇端和第二波形選擇端的信號進(jìn)行譯碼(因為兩位信號組 合情況只有4種），這一數(shù)字邏輯通常處理難以由單片實現(xiàn)，必須采用額外的專用譯碼電路 實現(xiàn)。 【實用新型內(nèi)容】
[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，本實用新型的目的是怎樣提供一種信號占空比選 擇靈活，能產(chǎn)生具有各種占空比信號;并且能實現(xiàn)組合波形輸出的波形發(fā)生器。
[0009] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用了以下的技術(shù)方案。
[0010] -種基于FPGA的波形發(fā)生器，其特征在于:包括FPGA控制器、電子電位器、調(diào)壓電 阻R和MAX038芯片；
[0011] 所述MAX038芯片具有第一波形選擇端、第二波形選擇端、占空比調(diào)整端、同步輸出 端和信號輸出端；
[0012] 所述調(diào)壓電阻R的一端與電源VCC相連接，所述調(diào)壓電阻R的另一端與所述電子電 位器的滑動端相連接，所述電子電位器的滑動端還與電子電位器的高電位端相連接，電子 電位器的低電位端接地，電子電位器的滑動端與MAX038芯片的占空比調(diào)整端相連接，電子 電位器的受控端與FPGA控制器的輸出口相連接；
[0013]所述MAX038芯片的同步輸出端與FPGA控制器的輸入口相連接；
[0014] 所述MAX038芯片的第一波形選擇端與FPGA控制器的輸出口相連接，所述MAX038芯 片的第二波形選擇端與FPGA控制器的輸出口相連接；
[0015] 第一波形選擇開關(guān)與FPGA控制器的輸入口相連接，第二波形選擇開關(guān)與FPGA控制 器的輸入口相連接。
[0016] 進(jìn)一步的，所述MAX038芯片的信號輸出端與放大濾波電路的輸入端相連接。
[0017] 相比現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型具有如下優(yōu)點：
[0018] (1)本實用新型中電子電位器構(gòu)成一個變阻器，該變阻器與調(diào)壓電阻R相串聯(lián)， FPGA控制器控制電子電位器的受控端，使得電子電位器的阻值得到數(shù)字化控制，從而根據(jù) 串聯(lián)分壓原理實現(xiàn)對電子電位器的滑動端電位的控制，最終實現(xiàn)MAX038芯片輸出信號的占 空比的數(shù)字化控制；綜上，本實用新型中FPGA控制器通過向電子電位器的受控端發(fā)送數(shù)字 信號即可調(diào)節(jié)信號源電路輸出信號的占空比，與現(xiàn)有技術(shù)中通過擋位開關(guān)選擇不同的 MAX038芯片占空比調(diào)整端電壓的現(xiàn)狀相比，本實用新型具有信號占空比選擇靈活，能產(chǎn)生 具有各種占空比信號的優(yōu)點。
[0019] (2)本實用新型中FPGA控制器利用其豐富的數(shù)字邏輯資源將第一波形選擇開關(guān)和 第二波形選擇開關(guān)產(chǎn)生的電平信號進(jìn)行譯碼處理，實現(xiàn)當(dāng)?shù)谝徊ㄐ芜x擇開關(guān)和第二波形選 擇開關(guān)發(fā)送信號11時，在前半周期內(nèi)向MAX038芯片的第一波形選擇端和第二波形選擇端發(fā) 送信號01，在后半周期內(nèi)發(fā)送信號10,從而實現(xiàn)正弦波與三角波的組合波形。因此本實用新 型具有能有效產(chǎn)生組合波形的優(yōu)點。
【附圖說明】
[0020] 圖1為本實用新型的電路結(jié)構(gòu)圖；
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本實用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0022] 如圖1所示，一種基于FPGA的波形發(fā)生器，包括單片機(jī)、電子電位器和MAX038芯片； [0023] MAX038芯片能精密地產(chǎn)生三角波、鋸齒波、矩形波(含方波）、正弦波信號。其主要 特點在于:頻率范圍從〇 . IHz~20MHz，最高可達(dá)40MHz，各種波形的輸出幅度均為2V (峰峰 值）；占空比調(diào)節(jié)范圍寬，占空比和頻率均可單獨調(diào)節(jié)，二者互不影響，占空比最大調(diào)節(jié)范圍 是15%~85%;波形失真小，正弦波失真度小于0.75%，占空比調(diào)節(jié)時非線性度低于2%;采 用±5V雙電源供電，允許有5%變化范圍，電源電流為80mA，典型功耗400mW，工作溫度范圍 為0~70°C。
