100MHz可编程数字信号发生器

    摘 要： 介绍一种基于ISA总线的可编程数字信号发生器，其特点是：工作时钟100MHz，用可编程逻辑器件EPLD作为核心元件，信号输出多达16路，用LabWindjows/CVI软件设计的PC机虚拟仪器面板，界面友好，操作方便。并给出了硬件原理框图。

    关键词： ISA总线 可编程 数字信号发生器 虚拟仪器

    在通讯、电子、自动控制中，经常需要非周期的、能精确定时的数字信号，用以产生测试信号或模拟控制的时序。国内现有的可程控信号发生器输出信号频率较低（几kHz～几MHz）、输出路数较少（一般为两、三路）且结构复杂、操作不方便，难以满足现代电子技术发展的需要。

    为此，我们开发了一种各路输出的波形可独立地任意编辑、最小输出方波步长为10ns、信号输出多达16路、每路信号基长为256K单元的可编程数字信号发生器。该仪器的核心元件为ALTERA公司的EPLD，以ISA总线插卡插入计算机，工作时钟频率为100MHz。用LabWindjows/CV软件设计了虚拟仪器面板，界面友好，操作方便。该仪器已在中国科学技术大学、北京化学研究所等多家实验室广为应用，效果很好。

    １ 系统原理

    在PC机上将编辑好的16路波形数据通过ISA总线写入高速静态RAM。电路首先要对ISA总线的I/O口地址以及读写控制等进行译码，再驱动一个18位的地址发生器（计数器）寻址256K×16bit RAM。PC机将写入的数据读回比较，若正确则允许触发输出信号（可以软件触发、外加脉冲触发、手动按钮触发）。 输出的信号首先要经过74F574锁存，再经过74F245驱动输出，输出为TTL电平，每路最大驱动电流为64mA。256K RAM内容可单次触发输出完停止，也可循环多次输出，并且带有触发指示灯LED。

    译码、地址发生器、片选及各种控制逻辑都在一片ALTERA的EPM7128SLC84-7片内实现。这比用分立元件可靠性大为提高，尤其在100MHz 时钟频率下，信号质量明显改善。EPM7128SLC84-7片内可编程逻辑门有2500个，宏单元有128个，可用I/O片脚为68个。支持在线编程ISP(in-system programmability),不用将芯片拔下重新烧录，通过PC机标准串行口即可将编译好的逻辑数据文件烧录进片内，方便逻辑调试。开发工具软件为Altera`s MAX+PLUS II，该软件是基于WINDOWS，具有逻辑编辑、编译、功能仿真、时序仿真、时序分析等功能。

    本系统采用了16片ISSI公司的高速静态RAM ：IS61C256AH-8(32K×8bit)地址建立时间(address access)为8ns，数据保持时间(data hold time) 为2ns, 片选建立时间(CE access time)为8ns。

    PC机I/O口地址可以在电路板上灵活设置以避免与别的I/O设备地址冲突，设置范围为0320H～033FH。

    系统硬件原理示意框图见图１。

    ２ 主要特点

    2.1 精确定时

    该信号发生器由于采用了全数字结构，因而可以实现精确定时输出时序。工作时钟频率为100MHz，决定了输出步长为10ns。由于每路基长为256K单元，则最大输出方波间隔为256×1024个步长，即262144×10ns=2.62144ms。也就是说，宽度为10ns的不同两路输出方波信号最小间隔为10ns最大间隔为2.62144ms见图2，两者虽然相差5个数量级，但最小间隔的定时绝对误差与最大间隔的定时绝对误差相同，仅取决于时钟晶振的晃动。本系统时钟采用高精度晶振，时钟晃动仅为十几ps 故定时绝对误差仅为十几ps。

    2.2 波形任意

    各路可以独立编辑生成各种周期波和非周期波。步长是由时钟频率决定的，固定为10ns,但周期波的周期、占空比可调，非周期方波宽度和间隔可调。都是可以以10ns的整数倍任意调制的。图３示意几种编辑生成的波形。

    ３ 技术难点

    本系统的时钟频率是100MHz，锁存器的锁存信号是100MHz 所有的数据线信号频率是50MHz，最低位地址线信号频率是50MHz。在这种高速电路设计中，必须要考虑信号的反射、串扰、衰减等因素，这是同普通低速电路不同的。为此，我们采用了以下的措施：

