一种基于fpga的波形发生器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于FPGA的波形发生器，包括FPGA控制器、电子电位器、调压电阻R和MAX038芯片；调压电阻R的一端与电源VCC相连接，调压电阻R的另一端与所述电子电位器的滑动端相连接，电子电位器的滑动端还与电子电位器的高电位端相连接，电子电位器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与MAX038芯片的占空比调整端相连接，电子电位器的受控端与FPGA控制器的输出口相连接；MAX038芯片的同步输出端与FPGA控制器的输入口相连接。本实用新型具有信号占空比选择灵活，能产生具有各种占空比信号并且能实现组合波形输出的优点。
【专利说明】
一种基于FPGA的波形发生器
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种波形发生器，具体是一种基于FPGA实现组合波形输出与波形 占空比选择的波形发生器，属于信号发生与控制技术领域。
【背景技术】
[0002] 波形发生器能产生某些特定的周期性时间函数波形(常见的有正弦波、方波、三角 波、锯齿波和脉冲波等)信号，频率范围可从微赫级到上百兆赫，在电子测量领域有着广泛 的应用。
[0003] 函数信号发生器芯片是常见的实现波形发生器的核心部件，如L8038，BA205等器 件应用都非常广泛，但是它们的功能较少，精度不高，频率上限只有3000KHZ，无法产生更高 频率的信号，套接方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者相互影响。
[0004] 美国Maxim公司生产的MAX038芯片逐渐得到更多的应用，采用该芯片设计信号源 电路不但设计简单，可以生成同一频率信号的各种波形信号，而且能以最少的外部元件构 成多波形信号发生器。
[0005] 但是现有技术中采用AX038芯片实现的波形发生器通常具有以下两方面的缺陷：
[0006] (1)输出信号占空比固定为50%，或者需要通过多个挡位开关实现手动调节： MAX038芯片7号引脚为占空比调整端，调整该端口电压，即可实现输出波形占空比15%~ 85%调整，现有技术中通常是通过多个拨码开关实现MAX038芯片7号引脚电压的选择(通过 一个拨码开关控制某具有特定电压的电节点与MAX038芯片7号引脚的通断），一个拨码开关 对应一个具有特定电压的电节点，显然这会导致电路复杂，并且由于不能设置太多的挡位 开关，因此信号占空比选择有限，不能产生具有各种占空比的信号。
[0007] (2)通常采用单片机作为中央控制器件对MAX038芯片进行控制，单片机基于软件 程序实现控制，虽然具有较大的灵活性，但是无法完成数字逻辑处理，因此往往需要配合外 围的数字芯片实现数字逻辑运算功能，例如:对于MAX038芯片，要实现输出信号波形选择的 话必须通过对第一波形选择端(3脚）、第二波形选择端(4脚)设置高低电平来实现，第一波 形选择端和第二波形选择端的信号为〇〇时，输出矩形波;第一波形选择端和第二波形选择 端的信号为〇 1时，输出正弦波;第一波形选择端和第二波形选择端的信号为10时候，输出三 角波，第一波形选择端和第二波形选择端的信号为11时候，仍然输出正弦波。基于以上原 因，如果需要实现组合波形输出（例如前半周期为正弦波，后半周期为三角波），则必须对通 常由拨码开关产生的第一波形选择端和第二波形选择端的信号进行译码(因为两位信号组 合情况只有4种），这一数字逻辑通常处理难以由单片实现，必须采用额外的专用译码电路 实现。 【实用新型内容】
[0008] 针对现有技术存在的上述不足，本实用新型的目的是怎样提供一种信号占空比选 择灵活，能产生具有各种占空比信号;并且能实现组合波形输出的波形发生器。
[0009] 为了实现上述目的，本实用新型采用了以下的技术方案。
[0010] -种基于FPGA的波形发生器，其特征在于:包括FPGA控制器、电子电位器、调压电 阻R和MAX038芯片；
[0011] 所述MAX038芯片具有第一波形选择端、第二波形选择端、占空比调整端、同步输出 端和信号输出端；
[0012] 所述调压电阻R的一端与电源VCC相连接，所述调压电阻R的另一端与所述电子电 位器的滑动端相连接，所述电子电位器的滑动端还与电子电位器的高电位端相连接，电子 电位器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与MAX038芯片的占空比调整端相连接，电子 电位器的受控端与FPGA控制器的输出口相连接；
[0013]所述MAX038芯片的同步输出端与FPGA控制器的输入口相连接；
