基于FPGA的实时可编程高精度信号源设计

　　1 引言

　　信号源作为一种电子测量和计量设备，通常可产生大量的标准信号和用户定义信号。由于它具有高精度、高稳定性、可重复性和易操作性等特点，而被广泛用于自动控制系统、震动激励、通讯和仪器仪表领域。它不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相移、波形进行动态、及时的控制，并能与其它仪器进行通讯，组成自动测试系统。在各种实验应用和实验测试处理中，既可根据使用者的要求，作为激励源来仿真各种测试信号，并提供给被测电路，以满足测量或各种实际需要，也可作为一种测量仪器来完成一定的测试功能。然而，由于应用背景的不同和对测试、测量技术要求的提高，对信号源的频率精度、幅值精度、信号形式等要求也越来越高，因此开发高精度信号源具有重大的意义。

　　所设计的高精度信号源可对存储测试系统、数据采集系统及导弹匹配装置进行测试，并可检测目标设备的工作状态和各项性能指标，为及时查找被测物体在运作中可能发生故障的原因，提供有效的测试手段，为产品设计与问题故障分析提供依据。

　　2 系统总体方案设计

　　测试系统通过USB 接口与计算机相连，由计算机软件生成数据并完成下载，实现波形实时可控输出。系统原理框图如图1 所示。

　　信号源的工作过程如下：计算机发出命令和波形数据，通过USB 总线传送给USB 接口芯片，经高速串行总线下传到单片机C8051F060，单片机对其接收到的指令和波形数据诠释后下传给FPGA，由FPGA 完成数据存储、D/A 转换、功能指示及其他逻辑控制。D/A 转换后的模拟信号经调理电路后输入到32 选1 开关电路进行选通，再经运放跟随和自激振荡消除电路处理后即可输出。信号输出的同时再输入到反馈信号选择电路，由C8051F060 自带的16 位AD 采集反馈信号，与理论值进行比较并动态调整，组成闭环控制系统，以提高输出信号的精度。

　　3 系统实现

　　硬件实现主要包括元器件的选择、波形重构电路设计、信号调理技术、降噪技术等多种硬件处理技术。根据上述方案，主控制芯片选用全集成混合信号在片系统单片机C8051F060，FLASH 存储器还具有重新编程能力，可在线调试。C8051F060 自带16 位ADC，可采集反馈信号，符合信号源的需要，组成闭环控制系统，大大提高了系统的精度。设计中选用AD768 型D/A 转换器，它具有16 位的分辨率，理论精度为1/216=0.002%，满足该信号源0.01%的精度要求。该器件具有良好的直流和交流特性，最大数据更新速率为30MSPS，片上集成2.5 V 带隙参考电压，可保证输出电压的精度和稳定性。AD768 特殊的内部结构使其具有优越的动态精确度，并且单线控制，操作方便。

　　软件设计主要是指计算机产生各种控制命令和波形数据，制定相关通信协议，按照既定协议把命令和数据实时下传给单片机，保证计算机与单片机之间的正确通信。USB 串行总线每次下传8 位数据，但要求信号源精度为0.01%，用8 位数据不能达到要求，故选用了AD768.首先由计算机产生16 位的波形数据，并把每个16 位数据分离成3 个8 位数据，其他空余位用来标识高低位。在D/A 转换前，控制模块单片机C8051F060 和FPGA 的工作之一就是要把它们还原成原来的16 位数据，也就是数据的二次编码，这样AD768 收到的就是二次编码后完整的16 位数据。

　　4 闭环控制系统的实现

　　闭环控制系统是指从输出端到输入端带有反馈通道的控制系统，亦称为反馈控制系统，如图2 所示。该系统能对输出量与参考输入量进行比较，并将它们的偏差作为控制手段，以保持两者之间的预定关系。在该系统中，控制单元与受控对象之间不仅有顺向作用，而且还有逆向联系。作为输入信号与反馈信号之差的误差信号被传送到控制单元，以便减小误差，并使系统的输出达到期望值。