[0024] MAX038芯片具有第一波形選擇端、第二波形選擇端、占空比調(diào)整端、同步輸出端和 信號輸出端;其中，MAX038芯片7號引腳為占空比調(diào)整端，調(diào)整該端口電壓，即可實現(xiàn)輸出波 形占空比15%~85%調(diào)整，當(dāng)該端口電壓為0時，輸出波形占空比為50%。
[0025] 電子電位器為X9313芯片，該電子電位器具有如下引腳："增加輸入引腳，"升 降輸入引腳"高電位端VH"，"低電位端VL"，"地端VSS"，"滑動端VW"和"片選輸入端 石"，其中"增加輸入引腳^ "，"升降輸入引腳@ "和"片選輸入端巧"為電子電位器的 受控端。
[0026] FPGA控制器采用普通FPGA芯片即可。
[0027]具體電路連接關(guān)系是：
[0028]調(diào)壓電阻R的一端與電源VCC相連接，調(diào)壓電阻R的另一端與所述電子電位器的滑 動端相連接，電子電位器的滑動端還與電子電位器的高電位端相連接，電子電位器的低電 位端接地，電子電位器的滑動端與MAX038芯片的占空比調(diào)整端相連接，電子電位器的受控 端與FPGA控制器的輸出口相連接；以上電路連接可以總結(jié)為：電子電位器構(gòu)成一個變阻器， 該變阻器與調(diào)壓電阻R相串聯(lián)，電子電位器的阻值受到FPGA控制器的數(shù)字化控制。
[0029] MAX038芯片的同步輸出端與FPGA控制器的輸入口相連接;MAX038芯片的第一波形 選擇端與FPGA控制器的輸出口相連接，MAX038芯片的第二波形選擇端與FPGA控制器的輸出 口相連接;第一波形選擇開關(guān)與FPGA控制器的輸入口相連接，第二波形選擇開關(guān)與FPGA控 制器的輸入口相連接。
[0030] 由于MAX038的各種輸出波形的峰峰幅值均為2V，為了適合不同應(yīng)用場合，為其添 加一級放大濾波電路，MAX038芯片的信號輸出端與放大濾波電路的輸入端相連接。
[0031] 為了實現(xiàn)各種輸出波形選擇，MAX038芯片的第一波形選擇端和第二波形選擇端均 與單片機(jī)的輸出端相連接。
[0032] 本實用新型工作原理如下：
[0033] (1)輸出信號占空比的調(diào)整原理
[0034]在本實用新型中電子電位器的連接采用"變阻式"："高電位端VH"和"滑動端VW"短 接在一起，這樣"低電位端VL"與"滑動端VW"兩個點之間就形成一個電阻值可以改變的電阻 了，并且阻值的大小可以通過FPGA控制器進(jìn)行控制調(diào)整。
[0035] 具體工作原理可闡述為:FPGA控制器能控制電子電位器修改其阻值，具體的，電子 電位器增加輸入引腳^由下降沿觸發(fā)，該引腳上出現(xiàn)的下降沿將使得滑動端VW朝內(nèi)部計 數(shù)器增加或減小的方向移動，升降輸入引腳^上的邏輯電平控制著電子電位器滑動端VW 移動的方向；增加輸入引腳涵和升降輸入引腳而的信號均由FPGA控制器提供，F(xiàn)PGA控 制器實現(xiàn)對電子電位器阻值的控制修改，進(jìn)而根據(jù)串聯(lián)分壓原理實現(xiàn)對電子電位器的滑動 端電位的控制，最終實現(xiàn)MAX038芯片輸出信號的占空比的數(shù)字化控制。
[0036] MAX038芯片的占空比調(diào)整端電壓與輸出信號占空比之間的關(guān)系是V=(50%-D)X 0.0575,式中D表示輸出信號占空比。