[0014] 所述MAX038芯片的第一波形选择端与FPGA控制器的输出口相连接，所述MAX038芯 片的第二波形选择端与FPGA控制器的输出口相连接；
[0015] 第一波形选择开关与FPGA控制器的输入口相连接，第二波形选择开关与FPGA控制 器的输入口相连接。
[0016] 进一步的，所述MAX038芯片的信号输出端与放大滤波电路的输入端相连接。
[0017] 相比现有技术，本实用新型具有如下优点：
[0018] (1)本实用新型中电子电位器构成一个变阻器，该变阻器与调压电阻R相串联， FPGA控制器控制电子电位器的受控端，使得电子电位器的阻值得到数字化控制，从而根据 串联分压原理实现对电子电位器的滑动端电位的控制，最终实现MAX038芯片输出信号的占 空比的数字化控制；综上，本实用新型中FPGA控制器通过向电子电位器的受控端发送数字 信号即可调节信号源电路输出信号的占空比，与现有技术中通过挡位开关选择不同的 MAX038芯片占空比调整端电压的现状相比，本实用新型具有信号占空比选择灵活，能产生 具有各种占空比信号的优点。
[0019] (2)本实用新型中FPGA控制器利用其丰富的数字逻辑资源将第一波形选择开关和 第二波形选择开关产生的电平信号进行译码处理，实现当第一波形选择开关和第二波形选 择开关发送信号11时，在前半周期内向MAX038芯片的第一波形选择端和第二波形选择端发 送信号01，在后半周期内发送信号10,从而实现正弦波与三角波的组合波形。因此本实用新 型具有能有效产生组合波形的优点。
【附图说明】
[0020] 图1为本实用新型的电路结构图；
【具体实施方式】
[0021] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型作进一步详细说明。
[0022] 如图1所示，一种基于FPGA的波形发生器，包括单片机、电子电位器和MAX038芯片； [0023] MAX038芯片能精密地产生三角波、锯齿波、矩形波(含方波）、正弦波信号。其主要 特点在于:频率范围从〇 . IHz~20MHz，最高可达40MHz，各种波形的输出幅度均为2V (峰峰 值）；占空比调节范围宽，占空比和频率均可单独调节，二者互不影响，占空比最大调节范围 是15%~85%;波形失真小，正弦波失真度小于0.75%，占空比调节时非线性度低于2%;采 用±5V双电源供电，允许有5%变化范围，电源电流为80mA，典型功耗400mW，工作温度范围 为0~70°C。
[0024] MAX038芯片具有第一波形选择端、第二波形选择端、占空比调整端、同步输出端和 信号输出端;其中，MAX038芯片7号引脚为占空比调整端，调整该端口电压，即可实现输出波 形占空比15%~85%调整，当该端口电压为0时，输出波形占空比为50%。
[0025] 电子电位器为X9313芯片，该电子电位器具有如下引脚："增加输入引脚，"升 降输入引脚"高电位端VH"，"低电位端VL"，"地端VSS"，"滑动端VW"和"片选输入端 石"，其中"增加输入引脚^ "，"升降输入引脚@ "和"片选输入端巧"为电子电位器的 受控端。
[0026] FPGA控制器采用普通FPGA芯片即可。
[0027]具体电路连接关系是：
[0028]调压电阻R的一端与电源VCC相连接，调压电阻R的另一端与所述电子电位器的滑 动端相连接，电子电位器的滑动端还与电子电位器的高电位端相连接，电子电位器的低电 位端接地，电子电位器的滑动端与MAX038芯片的占空比调整端相连接，电子电位器的受控 端与FPGA控制器的输出口相连接；以上电路连接可以总结为：电子电位器构成一个变阻器， 该变阻器与调压电阻R相串联，电子电位器的阻值受到FPGA控制器的数字化控制。
[0029] MAX038芯片的同步输出端与FPGA控制器的输入口相连接;MAX038芯片的第一波形 选择端与FPGA控制器的输出口相连接，MAX038芯片的第二波形选择端与FPGA控制器的输出 口相连接;第一波形选择开关与FPGA控制器的输入口相连接，第二波形选择开关与FPGA控 制器的输入口相连接。
[0030] 由于MAX038的各种输出波形的峰峰幅值均为2V，为了适合不同应用场合，为其添 加一级放大滤波电路，MAX038芯片的信号输出端与放大滤波电路的输入端相连接。
[0031] 为了实现各种输出波形选择，MAX038芯片的第一波形选择端和第二波形选择端均 与单片机的输出端相连接。
[0032] 本实用新型工作原理如下：
[0033] (1)输出信号占空比的调整原理
[0034]在本实用新型中电子电位器的连接采用"变阻式"："高电位端VH"和"滑动端VW"短 接在一起，这样"低电位端VL"与"滑动端VW"两个点之间就形成一个电阻值可以改变的电阻 了，并且阻值的大小可以通过FPGA控制器进行控制调整。
