<p>简要介绍作品：     本项目设计了一个非常小型、便携且低成本的任意波形发生器，体积仅为80x44x5mm，比一张信用卡略小，可以轻松揣兜里，支持锂电池供电掏出来即可使用。性能方面DAC波形输出采样率可达到100MSPS,可输出25MHz以下的正弦波和5MHz以下的任意波形，且波形幅度和偏移可调节。 一、作品详情；     本设计使用了MCU+CPLD+SRAM+DAC的构架来实现高速的DDS的结构，使用MCU进行波形运算和波形查找表的生成，使用CPLD配合高速SRAM实现查找表的高速输出，CPLD在接收MCU送来的数据后将数据按着FIFO的方式写入到SRAM,然后再以一定的速率将查找表数据循环输出给DAC,来实现高速且任意波形的输出。</p> <p>技术参数：     波形采样率：100MSPS     输出通道数：1     最大频率：25MHz     基础波形：正弦波，方波，三角波，锯齿波，SINC脉冲     扩展波形：可自定义     查找表长度：512KB     模拟前端3dB带宽：25MHz     输出波形峰值：小于5MHz:40mVpp~5Vpp                              小于25MHz:40mVpp~2Vpp     输出波形可偏移范围：-3.3V~+3.3V     输出阻抗：50ohm     输出关断漏电流：1uA     输出关断最大峰值耐压：300V     供电：5V-USB_Mirco输入或内置锂电池</p> <p>本设计所用到编程软件和EDA工具： LCEDA matlab Filter Solutions Keil MDK quartus Multisim ModelSim JFlash Visual Studio</p> <p>二、描述作品所面临的挑战及所解决的问题；     目前电子实验室常见的波形发生器（信号源）都为台式，其具有体积大，重量大，功耗高，难于搬动便携使用。而且其价格对于学生、创客和电子爱好者等群体来说难于承受。作为实验室的四大件之一（示波器、信号源、稳压电源、万用表），缺了信号源，对于很多电路的调试都无法给予激励，成了电路调试的瞎子，导致很多实验无法完成。     因此本项目就为了解决这个问题而来，目的是设计一款，性价比好，性能不差却成本低，便携（可以移动供电），使用环境不仅仅局限于实验室的任意波形发生器。虽然相比于商业的成品信号源，在功能和性能上有些差距，但是在现有成本可接受的程度上，已经达到了不错的性能，对于音频级设备调试可以说是游刃有余，对于MHz级别的低速电路也可以胜任。     本设计针对的痛点：     国外不少开源的波形发生器方案，使用MCU直接对接DAC，这样的波形发生器至多有几百KSPS的DAC采样率，只能产生数十KHz的波形，有时候连音频级的应用调试都有些吃力；而本设计相对于MCU直推的方案,突破了MCU的低带宽问题，将波形输出采样率提高2-3个数量级，达到100MSPS，大大提高了波形输出速度;     相对于使用一片集成DDS（比如AD9851,AD9833）,这些集成DDS一般只能输出单纯的正弦波和方波，对于复杂波形需求的场合，实在无能为力，但是本设计可以实现任意波形的输出，甚至是用户编程波形的输出；     相比于使用专业FPGA来实现的设计，一片FPGA的价格往往少说上百多则上千，而本设计选择了折中的CPLD方案，成本才几元，虽然在一些高速复杂任务中性能会有所受限，但是却带来了体积的缩小，功耗的降低，以及最重要的成本的降低，可以把bom成本做到两位数，降低了学生、创客等群体拥有波形发生器的门槛。</p> <p>三、描述作品硬件、软件部分涉及到的关键点； 硬件设计部分，分为四部分：低速人机交互部分、高速数字部分、高性能模拟前端部分和供电部分。 软件设计部分，分为两部分：STM32的程序编写和CPLD的程序编写（使用硬件描述语言Verilog）</p> <p>硬件部分 1、对于低速人机交互部分，主要由MCU和外围的屏幕按键等人机交互部件组成。 其中屏幕与MCU的连接和CPLD与MCU的连接，都是使用8位并口。 两个三向按键口，支持大拨轮按钮也支持旋转编码器，设计分别连接到定时器2和定时器3的编码器接口。 这部分有一个要点是，因为单片机的IO不够使用，所以使用了AD按键，这个设计可以使用一个IO读取10个按键，电路图如下。 AD按键的设计 各个点按下的电压 可以支持10数个按键 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/iuAcnLrz6JVZB6dYlzwAnKFlqd8yQh4PmiLKtGQb.jpeg" alt="ADKEY.JPG"> 在程序中实现每1ms读取一次ADC，然后进行消抖和按键服务，可以区别出短按和长按，但是不支持多键同时按下。 2、对于高速数字部分，主要有三个器件组成：CPLD芯片-EPM240,高速SRAM芯片-IS61LV25616AL，和时钟发生芯片-ICS511。 首先是时钟发生，只有高精度、低Jitter的高速时钟的支持，才能保证波形发生的精确；使用的晶振是嘉立创贴片提供的25MHz晶振，厂家是YXC，精度10ppm。