[0037] FPGA控制器還可以通過與之連接的上位機(jī)來發(fā)送控制參數(shù)實現(xiàn)調(diào)壓電路輸出電 壓調(diào)整，或者如圖1所示通過兩個與FPGA控制器輸入口相連接的按鍵來實調(diào)壓電路輸出電 壓調(diào)整(FPGA控制器接收到按鍵產(chǎn)生的電平后通過向電子電位器的受控端發(fā)送控制信號控 制電子電位器的滑動端VW電壓，當(dāng)然按鍵按下的次數(shù)與電子電位器的滑動端VW電壓被調(diào)整 的值之間存在一個對應(yīng)關(guān)系，這一對應(yīng)關(guān)系需要由FPGA控制器的邏輯運(yùn)算來實現(xiàn)，雖然計 算的是按鍵次數(shù)與電子電位器的滑動端VW電壓之間的關(guān)系，單本質(zhì)還是計算按鍵次數(shù)與電 子電位器的阻值之間的關(guān)系，然后根據(jù)串聯(lián)電阻分壓原理計算鍵次數(shù)與電子電位器的滑動 端VW電壓之間的關(guān)系），為了增加設(shè)計的靈活性也可以在FPGA控制器中調(diào)用51核單元實現(xiàn) 上述控制。
[0038] (2)組合波形輸出的實現(xiàn)
[0039]在FPGA控制器內(nèi)設(shè)置一個譯碼單元，第一波形選擇開關(guān)和第二波形選擇開關(guān)與譯 碼單元的輸入連接;MAX038芯片的第一波形選擇端和第一波形選擇端與譯碼單元的輸出相 連接，當(dāng)然這都是通過FPGA的輸入口和輸出口來實現(xiàn)的。當(dāng)譯碼輸入為00時，譯碼輸出為 〇〇;當(dāng)譯碼輸入為01時，譯碼輸出為01;當(dāng)譯碼輸入為10時，譯碼輸出為10;當(dāng)譯碼輸入為11 時，譯碼輸出在時間上分為兩段數(shù)據(jù):前半周期為01，后半周期為10 JMAX038芯片輸出端輸 出信號的周期與同步輸出端輸出的方波信號周期相同，因此同步輸出端信號可以作為譯碼 過程中的控制信號，也即是在同步輸出端輸出的方波信號的前半周期譯碼器輸出01，在同 步輸出端輸出的方波信號的前后周期譯碼器輸出10)，該譯碼模塊為一組合邏輯模塊，可以 根據(jù)上述邏輯功能得出邏輯表達(dá)式，通過調(diào)用FPGA內(nèi)部的組合邏輯單元和門電路實現(xiàn)，也 可以使用VHDL編程實現(xiàn)，無論采用哪種方式最終都會被開發(fā)工具綜合為固定網(wǎng)表電路結(jié)構(gòu) 固化到FPGA控制器芯片中成為硬件電路。
[0040]最后說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非限制，盡管參 照較佳實施例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本 實用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本實用新型技術(shù)方案的宗旨和范 圍，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
【主權(quán)項】
1. 一種基于FPGA的波形發(fā)生器，其特征在于:包括FPGA控制器、電子電位器、調(diào)壓電阻R 和MAX038芯片； 所述MAX038芯片具有第一波形選擇端、第二波形選擇端、占空比調(diào)整端、同步輸出端和 信號輸出端； 所述調(diào)壓電阻R的一端與電源VCC相連接，所述調(diào)壓電阻R的另一端與所述電子電位器 的滑動端相連接，所述電子電位器的滑動端還與電子電位器的高電位端相連接，電子電位 器的低電位端接地，電子電位器的滑動端與MAX038芯片的占空比調(diào)整端相連接，電子電位 器的受控端與FPGA控制器的輸出口相連接； 所述MAX038芯片的同步輸出端與FPGA控制器的輸入口相連接； 所述MAX038芯片的第一波形選擇端與FPGA控制器的輸出口相連接，所述MAX038芯片的 第二波形選擇端與FPGA控制器的輸出口相連接； 第一波形選擇開關(guān)與FPGA控制器的輸入口相連接，第二波形選擇開關(guān)與FPGA控制器的 輸入口相連接。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于FPGA的波形發(fā)生器，其特征在于，所述MAX038芯片的 信號輸出端與放大濾波電路的輸入端相連接。
【文檔編號】G05B19/042GK205427528SQ201620208239
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年3月9日
【發(fā)明人】霍福翠
【申請人】重慶電子工程職業(yè)學(xué)院