[0035] 具体工作原理可阐述为:FPGA控制器能控制电子电位器修改其阻值，具体的，电子 电位器增加输入引脚^由下降沿触发，该引脚上出现的下降沿将使得滑动端VW朝内部计 数器增加或减小的方向移动，升降输入引脚^上的逻辑电平控制着电子电位器滑动端VW 移动的方向；增加输入引脚涵和升降输入引脚而的信号均由FPGA控制器提供，FPGA控 制器实现对电子电位器阻值的控制修改，进而根据串联分压原理实现对电子电位器的滑动 端电位的控制，最终实现MAX038芯片输出信号的占空比的数字化控制。
[0036] MAX038芯片的占空比调整端电压与输出信号占空比之间的关系是V=(50%-D)X 0.0575,式中D表示输出信号占空比。
[0037] FPGA控制器还可以通过与之连接的上位机来发送控制参数实现调压电路输出电 压调整，或者如图1所示通过两个与FPGA控制器输入口相连接的按键来实调压电路输出电 压调整(FPGA控制器接收到按键产生的电平后通过向电子电位器的受控端发送控制信号控 制电子电位器的滑动端VW电压，当然按键按下的次数与电子电位器的滑动端VW电压被调整 的值之间存在一个对应关系，这一对应关系需要由FPGA控制器的逻辑运算来实现，虽然计 算的是按键次数与电子电位器的滑动端VW电压之间的关系，单本质还是计算按键次数与电 子电位器的阻值之间的关系，然后根据串联电阻分压原理计算键次数与电子电位器的滑动 端VW电压之间的关系），为了增加设计的灵活性也可以在FPGA控制器中调用51核单元实现 上述控制。
[0038] (2)组合波形输出的实现
[0039]在FPGA控制器内设置一个译码单元，第一波形选择开关和第二波形选择开关与译 码单元的输入连接;MAX038芯片的第一波形选择端和第一波形选择端与译码单元的输出相 连接，当然这都是通过FPGA的输入口和输出口来实现的。当译码输入为00时，译码输出为 〇〇;当译码输入为01时，译码输出为01;当译码输入为10时，译码输出为10;当译码输入为11 时，译码输出在时间上分为两段数据:前半周期为01，后半周期为10 JMAX038芯片输出端输 出信号的周期与同步输出端输出的方波信号周期相同，因此同步输出端信号可以作为译码 过程中的控制信号，也即是在同步输出端输出的方波信号的前半周期译码器输出01，在同 步输出端输出的方波信号的前后周期译码器输出10)，该译码模块为一组合逻辑模块，可以 根据上述逻辑功能得出逻辑表达式，通过调用FPGA内部的组合逻辑单元和门电路实现，也 可以使用VHDL编程实现，无论采用哪种方式最终都会被开发工具综合为固定网表电路结构 固化到FPGA控制器芯片中成为硬件电路。
[0040]最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参 照较佳实施例对本实用新型进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本 实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范 围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。
【主权项】
1. 一种基于FPGA的波形发生器，其特征在于:包括FPGA控制器、电子电位器、调压电阻R 和MAX038芯片； 所述MAX038芯片具有第一波形选择端、第二波形选择端、占空比调整端、同步输出端和 信号输出端； 所述调压电阻R的一端与电源VCC相连接，所述调压电阻R的另一端与所述电子电位器 的滑动端相连接，所述电子电位器的滑动端还与电子电位器的高电位端相连接，电子电位 器的低电位端接地，电子电位器的滑动端与MAX038芯片的占空比调整端相连接，电子电位 器的受控端与FPGA控制器的输出口相连接； 所述MAX038芯片的同步输出端与FPGA控制器的输入口相连接； 所述MAX038芯片的第一波形选择端与FPGA控制器的输出口相连接，所述MAX038芯片的 第二波形选择端与FPGA控制器的输出口相连接； 第一波形选择开关与FPGA控制器的输入口相连接，第二波形选择开关与FPGA控制器的 输入口相连接。2. 根据权利要求1所述的一种基于FPGA的波形发生器，其特征在于，所述MAX038芯片的 信号输出端与放大滤波电路的输入端相连接。
【文档编号】G05B19/042GK205427528SQ201620208239
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2016年3月9日
【发明人】霍福翠
【申请人】重庆电子工程职业学院