使用的PLL芯片为ICS511，该芯片可以提供2-8倍的可编程倍频输出，最高可达200MHz,其抖动性能优秀，绝对时钟周期抖动为+-70ps,单周期时钟抖动为20ps，在本设计中为数字高速系统提供了100MHz的稳定时钟。 其次是高速SRAM芯片，作为查找表的高速缓存，选用了ISSI公司的IS61LV25616AL-10，这是一颗高速异步静态RAM,比起SDRAM而言操作要简单不少，不需要刷新操作，节约了CPLD的内部本来就紧凑的逻辑资源。这颗SRAM的访问接口为256Kx16位，接口访问速度达到10ns,也就是说可以达到200msps的访问带宽，足以支持本设计的DAC数据吞吐量需求，查找表长度512K，也满足了绝大部分波形生成应用的需求。 CPLD芯片为DDS的核心驱动，从获得的时钟逐周期从SRAM中读取查找表数据并输出到DAC,提供稳定精确等间隔的数据更新速率。 DAC芯片选用了ADI公司的AD9708 这是一个8位100Msps的高速DAC，为了方便系列间兼容 芯片封装支持14bit数据 在电路设计中 将14位数据通道都全部链接 作为兼容设计 以后可以升级更高精度的DAC。 3、高性能模拟前端部分 可以说是本项目的灵魂，没有好的模拟前端，就不可能输出干净的波形。 本设计中的模拟前端主要是有四部分功能：DAC输出滤波、信号增益控制、信号偏移控制和输出驱动与保护 根据DAC的原理，DAC输出需要接一个重构滤波器，来消除高阶谐波。因为DAC输出是电流型输出，所以这里设计了一个九阶无源巴特沃兹滤波器来实现重构滤波器。 使用专业滤波器设计软件 设计得到滤波器如下图（因为需要取一定精度的电感电容才能购买到 于是做了近似 所以曲线有所偏移） <img src="//image.lceda.cn/pullimage/iBlwM9w9V30CF656DPCwXS7EhGXenlYdlic9wAGA.jpeg" alt="9th btwz1.JPG"> 仿真结果 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/whjLM2iIdLS1CSISiLFxoMBp12jzvD0LOQ52t9ov.jpeg" alt="仿真结果.JPG"> 3dB衰减频点 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/75wDOgYLlcYLS1XMtHDaqqozWVro0CN218Hmgdre.jpeg" alt="3dB衰减频点.jpg"> 阻带频点 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/bkUpqLZnVPViV1bnfBWTqaSQh5gDPBZ1F0HCdqyT.jpeg" alt="阻带频点.jpg"> 最终电路设计 使用差分电流结构 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/5YUrzwamxppl7JHPBCmJslSDCl3QHFJpludoVjkR.jpeg" alt="LFP.JPG"> 对应实物设计 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/cwSA2m6W64FNIvA98VrR08lr6lV1jHvYk9v1bkvu.jpeg" alt="9th btwz3.JPG"></p> <p>信号增益控制部分使用了ADI公司的AD603芯片 这是一颗压控可变增益运放，本设计中选用其-11dB至+31dB的增益范围，此时该芯片拥有90MHz的带宽 足够满足设计需求。使用stm32自带的DAC输出后转换为+-1V可以实现信号峰峰值从40mV到5V的数字可控。 信号偏移控制 使用了ADI公司的AD8042高速运放的其中一路 AD8042是一颗轨到轨的高速双运放，有160MHz的3dB带宽和200V/us的摆率，能满足高速信号输出的需求。 实现偏移控制和输出驱动与保护的电路如下图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/9TIYLxMLrL2QDN7U5ysoJmnWK3VW0vrsNVjbBqGe.jpeg" alt="OUT.JPG"> 最终的驱动输出驱动进行了一次方向，可以选择设计放大与否，AD8042可以提高高达50mA的输出电流，足够推动常见的负载。 输出开关使用AQY210光耦控制，且有双二极管过载保护。 用于增益控制和偏移控制的电压量都是来自stm32内部自带的DAC，其输出为0-3.3V,而增益控制需要+-1V,偏移控制需要+-3.3V,因此需要一个运放来完成转换。但是这里涉及一个问题，系统供电为+-3.3V，需要耐压7V以上的输入输出轨道轨的运放非常少，确实5.5V耐压的运放，用cmos工艺制成，很容易实现输入输出轨到轨，但是cmos工艺不能耐压太高，高压的运放多为三极管工艺，大部分只能到地轨，能到电源轨的少之又少，找了好久终于找到了安森美的mc33202这款运放，耐压可以到12V，解决了问题。 