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一種高精度波形發(fā)生器的設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2007/4/23 0:00:00 訪問次數(shù):495

一種高精度波形發(fā)生器的設(shè)計(jì) [日期:2005-3-1] 來源:?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者:西安電子科技大學(xué) 張 鵬 陳 健 [字體:控制器,設(shè)計(jì)出幅度可精確至1mV的波形發(fā)生器。文中給出具體的硬件實(shí)現(xiàn)框圖以及用來產(chǎn)生波形的DSP匯編源程序。

關(guān)鍵詞:波形發(fā)生器 高精度 AD7846 DSP

引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,波形發(fā)生器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在通信、控制、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。在很多地方,如測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域,需要輸出的波形能夠精確地定位在某一整數(shù)值上,但通常由于ADC參考電平的限制,使之很難達(dá)到所需的精度,給系統(tǒng)的調(diào)試及軟件設(shè)計(jì)帶來諸多不便。本文采用了高精度的電壓參考芯片ADR434為模數(shù)變換器提供參考電平,使波形發(fā)生器的最低可調(diào)電壓達(dá)到125μV,為精確地輸出數(shù)據(jù)值電壓及其相應(yīng)波形提供了方便的硬件環(huán)境。本設(shè)計(jì)具有輸出精確,控制靈活方便等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC54X系列DSP作為核心控制器件,并采用Cypress工司生產(chǎn)的CY7C1021V(64K×16位RAM)來擴(kuò)充DSP的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。在DSP與ADC及RAM之間的數(shù)據(jù)接口加入74LVC16245(16位總線變換器)以增加DSP的驅(qū)動(dòng)能力,并用來隔斷器件間的干擾。DSP與DAC之間的邏輯控制采用CPLD實(shí)現(xiàn),這樣可以方便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試,本文中采用的CPLD為Altera公司的EPM7064SLC84-10。

整個(gè)系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

2 器件簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)所采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器為AD7846,它是美國(guó)AD(Analog Device)公司基于LC2MOS工藝生產(chǎn)的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它有VREF+和VREF-兩個(gè)參考電平輸入端以及一個(gè)片內(nèi)放大器。標(biāo)準(zhǔn)情況下可以將其配置為單極性輸出(0~+5V,0~+10V)或雙極性輸出(±5V,±10V)。當(dāng)然,改變VREF+VREF-兩個(gè)參考電平輸入端的電平,也可以改變其輸出的動(dòng)態(tài)范圍。如本文中的采用高精度電壓參考芯片AD434提供參考電平,使D/A的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置為±4.096V。

AD7846采用分段式結(jié)構(gòu)。DAC鎖存器的高4位選通16個(gè)電阻串中的一段,段的兩端接有運(yùn)放作為緩沖,運(yùn)放的輸出反饋至12位的模數(shù)變換電路,并由該電路提供后12位分辨率。這種結(jié)構(gòu)可以確保16位單調(diào)性,兩個(gè)緩沖運(yùn)放間輸入失調(diào)電壓的高度匹配還確保了優(yōu)良的積分非線性。

除了優(yōu)良的精度指標(biāo)外,AD7846與微處理器的連接也非常方便。它有16位數(shù)據(jù)I/O以及4根控制線(CS,R/W,LDAC以及CLR)。R/W與CS用來控制對(duì)I/O鎖存器的讀寫,LDAC信號(hào)用于多DAC系統(tǒng)中同步更新多片DAC數(shù)據(jù),CLR用于將DAC的輸出復(fù)位至0V。

3 AD7846參考電壓的設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)的輸出波形在幅度上能夠精確到1mV,本文采用AD434為AD7846提供參考電壓。ADR434為AD公司生產(chǎn)的低噪聲、高精度、低溫漂的電壓參考芯片。它采用了AD公司的溫漂曲率修正專利技術(shù),可以使其電壓對(duì)溫度的非線性達(dá)到最小。二者的具體連接如圖2所示。

