增強(qiáng)型并行口的信號(hào)發(fā)生器

PAGEPAGE8一、設(shè)計(jì)思路.假定要求產(chǎn)生一個(gè)任意周期波形函數(shù)f(x),在一個(gè)周期內(nèi)按等距離采樣N點(diǎn),然后進(jìn)行離散化函數(shù)求值：(1)將D(i)按一定的比特?cái)?shù)（取決于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)）進(jìn)行取整，從而得到：（2）式中n為數(shù)模轉(zhuǎn)換器的位數(shù)，INT為取整函數(shù)。將這N個(gè)數(shù)據(jù)通過EPP傳入FIFO存儲(chǔ)器中，然后通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成模擬量，經(jīng)濾波放大輸出，如此反復(fù)，就可以得到連續(xù)的波形。1、硬件設(shè)計(jì)增強(qiáng)型并行口EPP是一種與標(biāo)準(zhǔn)型并行口SPP(StandardParallelport)完全兼容且能完成雙向數(shù)據(jù)周期、數(shù)據(jù)寫周期、地址讀周期和地址寫周期。EPP所對(duì)應(yīng)的I/O端口不僅與SPP有同樣的基地址，而且還占有了其后面的5個(gè)端口作為附加端口。對(duì)于程序員來說，EPP實(shí)際上是由八個(gè)地址連續(xù)的硬件端口組成的，前三個(gè)端口（基地址+“00H-02H”）與SPP兼容，分別是SPP/EPP的數(shù)據(jù)口、狀態(tài)口和控制口，其中控制口課向外提供4路數(shù)據(jù)，狀態(tài)口可輸入5路外部數(shù)據(jù)。第四個(gè)端口（基地址+“03H”）是EPP的地址口，第五個(gè)端口（基地址+“04H”）是EPP的數(shù)據(jù)口，后三個(gè)端口（基地址+“05H-07H”）未定義。由于EPP只有8位地址線，地址的擴(kuò)展受到限制，而且進(jìn)一步擴(kuò)展地址將增加軟件和硬件的復(fù)雜度，因此我們采用FIFO(FirstinFirstout)存儲(chǔ)器與之接口。EPP通過這類存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，只需對(duì)對(duì)存儲(chǔ)器的單一端口讀，寫操作就可以實(shí)現(xiàn)，讀、寫環(huán)形指針的移動(dòng)由其內(nèi)部的硬件來完成，實(shí)現(xiàn)先進(jìn)先出算法。本設(shè)計(jì)中選用IDT7201FIFO作為存儲(chǔ)器，它的容量為512*9.第9位可用作控制位或奇偶校驗(yàn)位。提供“全空”、“全滿”、“半滿”狀態(tài)標(biāo)志，允許多片F(xiàn)IFO進(jìn)行級(jí)聯(lián)，并且不會(huì)增加額外的延時(shí)時(shí)間。。芯片提供對(duì)讀/寫指針的復(fù)位功能，使內(nèi)部讀/寫指針同時(shí)設(shè)置到初始位置，另外它還提供對(duì)讀指針單獨(dú)復(fù)位功能，使讀指針設(shè)置到初始位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)已讀數(shù)據(jù)的重新讀取。2、并口EPP工作模式計(jì)算機(jī)并口最初是為連接打印機(jī)而設(shè)計(jì)的,是現(xiàn)今計(jì)算機(jī)配置的標(biāo)準(zhǔn)接口之一,現(xiàn)在并口在很多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用,成為數(shù)據(jù)采集的通用接口IEEE1284標(biāo)準(zhǔn)為PC與外設(shè)之間定義了雙向通信協(xié)議一共定義了5種數(shù)據(jù)傳輸模式,根據(jù)傳輸方向可分為正向傳輸反向傳輸和雙向傳輸3類只有在EPP模式和ECP(擴(kuò)展容量并行端口)模式下,才能進(jìn)行雙向傳輸在新近的PC中都安裝了具有EPP和ECP功能的I/O控制器,在EPP模式下,可以只用一個(gè)IN或OUT指令來向I/O控制器傳輸一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),I/O控制器將會(huì)處理握手信號(hào)并產(chǎn)生選通信號(hào)EPP協(xié)議中定義了以下4種數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪Ｊ?分為數(shù)據(jù)讀寫和地址讀寫:a)數(shù)據(jù)寫周期(Datawritecycle);b)數(shù)據(jù)讀周期(Datareadcycle);c)地址寫周期(Addresswritecycle);d)地址讀周期(Addressreadcycle)二、方案設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器是指產(chǎn)生所需參數(shù)的電測試信號(hào)的儀器。按信號(hào)波形可分為正弦信號(hào)、函數(shù)（波形）信號(hào)、脈沖信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。信號(hào)發(fā)生器又稱信號(hào)源或振蕩器，生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。凡是產(chǎn)生測試信號(hào)的儀器，統(tǒng)稱為信號(hào)源，\o"查看圖片"

信號(hào)發(fā)生器的振蕩電路也稱為信號(hào)發(fā)生器，它用于產(chǎn)生被測電路所需特定參數(shù)的電測試信號(hào)。在測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)，噪聲系統(tǒng)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時(shí)，需使用振幅、頻率已知的正弦信號(hào)源。當(dāng)測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí)，又需使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號(hào)源輸出信號(hào)的參數(shù)、如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性，有輸出指示。信號(hào)源可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、矩行脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器等四大類。正弦信號(hào)是使用最廣泛的測試信號(hào)。這是因?yàn)楫a(chǎn)生正弦信號(hào)的方法比較簡單，而且用正弦信號(hào)測量比較方便。正弦信號(hào)源又可以根據(jù)工作頻率范圍的不同劃分為若干種。1、結(jié)構(gòu)內(nèi)部帶有掃頻輸出功能（全頻段掃頻時(shí)間小于5秒）是指低頻信號(hào)發(fā)生器具有從低頻開始到高頻（或反之）自動(dòng)變化的功能即完成100H——20KHZ中間所有頻率的低到高或高到低的變化過程，而這一次過程的時(shí)間為5秒。外部帶有掃頻控制輸入接口（控制信號(hào)為電壓0-5V，控制電流小于1mA）是指低頻信號(hào)發(fā)生器所輸出的頻率可以由外部進(jìn)行控制（有外部控制接口），外部控制頻率變化的電壓是0-5V，控制電流小于1mA。當(dāng)外部控制電壓在0-5V變化時(shí)，低頻信號(hào)發(fā)生器可以輸出可以在100HZ到20KHZ之間變化。2、工作原理信號(hào)發(fā)生器用來產(chǎn)生頻率為20Hz～200kHz的正弦信號(hào)（低頻）。除具有電壓輸出外，有的還有功率輸出。所以用途十分廣泛，可用于測試或檢修各種電子儀器設(shè)備中的低頻放大器的頻率特性、增益的通頻帶，也可用作高頻信號(hào)發(fā)生器的外調(diào)制信號(hào)源。另外，在校準(zhǔn)電子電壓表時(shí)，它可提供交流信號(hào)電壓。低頻信號(hào)發(fā)生器的原理：系統(tǒng)包括主振級(jí)、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓發(fā)達(dá)器、輸出衰減器、功率放大器、輸出變壓器）和指示電壓表。\o"查看圖片"