控制电压映射电路如下 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/t9eQEodJrHvNPHUop12OErM5Fbxe7NZ5tIt95vn4.jpeg" alt="33202.JPG"></p> <p>供电部分 有两种选择 可以选择模拟域+-3.3V 这样可以功耗较低 适合电池使用 模拟域+-3.3V由LDO+负压电荷泵构成 可以选择模拟域+-5V 这样可以功耗会翻翻 适合高性能应用 由宽的输出电压范围 模拟域+-5V由BOOST DCDC构成 通过选焊实现不同功能 对于地的处理 小心谨慎的设计了模拟地和数字地，并在最靠近DAC的地方设计了单点连接模拟数字地 并对关键滤波放大环路设置了完整的地平面且充分接地 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ohn2ptBUqMu8zryRcwbJ4zozKTohsNrwIkGHFQay.jpeg" alt="GND.JPG"></p> <p>软件部分 单片机的程序编写使用模块化编写，每个波形一个独立模块，这样可以非常方便的增加删减波形，调整波形顺序。也可以很方便的为每个波形定制不同的参数 操作和功能等等，相当的灵活。</p> <p>因为大赛要求PCB板子上必须有logo，需要图片视频特写logo，而本PCB因为位置特别紧凑，所以大赛logo只能放在了TF卡座封装的下方，所以在参赛期间没有焊接tf卡座。后期对于各种扩展波形，自定义波形之类的波形，都将可以通过TF卡储存并导入使用或者USB直接下发，这是后期的升级目标。</p> <p>SIN值的查找表使用MATLAB生成 MATLAB代码如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/9mjNYfKNKRZ7cY59mmCa2epHPmdqOmIwdhkLws4X.jpeg" alt="MATLAB代码.JPG"> 代码文件见附件</p> <p>SINC函数发查找表也使用MATLAB生成 MATLAB代码如下： <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ieEE86RLDNqj6yuIDnfGieJRn2QcwhRLqPRqpJzd.jpeg" alt="SINC MATLB.JPG"> 代码文件见附件</p> <p>CPLD程序涉及 使用Verilog硬件描述语言编写，使用ALtera公司的官方EDA开发，QuartusII 13.0.1 下图为顶层部分代码截图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/OrbdfXxXl7SVjbAoaeK0NwRbjIBgwJkbVOC55RPF.jpeg" alt="CPLD.JPG"> 鉴于大部分朋友没有可编程器件的开发经验，此处简单介绍怎么综合和烧录 首先准备下载QuartusII，购买USB Blaster。创建工程 选择器件 添加文件等过程掠过 网上可以找到 教程 点击紫圈编辑引脚关联 点击红圈箭头开始综合布线 点击蓝圈下载 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VM7fAazVVqaoWqWwsHYmJHU35ArmpiZbubJMtVWK.jpeg" alt="QuartusII.jpg"> 引脚定义 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/w2h65sh5WWGmPHkANLupuO6EEUh6Xqw8V5H5us7u.jpeg" alt="PIN1.jpg"> <img src="//image.lceda.cn/pullimage/k6KmEbjLjc0Q8Z3jutaCzZeGTmhdKHqUwirEOuQ5.jpeg" alt="PIN2.jpg"> 下载流程 插好USB Blaster 使用JTAG口连接目标板 Blaster的JATG引脚定义 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/NQbalKbmu2AojkysV7FZfzCh3WDp5zRsTBRM5XJY.jpeg" alt="JTAG引脚定义.JPG"> 点开下载界面 红圈选择要下载文件 篮圈勾选下载选型后点开始 等待下载完成 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/VYsAX7hwUSaO1YLoEbKxOrJ7kETWjMQuulxqknVU.jpeg" alt="Doenload.jpg"> 要下载的文件.pof文件 文件见附件 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/cvPoyVKtZk3Unfk0xQNv7Jfkprh35fxTa8BohgsO.jpeg" alt="DL File.jpg"></p> <p>关于上位机 正在开发 开发环境 Visual Studio 用的是C#语言 上位机代码/工程截图 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ng9FU2HTlaqorGMO6LGICnDZFd8UK9HRD9UdrtbU.jpeg" alt="code.JPG"> 目前就搞了个开头半成品 只是有个架子 还没最终定型，好多显示的参数也还没有敲定 