圖2所示的連接方式使AD7846工作在雙極性輸出狀態(tài)下。AD434為D/A提供+4.096V的參考電平,D/A根據(jù)此電平經(jīng)過雙極十六位線性分解,所得的最低可調(diào)電壓為4.096V/2 15=125μV。具體的編碼表如表1所列。

表1 AD7846編碼表

DAC鎖存器中的二進(jìn)制數(shù)

模擬輸出VOUT/V

1111 1111 1111 1111+4.096C(32767/32768)=+4.0958751000 0000 0000 1000+1.096V(8/32768)=+0.0011000 0000 0000 0001+4.096V(1/32768)=+0.0001251000 0000 0000 0000+4.096V(0/32768)=00111 1111 1111 1111-4.096V(1/32768)=-0.0001250000 0000 0000 0000-4.096V(32768/32768)=-4.096

4 邏輯控制及軟件實(shí)現(xiàn)

本文使用CPLD作為DSP控制D/A映射在DSP的I/O口,地址為4000H~7FFFH。AD7846一共有4根控制線,它們組成的控制邏輯如表2所列。

表2 AD7846控制邏輯真值表

CSR/WLDACCLR

功 能

1XXX使DAC的I/O鎖存器呈高阻態(tài)00XX數(shù)據(jù)(DB1~5DB0)裝入I/O鎖存器01XXI/O鎖存器中的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)線上XX01I/O鎖存器中的數(shù)據(jù)裝入DAC鎖存器X0X0DAC鎖存器裝入數(shù)據(jù)000...000X1X0DAC鎖存器裝入數(shù)據(jù)100...000

CPLD中燒入的邏輯圖如圖3所示。

對(duì)于波形的產(chǎn)生,通常有兩種方法。一種方法為使用算法計(jì)算輸出波形某點(diǎn)的幅度編碼值(如正弦波可通過泰勒級(jí)數(shù)展開得到)

一種高精度波形發(fā)生器的設(shè)計(jì) [日期:2005-3-1] 來源:?jiǎn)纹瑱C(jī)及嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用 作者:西安電子科技大學(xué) 張 鵬 陳 健 [字體:控制器,設(shè)計(jì)出幅度可精確至1mV的波形發(fā)生器。文中給出具體的硬件實(shí)現(xiàn)框圖以及用來產(chǎn)生波形的DSP匯編源程序。

關(guān)鍵詞:波形發(fā)生器 高精度 AD7846 DSP

引言

隨著電子技術(shù)的發(fā)展,波形發(fā)生器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用在通信、控制、測(cè)量等各個(gè)領(lǐng)域。在很多地方,如測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域,需要輸出的波形能夠精確地定位在某一整數(shù)值上,但通常由于ADC參考電平的限制,使之很難達(dá)到所需的精度,給系統(tǒng)的調(diào)試及軟件設(shè)計(jì)帶來諸多不便。本文采用了高精度的電壓參考芯片ADR434為模數(shù)變換器提供參考電平,使波形發(fā)生器的最低可調(diào)電壓達(dá)到125μV,為精確地輸出數(shù)據(jù)值電壓及其相應(yīng)波形提供了方便的硬件環(huán)境。本設(shè)計(jì)具有輸出精確,控制靈活方便等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用TI公司生產(chǎn)的TMS320VC54X系列DSP作為核心控制器件,并采用Cypress工司生產(chǎn)的CY7C1021V(64K×16位RAM)來擴(kuò)充DSP的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間。在DSP與ADC及RAM之間的數(shù)據(jù)接口加入74LVC16245(16位總線變換器)以增加DSP的驅(qū)動(dòng)能力,并用來隔斷器件間的干擾。DSP與DAC之間的邏輯控制采用CPLD實(shí)現(xiàn),這樣可以方便系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試,本文中采用的CPLD為Altera公司的EPM7064SLC84-10。

