基于CPLD的任意波形发生器

摘  要：本文设计了一种任意波形发生器(Arbitrary Wave Generator,AWG). 该AWG 采用AT90S8515 RISC指令单片机做控制器，采用CPLD (Complex Programmable Logic Device) 构造控制电路。配合AWG的使用，编制了上位机软件，在上位机可以动态设置要产生的波形。

关键词：任意波形发生器，CPLD, 微控制器

引言

任意波形发生器(Arbitrary Wave Generator,以下简称AWG)在通信系统、测试系统等方面得到广泛应用。本文利用自主研制的150 MSPS (Million Sampling Per Second)12位DAC (Digital Analog Converter)和300MSPS 12位DAC，基于CPLD技术，设计了一种AWG。要产生的波形通过上位机软件设置，然后将波形数据下载到AWG，AWG在CPLD的高速控制电路下将波形数据送高速DAC进行转换形成所要的波形。下面先分析AWG的硬件结构。 
   
任意波形发生器的硬件结构

AWG的工作过程是，首先接收上位机送来的波形数字信号存储到SRAM，然后启动控制电路从SRAM取出数据送DAC进行数摸转换，转换后的模拟信号送低通滤波器形成波形。如果DAC工作在150MSPS的速度下，可以以150MHz的频率送数据到DAC进行转换，微控制器的晶振输入一般工作在40MHz以下，没有这么高的速度送出数据到DAC，所以考虑采用CPLD构建硬件控制电路。数据首先传送到SRAM，然后在CPLD硬件控制电路的控制下，以150MHz的频率从SRAM中取数送DAC转换。其体系结构如图一所示。如果要形成正弦周期信号，每周期4个点就可以合成一个波形，此时可以输出约38MHz的高频信号。

 
 
图一 AWG硬件结构

CPLD(Complex Programmable Logic Device，复杂可编程逻辑器件)是在传统的PAL、GAL基础上发展而来的，具有多种工作方式和高集成、高速、高可靠性等明显的特点，在超高速领域和实时测控方面有非常广泛的应用。与FPGA相比，CPLD比较适合计算机总线控制、地址译码、复杂状态机、定时/计数器、存储控制器等I/O密集型应用，且无须外部配置ROM、时延可预测等。目前的CPLD普遍基于E2PROM和Flash电可擦技术，可实现循环擦写。Altera 公司的MAX7000 CPLD配置有JTAG口，支持ISP编程。用VHDL或Verilog HDL(Hardware Description Language, 硬件描述语言)设计的程序，借助EDA工具经过行为仿真、功能仿真和时序仿真后，通过综合工具产生网表，下载到目标器件，从而生成硬件电路。

本装置中，CPLD采用Altera公司的EPM7128AE [4]，其最高工作频率达200MHz。微控制器采用Atmel公司AVR微控制器AT90S8515[2],其主要特征有：增强型RISC体系结构CPU，8K Flash，512 字节 EEPROM，512 字节 Internal SRAM，UART，SPI，宽电压范围: 2.7 - 6.0V。SRAM选用64K x 16的CY7C1021V。 

下面对CPLD控制电路进行分析。

CPLD电路设计 

CPLD主要负责以高速率（150MHz）从SRAM中取数到DAC，其核心电路是一个13位的计数器。波形数据文件的大小为8Kbytes。如果要扩大波形文件的大小，可以根据需要增加CPLD的地址计数器容量。在CPLD内部构造的DAC控制电路如图二所示，下面对其控制流程进行分析。

    PA[15:0]接AT90S8515的2个8位并行口；D[15:0]接SRAM的数据线D0-D15；AD[12:0]接SRAM的地址线A0-A12；DB[15:0]接DAC的D0-D11（D12-D15不用）；CLK_SEL选择计数器的时钟输入方式；CLK_AVR接MCU的一个I/O端，通过软件编程在CLK_AVR输出脉冲信号作为计数器的时钟；CLK_CPLD接150MHz时钟信号；/WR和 /WE接MCU的I/O端。

当PC机下载数据时，其控制流程如下：
①     CLK_SEL=0，选择软件时钟
②     复位地址计数器
③     MCU送数据到PA[15：0]
④    /WR从0变到1，打开从MCU到SRAM的数据缓冲器将数据写入SRAM
⑤    给CLK_AVR一个脉冲，让计数器增1从而指向SRAM的下一个接收地址单元。

当数据下载完成后， 启动CPLD从SRAM取数据到DAC，其控制流程如下：
①     WE=1，打开从SRAM到DAC的缓冲器。
②     CLK_SEL=1，计数器的输入时钟选择150MHz的外部时钟，
③     复位地址计数器，外部高速时钟的驱动下地址计数器开始计数，从SRAM中取出数据送到DAC进行数据转换。

 
CPLD的编程在Quartus II 5.0环境下进行，Quartus的设计输入支持AHDL、VHDL、Verilog HDL等硬件描述语言的程序输入和图形输入，这里采用图形输入的方式。完成设计输入后，依次进行编译、功能仿真、时序仿真。下图三是CPLD取数据到DAC进行转换的时序仿真结果。图中CPLD的工作频率为125MHz,实际工作中最高工作在200MHz，从图中可以看出，每来一个时钟，CPLD从SRAM中取出一个数据送DAC进行A/D转换。最后将结果下载到CPLD内部运行。

 
软件设计 

AWG的软件采用CodeVision AVR C [3] 编写，AT90S8515支持ISP（In System Programming, 在系统编程），程序编译后经JTAG口下载到AT90S8515中。为配合该装置的使用，我们在VB开发环境下设计了上位机软件，其运行界面如图四所示，在该软件中选择要产生的波形，然后下载到AWG。

AWG和PC机采用RS-232串口通信, 上电运行后等待PC传送波形，接收完波形数据后，启动CPLD从SRAM中取出数据送DAC进行D/A转换，经低通滤波器形成输出波形。

 
 
图四 波形数据产生软件

结语 

AWG和PC机通过RS232串口连接后，运行PC机软件，在PC机上选择要生成的波形，生成波形数据下载到AWG，可以选择线性调制技术的绝对相移键控(BPSK)、相对相移键控(DPSK)、四相相移键控(QPSK)、交错正交相移键控(OQPSK)、π/4偏移差分相移键控(π/4—DQPSK)，恒包络调制的二进制频移键控(FSK)、最小频移键控(MSK)、高斯滤波最小频移键控(GMSK)，混合线性和恒包络调制技术的M相相移键控(MPSK)、多进制正交幅度调制(QAM)、多进制频移键控(MFSK)等波形，下载到AWG生成所要的波形。下图五是DAC工作在125MHz下合成的2FSK（Frequency Shift Key）波形。

 
图五 2FSK波形

参考文献：
[1]  黄正谨，徐坚等，CPLD系统设计技术入门与应用，2002，北京
[2]  Atmel Corp., AT90S8515 datasheet, 2002
[3]  Atmel Corp., CodeVision AVR C Compiler Reference, 2002
[4]  Altera Corp., MAX7000 Programmable Logic Device Family Data sheet, November,2001