基于DSP的任意波形信号发生器的设计与实现

西北工业大学自动化学院（西安 710072） 苏 坡 杨建华

西北工业大学 航海学院（西安 710072） 侯 宏

0 前言

在现代测控领域，任意波形信号发生器已经成为系统研发和调试必不可少的工具。而目前市场上的信号发生器价格昂贵，体积比较大，而且波形可编程灵活度小，不能满足实际的需要。

随着电子技术和数字技术的飞速发展，DSP系统已经在众多高科技领域获得广泛的应用，它具有速度快、编程方便、精度高、稳定性好、接口方便、集成度高等特点。本文借助DSP系统的这些优点，设计了一种基于DSP的任意波形的信号发生器AWG(Arbitrary Waveform Generator),具有成本低，稳定性好，结构简单的特点。

1 信号生成原理

运用Matlab仿真[1]产生待生成信号的数据文件，通常该数据文件都是浮点形式的，根据数/模芯片转换的真值表，将浮点形式的数据文件转化成对应的十六进制INTEL格式数据文件，然后将该数据文件Load载入到DSP的数据存储空间，接着通过DSP控制DA转换芯片产生所需的信号。

2 系统硬件设计

根据任意波形信号的生成原理，本文选用DSP和CPLD联合控制的方式，系统主要分为4大功能模块:1)DSP及其外围；2)DA模块；3)存储扩展；4)CPLD。

2.1 DSP极其外围

考虑到成本和易开发性，主控芯片选用TMS320VC33。VC33是TI推出的一款32位浮点DSP，它的运算速度达150MFLOPS[2]，单周期完成32位整数、40位浮点乘法运算；它的地址总线为24位，寻址空间为16M×32bit,为了方便外部存储器存取，把16M×32bit空间分为PAGE0,PAGE1,PAGE2,PAGE3,当STRB和其中一个PAGE同时有效时，存储器接口选通；片内34K×32bit SRAM，片上集成一个同步串口，两个32bit的定时器，一个DMA通道；支持IEEE Std.1149.1(标准)，0.18-us工艺，1.8V 核心电压，3.3V I/O电压，低功耗。

电源芯片选用TI公司的TPS767D318芯片，它把5伏的输入电压转化成+3.3V和+1.8V分别供给DSP的外围和内核。

2.2 DA模块

选用AD公司生产的AD7840单通道DA转换芯片，该芯片转换速度可达到400kHz，转换精度14bit，转换范围为－3V至+3V[3]，能够满足任意波形信号产生的要求。该芯片的数据线与DSP芯片数据线的低14位相连，它的电压转换公式为其中Vou+为输出的模拟电压，PEFIN为参考电压(+3伏)，N值为数据总线上提供的数字信号，其范围是：－8192#N#8191。其数字信号转换成模拟电压信号对应的真值表如表1所示。

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在DA模块的前端设置滤波调理放大电路。

2.3 存储扩展模块

包括外扩RAM和外扩FLASH。由于VC33内部的存储空间有限，所以要对VC33进行存储扩展。外扩RAM选择CY7C1041，它是一款256K×16bit的静态RAM。VC33没有内部Flash，为了完成脱机运行和保存数据，本设计选择DA28F320作为外扩FLASH，它是一款2M×16位的NOR FLASH。

2.4 CPLD控制模块

CPLD控制模块是本设计的关键模块。使用CPLD器件可以提高系统设计的灵活性，并且可以简化电路设计，节省很多常规电路中的接口器件和I/O口线。由于VC33的内部资源有限，有较少的I/O口，而本设计外围设备比较多，因此采用DSP和CPLD联合控制的方式。CPLD控制模块主要实现对外围设备的选址，使能和逻辑协调控制。

本设计CPLD选用的是ALTERA公司MAX7000系列的EPM7128STC100芯片，它具有高阻抗、电可擦等特点，可用门单元为2500个，管脚间最大延迟为5ns，工作电压为+5V。在本设计中，将DSP地址总线的高八位A16至A23、读写、片选及分页管脚PAGE0至PAGE3、外部存取选通信号STRB等控制信号接入CPLD，实现对外围设备的选址、使能、中断控制和有关逻辑控制[4]。

当STRB和PAGE0有效，地址线的高8位A16－A23等于0x20时，选通AD7840芯片(=0)；外扩RAM CY7C1041的地址线与VC33的低18位相连，当STRB和PAGE0有效，地址线的高6位等于001011时，选通外扩 RAM(=0)；当 PAGE1有效时，选通 FLASH DA28F320(=0)，通过 CPLD的 I/O口输出高电平给使FLASH工作在普通模式。

图2 生成的幅度为3V频率为10KHz的方波信号

图3 生成的幅度为3V频率为1KHz的正弦波波信号

图4 生成的幅度为3V长度为3ms的巴特沃斯脉冲信号

3 系统软件设计

系统软件包括两个部分：数据格式转换程序和DSP控制程序设计。

3.1 数据格式转换

该部分程序采用Matlab编程。先用Matlab仿真产生待生成信号的数据文件，根据DA芯片数模转换的真值表，对信号的数据文件进行逐点转换，将数据文件转换成十六进制的INTEL格式。VC33的数据总线为32位，而AD7840的数据位数为14位，因此，转换后的十六进制INTEL格式低4位有效，高4位均为0，例如0x00001FFF表示+2.999634 V。转换的方法如下：

根据转换公式 N=round(Vou+×8192/3)，将浮点形式的数据转换成十进制的整型形式。N为转换后的十进制整型形式，round()表示按四舍五入的方法取整。

如果 N为正，直接将其存储为十六进制的INTEL格式。

如果 N为负，首先将转换成14位的补码形式，然后存储为十六进制的INTEL格式。将 N转换成补码形式的方法为 N=214－abs(N)，其中 abs()表示取模。

3.2 DSP控制程序设计

系统用定时器0控制模数转换芯片AD7840产生所设计的信号，转换速率要与Matlab仿真产生的信号的采样率一致。系统的软件流程图如图1所示

4 信号生成实验

利用本系统生成了三种波形的信号；分别为幅度为3V频率为10KHz的方波信号；幅度为3V频率为1KHz的正弦波信号；幅度为3V长度为3ms的巴特沃斯脉冲信号。通过示波器观察到的波形分别如图2，图3，图4所示。

从图2,3,4可以看出，该系统产生的波形与设想产生的波形一致。实验证明该系统可以产生所需要的波形。

5 结束语

本设计利用DSP+CPLD作为硬件平台，成功实现了任意波形发生器，该系统具有成本低、体积小、硬件电路简单、使用方便的特点，能够满足工程实际的需要，具有良好的应用价值。

[1] 任绪科，赵俊渭，周明.基于CPLD和单片机的任意波形发生器设计[J].电子产品世界，2005(1)

[2] 党瑞荣，谢燕，李利品.TMS320CX DSP原理及应用[M].西安：陕西科学技术出版社,2006,3

[3] 唐健，雷轶鸣，邹健.14位串/并行D/A转换器AD7840及在程控电流源中的作用[J].四川文理学院学报，2007,17(5)

[4] 周 健，闫建国，周志久.CPLD在在惯性测量单元数据采集系统中的应用[J].电子测量技术，2008,11(31)