整個(gè)系統(tǒng)的方框圖如圖1所示。

2 器件簡(jiǎn)介

本系統(tǒng)所采用的數(shù)模轉(zhuǎn)換器為AD7846,它是美國(guó)AD(Analog Device)公司基于LC2MOS工藝生產(chǎn)的16位數(shù)模轉(zhuǎn)換器。它有VREF+和VREF-兩個(gè)參考電平輸入端以及一個(gè)片內(nèi)放大器。標(biāo)準(zhǔn)情況下可以將其配置為單極性輸出(0~+5V,0~+10V)或雙極性輸出(±5V,±10V)。當(dāng)然,改變VREF+VREF-兩個(gè)參考電平輸入端的電平,也可以改變其輸出的動(dòng)態(tài)范圍。如本文中的采用高精度電壓參考芯片AD434提供參考電平,使D/A的動(dòng)態(tài)范圍設(shè)置為±4.096V。

AD7846采用分段式結(jié)構(gòu)。DAC鎖存器的高4位選通16個(gè)電阻串中的一段,段的兩端接有運(yùn)放作為緩沖,運(yùn)放的輸出反饋至12位的模數(shù)變換電路,并由該電路提供后12位分辨率。這種結(jié)構(gòu)可以確保16位單調(diào)性,兩個(gè)緩沖運(yùn)放間輸入失調(diào)電壓的高度匹配還確保了優(yōu)良的積分非線性。

除了優(yōu)良的精度指標(biāo)外,AD7846與微處理器的連接也非常方便。它有16位數(shù)據(jù)I/O以及4根控制線(CS,R/W,LDAC以及CLR)。R/W與CS用來控制對(duì)I/O鎖存器的讀寫,LDAC信號(hào)用于多DAC系統(tǒng)中同步更新多片DAC數(shù)據(jù),CLR用于將DAC的輸出復(fù)位至0V。

3 AD7846參考電壓的設(shè)計(jì)

為了使系統(tǒng)的輸出波形在幅度上能夠精確到1mV,本文采用AD434為AD7846提供參考電壓。ADR434為AD公司生產(chǎn)的低噪聲、高精度、低溫漂的電壓參考芯片。它采用了AD公司的溫漂曲率修正專利技術(shù),可以使其電壓對(duì)溫度的非線性達(dá)到最小。二者的具體連接如圖2所示。

圖2所示的連接方式使AD7846工作在雙極性輸出狀態(tài)下。AD434為D/A提供+4.096V的參考電平,D/A根據(jù)此電平經(jīng)過雙極十六位線性分解,所得的最低可調(diào)電壓為4.096V/2 15=125μV。具體的編碼表如表1所列。

表1 AD7846編碼表

DAC鎖存器中的二進(jìn)制數(shù)

模擬輸出VOUT/V

1111 1111 1111 1111+4.096C(32767/32768)=+4.0958751000 0000 0000 1000+1.096V(8/32768)=+0.0011000 0000 0000 0001+4.096V(1/32768)=+0.0001251000 0000 0000 0000+4.096V(0/32768)=00111 1111 1111 1111-4.096V(1/32768)=-0.0001250000 0000 0000 0000-4.096V(32768/32768)=-4.096

4 邏輯控制及軟件實(shí)現(xiàn)

本文使用CPLD作為DSP控制D/A映射在DSP的I/O口,地址為4000H~7FFFH。AD7846一共有4根控制線,它們組成的控制邏輯如表2所列。

表2 AD7846控制邏輯真值表

CSR/WLDACCLR

功 能

1XXX使DAC的I/O鎖存器呈高阻態(tài)00XX數(shù)據(jù)(DB1~5DB0)裝入I/O鎖存器01XXI/O鎖存器中的數(shù)據(jù)輸出到數(shù)據(jù)線上XX01I/O鎖存器中的數(shù)據(jù)裝入DAC鎖存器X0X0DAC鎖存器裝入數(shù)據(jù)000...000X1X0DAC鎖存器裝入數(shù)據(jù)100...000

CPLD中燒入的邏輯圖如圖3所示。

對(duì)于波形的產(chǎn)生,通常有兩種方法。一種方法為使用算法計(jì)算輸出波形某點(diǎn)的幅度編碼值(如正弦波可通過泰勒級(jí)數(shù)展開得到)

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