上个半成品图仅供参考，里面的数据不是最终效果，因为大赛马上要截稿了，搞不完了只能后面慢慢搞 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/C1lriLCBGeML0gi2PD72VX619X28RS4YPZUkzm6c.jpeg" alt="半成品.JPG"></p> <p>四、作品图片上传； PCB打样回来的样子 感谢立创提供的SMT打样服务，省了很多焊接的事情 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/XQtBlsVFmFASvuM8gWDwtnEoiAXrCblB6JMnggqh.jpeg" alt="4.JPG"> 空板背面 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/hDgfqGXIriV2MYkeKLaQmiFN6ZxltXAg9mT0mUZe.jpeg" alt="5.JPG"> 焊接好正面 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/mmziz0xZ1xsRPq7Po9zUevFzivnGxSD2PkBq6M6z.jpeg" alt="I3yctE8EESy7bbZrtGbq84J3MBR6YrWeY0rfo2SS.jpeg"> 焊好背面 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/uaVuyRW2XlCU3uMZOYsjuGQ8SKbWcDGBwgeXMJIT.jpeg" alt="6.JPG"> 装屏幕焊好 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/AFFA4UJG4gnpmqmNgzXI4ccrbfZlAGxIjXdmHk7L.jpeg" alt="2.JPG"> 握在手里的大小 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/d2q9BmQnnfNrvGYBszJMleMyRFPns4PYlBt5ULtv.jpeg" alt="7.JPG"> 对比北京交通卡（信用卡）大小 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/vLW7TUiIyGmBdyrQsg3rzpDBdAv6Xbo1tUjj8z8x.jpeg" alt="3.JPG"></p> <p>输出性能示意图 最高输出25MHz的正弦波 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/IYEjqg1HszZ6HXbLU7iBYhtK6MxkkKaCMHufnby4.jpeg" alt="25MHZ.JPG"> 200K的正弦波 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/lkpU2wtRVxms4mGYbOHM5u8CwyzGzaEOdhBnVQyr.jpeg" alt="15.JPG"> 锯齿波输出 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/pNtoanKvjUjUvDYKZp7pR7A108Ktyj5r3xVm2AmK.jpeg" alt="11.JPG"> SINC输出 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/dC3ruqDUvIVFccqBPO3aWaEkDuqv5rg2XX1ERrOZ.jpeg" alt="9.JPG"> 方波输出 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/39Y9pUtVB7Fbw6siJG0RltZrlBxzrDjpajjO7YH1.jpeg" alt="10.JPG"> 三角波输出 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/HPGFZ06BOt7t00cxDFsvBINDH8BbJxaUC9FvRqBG.jpeg" alt="12.JPG"> 阶梯波输出 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/UgYAUnAVYY1DSvYgXO2zAHNUqW3QEYlWtunieqGe.jpeg" alt="13.JPG"> 最小幅度输出 <img src="//image.lceda.cn/pullimage/ZNdlhICbPdeTll2P5puqwPSCG8pxySwjvr0QbO5v.jpeg" alt="14.JPG"></p> <p>五、作品材料清单； <img src="//image.lceda.cn/pullimage/TpPAVzwqB7qDUQKZbqfCmmGSIzJsYGnxngsJHnDh.png" alt="image.png">   BOM表见立创EDA 见附件   六、开源文档;   PCB文件见立创EDA   开源程序和可执行文件见附件   七、演示视频：见附件</p>