電源自適應(yīng)的方波發(fā)生器原理圖主振級(jí)產(chǎn)生低頻正弦振蕩信號(hào)，經(jīng)電壓放大器放大，達(dá)到電壓輸出幅度的要求，經(jīng)輸出衰減器可直接輸出電壓，用主振輸出調(diào)節(jié)電位器調(diào)節(jié)輸出電壓的大小。上圖的電路是一種不用電源的方波發(fā)生器，可供電子愛好者和實(shí)驗(yàn)室作簡易信號(hào)源用。電路是由六反相器CD4096組成的自適應(yīng)方波發(fā)生器。當(dāng)輸入端輸入小信號(hào)正弦波時(shí)，該信號(hào)分兩路傳輸，其一路徑C1、D1、D2、C2回路，完成整流倍壓功能，給CD4096提供工作電源；另一路徑電容C3耦合，進(jìn)入CD4096的一個(gè)反相器的輸入端，完成信號(hào)放大功能（反相器在小信號(hào)工作時(shí)，可作放大器用）。該放大信號(hào)經(jīng)后級(jí)的門電路處理，變換成方波后經(jīng)CD4096的12、8、10腳輸出。輸出端的R2為可調(diào)電阻，以保證輸出端信號(hào)從0～1.25V可調(diào)。該方波發(fā)生器電路簡單，制作容易，因此可利用該方波發(fā)生器電路，作市電供電的50Hz方波發(fā)生器。制作時(shí)，市電220V的正弦波，應(yīng)經(jīng)變壓器隔離降壓（1～0.75V）處理后，輸入到電路的輸入端，以保安全。主要采用地址寫周期和數(shù)據(jù)寫周期,其中數(shù)據(jù)寫周期基本時(shí)序見圖1圖1并口EPP模式數(shù)據(jù)寫周期時(shí)序總線周期的概念（1）.微處理器是在時(shí)鐘信號(hào)CLK控制下按節(jié)拍工作的。8086/8088系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率為4.77MHz，每個(gè)時(shí)鐘周期約為200ns。（2）.由于存儲(chǔ)器和I/O端口是掛接在總線上的，CPU對(duì)存貯器和I/O接口的訪問，是通過總線實(shí)現(xiàn)的。通常把CPU通過總線對(duì)微處理器外部（存貯器或I/O接口）進(jìn)行一次訪問所需時(shí)間稱為一個(gè)總線周期。一個(gè)總線周期一般包含4個(gè)時(shí)鐘周期，這4個(gè)時(shí)鐘周期分別稱4個(gè)狀態(tài)即T1狀態(tài)、T2狀態(tài)、T3狀態(tài)和T4狀態(tài)，必要時(shí)，可在T3、T4間插入一個(gè)至數(shù)個(gè)Tw。1）T1狀態(tài)——輸出存儲(chǔ)器地址或I/O地址。2）T2狀態(tài)——輸出控制信號(hào)。3）T3和Tw狀態(tài)——總線操作持續(xù)，并檢測READY以決定是否延長時(shí)序。4）T4狀態(tài)——完成數(shù)據(jù)傳送總線周期：總線周期通常指的是BIU完成一次訪問MEM或I/O端口操作所需要的時(shí)間。一個(gè)總線周期由幾個(gè)時(shí)鐘周期組成。時(shí)序信號(hào)每一條計(jì)算機(jī)指令都可以再分為更細(xì)的操作，我們稱之為微操作（或原子操作，它是最基本的不可再分割的操作），每個(gè)操作都會(huì)占用一定的cpu時(shí)間，我們稱之為工作周期（注意工作周期與指令周期的區(qū)別），又稱之為機(jī)器周期或基本周期。cpu在把各指令分成微操作時(shí)，各微操作的執(zhí)行是有順序的（即一個(gè)微操作必須要等待另一個(gè)微操作執(zhí)行完才可以執(zhí)行）。但是控制器只會(huì)發(fā)出微操作指令，叫各個(gè)部件去完成，它要怎么知道這個(gè)操作什么時(shí)候完成。這就引入了時(shí)序信號(hào)，時(shí)序信號(hào)是一個(gè)用來確定時(shí)段執(zhí)行哪些微操作的標(biāo)志。它規(guī)定這個(gè)微操作在什么時(shí)候發(fā)出去。時(shí)序信號(hào)是橫軸為時(shí)間的信號(hào)，即時(shí)域內(nèi)的信號(hào)，觀察信號(hào)時(shí)域的特征。如果需要通過并口向外設(shè)寫數(shù)據(jù),首先要發(fā)送地址,然后發(fā)要寫的數(shù)據(jù)地址信息通過向并口地址寄存器寫人地址信息來獲得,這樣計(jì)算機(jī)就把地址發(fā)送到外設(shè),然后把要下傳的數(shù)據(jù)寫入并口數(shù)據(jù)寄存器,計(jì)算機(jī)就能把數(shù)據(jù)發(fā)送到下位機(jī)計(jì)算機(jī)把寫入地址寄存器的數(shù)據(jù)當(dāng)作地址發(fā)送出去,把寫人數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)當(dāng)作數(shù)據(jù)發(fā)送出去,地址與數(shù)據(jù)發(fā)送的區(qū)別在于硬件不同,這樣外設(shè)的譯碼邏輯電路就可以分辨出數(shù)據(jù)和地址當(dāng)CPU向EPP數(shù)據(jù)或地址寄存器寫入一個(gè)數(shù)據(jù)時(shí),EPP控制器產(chǎn)生必要的握手信號(hào)和選通信號(hào),這樣就可以使用一個(gè)地址寫周期和一個(gè)數(shù)據(jù)寫周期來