    · 为防止信号串扰及保证传输线阻抗均匀（终端阻抗匹配技术只对均匀阻抗有效），采用了四层电路板结构，中间两层是电源层和地层，上下两层是信号层。

    · 为防止信号反射，对高速信号线（50MHz以上）都采用了阻抗匹配技术。对100MHz信号线还采用了伪同轴电缆技术。

    · 由于本系统是采用了16片RAM，地址线及数据线的驱动问题就显得非常突出。为此，将16片RAM分为四组，地址线每组由两片74F245驱动，数据线每组由一片74F245驱动。18位地址线的低15位用来直接寻址RAM，最高3位地址线经138译码逻辑来产生片选信号。

    · IS61C256AH-8的地址建立时间是8ns，数据保持时间是2ns。虽然从原理上讲有4ns的时间范围可供锁存数据，但由于地址驱动芯片74F245的传输延迟时间(propagation time)范围较大(1.5~6.5ns)，虽经筛选但实测有效锁存数据时间范围仍不到2ns。这就要求精确调整锁存器74F574的锁存时序。当然，为确保片选、使能、读写正确也要仔细调整各时序。

    · 在逻辑设计时，为确保第一和最后一个波形正确而采取了一些特殊措施。因为ALTERAEMP7128SLC-7的逻辑门延时为7.5ns，对于信号输出完即停止方式，为确保第一个波形正确必须提前一个周期启动地址发生器，为确保最后一个波形正确必须提前一个周期关闭地址发生器。所有时序调整主要是在EPLD片内完成，用Altera`s MAX+PLUS II的时序仿真来确定。

    ４ 虚拟仪器软件实现

    所谓虚拟仪器就是用软件来实现以往通用仪器才能完成的功能。现在有很多工具软件可以用来设计虚拟仪器。本系统采用美国国家仪器公司提供的LabWindjows/CV工具软件设计。该软件采用可视化编程，各种常用仪器面板库功能强大，还可以直接调用ANSI C、VISUAL C等标准库函数，实现各种复杂算法。

    本虚拟仪器操作面板主要包括：I/O口地址选择、波形编辑、波形输入、触发输出、波形显示、复位、退出等。

    波形编辑：对256K个单元定义波形不可能逐一定义，本软面板采用解析式来方便波形编辑。可以对单个通道单独编辑，也可以对16个通道统一编辑（16个通道波形相同）。每个通道的波形定义都以文件保存。波形定义分为规则波形和不规则波形两种。

    规则波形定义：只需指定 起始点，终止点，高电平个数、低电平个数。可以将256K分为若干段分别定义为不同的规则波，也可以将256K定义为单一规则波。

   例：ch_def1.dat ；通道１波形定义文件

    g ；规则波形标志符

    1 ；1表示首先是高电平，接着是

    低电平；0 则相反

    2,100,1,1 ；表示第2～100范围，由若

    干个１个高电平（每个10ns）

    ；和１个低电平每个10ns组成；

    即：1H1L1H1L1H1L．．．．．．

    101,2000,1,3 ；表示第101～2000范围，由若干

    个１个高电平（每个10ns）

    ；和３个低电平每个10ns组成

    ；即：1H3L1H3L1H3L．．．．．．

    ；其余全是低电平。

    不规则波形定义：只需指定 高电平（或低电平），起始点，终止点。

    例：ch_def2.dat ；通道２波形定义文件

    U ；不规则波形标志符

    1 ；１表示是高电平；０ 则相反

    5,6 ；表示第５～６范围，全是高电平。

    200,202; 表示第200～202范围，全是高电平。

    ；其余全是低电平。

    波形显示：可以在计算机显示器上预览16个通道的波形。这样，可以直观地检验用解析式编辑的波形是否满足要求。

    总之，设计一个工作时钟100MHz、16路输出信号、每路信号基长256K单元、波形编辑方便的可编程数字信号发生器还是有一定的技术难度的。本信号发生器的输出信号用400MHz示波器观察，波形正确无误。经采用终端阻抗匹配技术后，信号反射（上冲、下冲）均小于5%。事实证明，该仪器的软硬件设计是成功的。100MHz可编程数字信号发生器在电子、通讯等各个领域有着广泛的应用前景，尤其是在需要非周期的、能精确定时的数字信号，用以产生测试信号或模拟控制的时序等场合。