基于脈沖信號源的CPLD方法實現(xiàn)

單片機(jī)產(chǎn)生的脈沖信號源由于是靠軟件實現(xiàn)的，所以輸出頻率及步進(jìn)受單片機(jī)時鐘頻率、指令數(shù)和指令執(zhí)行周期的限制。文中介紹了一種以CPLD為核心的脈沖信號源，脈沖信號源的參數(shù)(頻率、占空比)由工控機(jī)通過I/O板卡設(shè)置，設(shè)定的參數(shù)由數(shù)碼管顯示，這種脈沖信號源與其它脈沖信號發(fā)生電路相比具有輸出頻率高、步進(jìn)小(通過選用高速CPLD可提高頻率及縮小步進(jìn))、精度高、參數(shù)調(diào)節(jié)方便、易于修改等優(yōu)點。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

脈沖信號源電路核心采用一片可編程邏輯器件EPM7128SLC84—10，它屬于Ahera公司MAX7000系列產(chǎn)品，MAX7000系列產(chǎn)品是高密度、高性能的CMOS EPLD，是工業(yè)界速度最快的可編程邏輯器件系列，它是在Ahera公司的第二代MAX結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上采用先進(jìn)的CMOS EEPROM技術(shù)制造的。MAX7000系列產(chǎn)品包括MAX7000E、MAX7000S、MAX7000A，集成度為600~5 000可用門，有32～256個宏單元和36—155個用戶I/0引腳。這些基于EEPROM的器件能夠組合傳輸延遲快至5.0 ns，16位頻率為178 MHz。此外，它們的輸入寄存器的建立時間非常短，能夠提供多個系統(tǒng)時鐘且有可編程的速度/功率控制。

MAX7000S是MAX7000系列的增強型，具有高密度，是通過工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)4引腳JTAG接口實現(xiàn)在線可編程的，在線編程電壓為5 V。EPM7128SLC84—10有128個邏輯宏單元，2 500個門電路，8個邏輯陣列塊，68個L/O管腳，速度等級為一6(傳輸延遲6 ns)，最高時鐘頻率為147.1 MHz。整個信號產(chǎn)生及數(shù)碼顯示控制電路(不包括驅(qū)動)集成在一片中。脈沖信號源電路由時鐘源、鎖存器、計數(shù)器、控制電路、驅(qū)動電路以及數(shù)碼管動態(tài)掃描顯示電路組成，電路框圖，如圖1所示。

時鐘電路采用80 MHz有源晶振，它為系統(tǒng)提供時鐘信號;鎖存器1及鎖存器2用于保存頻率及占空比數(shù)據(jù)，為16位計數(shù)器提供預(yù)置值，鎖存器位數(shù)為8位，設(shè)定的數(shù)據(jù)通過工控機(jī)輸入，由于計數(shù)器位數(shù)為16位，故需分兩次打人數(shù)據(jù);計數(shù)器1及計數(shù)器2作為定時器，按鎖存器1、2設(shè)定的值計時，兩個計數(shù)器交替工作，即一個計數(shù)器工作而另一個計數(shù)器不工作。當(dāng)工作的計數(shù)器到達(dá)計時時間后，向控制電路發(fā)出時間到信號?？刂齐娐方邮沼嫈?shù)器發(fā)出的信號，停止計數(shù)器工作，并重新裝載計時數(shù)據(jù)，同時啟動另一個計數(shù)器工作，從而產(chǎn)生規(guī)定頻率、占空比的脈沖信號，并輸出兩路脈沖信號，如圖2所示。為了提高信號源帶負(fù)載能力，輸出使用了7417367驅(qū)動芯片增加驅(qū)動電流。

顯示電路圖，如圖4所示，其中需要顯示的數(shù)據(jù)代碼通過工控機(jī)輸入。緩沖器74LS244用做多路開關(guān)，當(dāng)選通信號有效時，該路鎖存數(shù)據(jù)有效，數(shù)碼管顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)。

頻率及占空比數(shù)據(jù)按如下方式計算：

設(shè)要輸出的頻率為f，占空比為D，則鎖存器1、2要設(shè)定的值分別為

其中fOSC為系統(tǒng)時鐘，C1、C2采用2進(jìn)制補碼。由式(1)，式(2)式可得到頻率及占空比計算式

由上式可以看出信號源最高輸出頻率取決于系統(tǒng)時鐘頻率，最高頻率為系統(tǒng)時鐘頻率的一半(C1、C2均為1)，要提高信號源輸出頻率必須提高系統(tǒng)時鐘頻率，既采用高頻晶振或倍頻電路。占空比取決于C1與C1+C2的比值，輸出頻率為最高頻率時，占空比為50%;同樣最小步進(jìn)也取決于系統(tǒng)時鐘頻率，提高系統(tǒng)時鐘頻率，就可使步進(jìn)縮小。

如果要信號源輸出頻率為500 kHz，占空比為0.5的脈沖波，則按式(1)、式(2)可以算出，C1=C2=HB0(16進(jìn)制數(shù))。將C1、C2通過工控機(jī)置入CPLD中。如果C1、C2為小數(shù)，則需取整，取整后需按式(3)、式(4)重新計算頻率和占空比，算出的值為實際的頻率與占空比。

2 硬件編程

開發(fā)軟件采用Max PlusⅡ10.2，編程采用VHlDL硬件描述語言。

編程采用層次結(jié)構(gòu)，整個程序采用頂層模塊和底層模塊。頂層模塊，如圖4所示。底層模塊包括系統(tǒng)包含的各組件。

整個程序編寫完成后進(jìn)行編譯、仿真，仿真結(jié)果，如圖5所示。編譯、仿真通過后都正確，即可通過JTAG接口將程序下載到目標(biāo)板CPLD中，目標(biāo)板即可使用。

3 系統(tǒng)控制軟件

系統(tǒng)控制軟件采用LabWindows/CVI編寫，為了給鎖存器置數(shù)，可采用如下程序?qū)崿F(xiàn)：

4 技術(shù)指標(biāo)

本脈沖信號源輸出脈沖頻率：20~700 kHz，占空比：1%～40%，時鐘采用80 MHz有源晶振。在700 kHz時頻率步進(jìn)為6 kHz，20 kHz時頻率步進(jìn)為5 Hz。

5 結(jié)束語

由于采用了EPM7128SLC84—10作為脈沖信號源的核心。電路結(jié)構(gòu)簡單，頻率、占空比可任意設(shè)置，準(zhǔn)確度高。同時操作簡單方便，功能更易擴(kuò)展。