采用FPGA的振动模拟器设计

图3 DAC8581 时序图

图4 DAC8581时序要求

4．1 FPGA对ADS1100芯片的控制

调频和调幅信号使用同一款芯片：ADS1100，16位串行，I2C接口，在本设计中数据更新率是8SPS，电压型输出。此芯片仅可在从件模式下工作。ADS1100将模数转换结果传给FPGA模块，由FPGA进行串并转换。

FPGA对ADS1100提供SCLK和SDA引脚，符合I2C协议。FPGA是主器件，在开始与ADS1100通信前先对SDA写2个字节，分别确定和哪个ADS1100进行通信和对ADS1100的配置寄存器（configuration register）进行写以确定对其的操作模式。FPGA外接24MHz的晶振，经分频得到4MHz的时钟，ADS1100按8SPS的数据更新率工作，FPGA探测数据线变化以产生SCLK时钟信号赋给SCLK引脚。篇幅受限，I2C的FPGA实现不一一赘述。

4．2 FPGA对DAC8581芯片的控制

信号输出使用芯片DAC8581，16位串行，SPI接口，在本设计中最高数据更新率是1.8MHz，电压输出。DAC8581接收从FPGA传送过来的串行数据，将其进行数模转换，产生振动信号，模拟实际振动台的理想振动情况。

FPGA中，由PLL倍频得到36MHz的时钟提供给DAC8581的SCLK引脚。由调频信号计算得到串行DAC的数据更新率，按此频率更新串行DAC的数字输入。由同一个PLL倍频得到240MHz的时钟捕捉将由DAC处理的数字输入信号和SCLK引脚信号的跳变沿，从而产生DAC8581的CS片选信号。

数据data一旦准备好，赋给register，240MHz时钟探测到第一次SCLK上升沿，就拉低CS片选，第二次探测到SCLK上升沿时已经至少是下一个240MHz的上升沿了，从而满足Tlead（见图3、图4）参数的要求。CS低时，一旦240MHz时钟探测到SCLK下降沿，将register的最高位数据赋给SDA，将register左移一位，SDA保持不变，直到下一个SCLK下降沿。当捕捉到SCLK的第17个下降沿时，将CS拉高。由此即可满足以上的图3、图4对时序的要求。

4．3 FPGA对DAC8820芯片的控制

DAC8820产生振动噪声。16位并行，最高数据更新率4MHz，是电流输出型。本系统设有2个用户按键，分别表示产生40KHz～100KHz，100KHz～200KHz的噪声频率范围，FPGA接收按键信号确定噪声的频率范围，在此频率范围内产生一个随机频率，由此计算得到DAC8820的数据更新率，FPGA按此频率准备数据以更新并行DAC的数字输入。由DAC8820将其进行数模转换，模拟实际振动台在可能受到外界各种干扰信号后产生的噪声情况。

图5 DAC8820外部电流电压转换电路

DAC8820的引脚WR（低有效）是将16位数据加载到输入寄存器；LDAC（高有效）是将数据从输入寄存器加载到DAC寄存器；但是若将同一信号同时赋给WR和LDAC，则可在下降沿将16位数据加载到输入寄存器，在上升沿将数据从输入寄存器加载到DAC输出。

由FPGA将24MHz的晶振时钟分频得到数据更新率，由此得到的时钟信号经高频时钟同步赋给DAC8820的WR和LDAC。由于DAC8820是电流输出的，所以将电流输出经过OPA277电流电压转换输出，见图5。图中的C1是补偿电容，其作用是防止增益峰值的出现。

5 结论

综上，此振动模拟器的调频信号的分辨率是16比特，可产生0 ～5kHz的清晰信号，所以频率精度可达到0.076Hz，并可与200KHz以下的确定频率范围的随机噪声进行合成，输出信号幅度分辨率可达16比特，而且噪声的频率范围是可控的。

本文作者创新点：充分利用了FPGA可现场编程的特点，给读者提供了一个实施简单，成本低，可按用户需求灵活改变，且易升级的振动模拟器的设计方案；且对有特殊要求的信号发生器的设计有一定借鉴意义。