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸最常用的EPP模式通過擴(kuò)展使用了標(biāo)準(zhǔn)的并行端口SPP(串行分組協(xié)議)規(guī)范中沒有定義的端口,一般并口的基地址在BIOS中設(shè)為0x378本系統(tǒng)中為:BaseAddress=0x378;Address_reg=0x378+3;Data_reg=0x378+4三、單元電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的定時(shí)信號(hào)產(chǎn)生原理見圖2采用一個(gè)異步清零計(jì)數(shù)器對(duì)時(shí)鐘進(jìn)行加計(jì)數(shù),計(jì)數(shù)器的位數(shù)由時(shí)鐘頻率和重復(fù)周期決定每一路脈沖信號(hào)由兩個(gè)比較器產(chǎn)生,比較器一端為計(jì)數(shù)值,另一端為預(yù)設(shè)值第1個(gè)比較器在計(jì)數(shù)值D1時(shí)輸出高電平,第2個(gè)比較器在計(jì)數(shù)值D2時(shí)輸出高電平,將這兩路信號(hào)相與,高電平重復(fù)部分即為脈沖寬度,計(jì)數(shù)值D1對(duì)應(yīng)的時(shí)刻即為該信號(hào)相對(duì)于技術(shù)原點(diǎn)的延時(shí)同理,由D3D4可產(chǎn)生另一路相關(guān)的脈沖信號(hào),當(dāng)計(jì)數(shù)值D5時(shí),用一個(gè)比較器產(chǎn)生清零信號(hào),從而產(chǎn)生重復(fù)周期圖2定時(shí)脈沖產(chǎn)生原理因此,要產(chǎn)生一定脈沖寬度相對(duì)時(shí)間關(guān)系重復(fù)周期可調(diào)的定時(shí)脈沖,只需控制各個(gè)比較器的預(yù)設(shè)值,如圖2所示改變D1~D5的值就能實(shí)現(xiàn)3定是信號(hào)發(fā)生器的要求及實(shí)現(xiàn)本文介紹的定時(shí)信號(hào)發(fā)生器具體要求如下:a)輸出定時(shí)信號(hào)路數(shù):4路;b)脈沖寬度:1s~200s,歩進(jìn)0.1s;c)重復(fù)頻率:10Hz~20kHz;d)相對(duì)時(shí)間關(guān)系可調(diào),最小0.1s;e)軟件可在以上范圍內(nèi)任意輸入脈寬和重復(fù)頻率組合根據(jù)要求可知,脈沖寬度調(diào)節(jié)需精確到0.1s,因此所需時(shí)鐘頻率10MHz本文選用10MHz高穩(wěn)定度晶體振蕩器,計(jì)數(shù)周期為0.1s,由于最大重復(fù)周期為100ms,用10MHz計(jì)數(shù)20位才能滿足要求,本文采用24位異步清零計(jì)數(shù)器,最長計(jì)數(shù)周期可以達(dá)到1.67s圖3定時(shí)脈沖產(chǎn)生框圖圖中,10MHz晶振作為計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘,24位寬度的計(jì)數(shù)值分別送至各寬度比較器和頻率比較器的輸入端,每一個(gè)比較器的另一端數(shù)據(jù)則由計(jì)算機(jī)通過并口來控制,4路信號(hào)具有相同的重復(fù)周期,相對(duì)時(shí)間關(guān)系及脈沖寬度可以通過前沿和后沿?cái)?shù)據(jù)來控制如需產(chǎn)生信號(hào)重復(fù)周期為1msP1寬度為20s,P2寬度為50sP2滯后于P130s的時(shí)間關(guān)系,則周期數(shù)據(jù)為10000,P1前沿?cái)?shù)據(jù)為0,后沿?cái)?shù)據(jù)為200,P2前沿?cái)?shù)據(jù)為300,后沿?cái)?shù)據(jù)為800,即可產(chǎn)生要求的時(shí)序圖3所示電路所需資源較多,用小規(guī)模集成電路實(shí)現(xiàn)較為困難,因此,本文采用EPLD實(shí)現(xiàn)上述邏輯,采用Altera公司的Max7512實(shí)現(xiàn)脈沖發(fā)生單元與計(jì)算機(jī)并口的接口電路以及并行接口擴(kuò)充及數(shù)據(jù)鎖存電路硬件框圖如圖4所示圖4定時(shí)信號(hào)發(fā)生器硬件框圖由于采用了24位的計(jì)數(shù)器,因此周期數(shù)據(jù)鎖存器必須采用24位寬度,占用3個(gè)8位寬度,每路信號(hào)前后沿?cái)?shù)據(jù)占用4個(gè)8位寬度,4路信號(hào)需占用16個(gè)8位數(shù)據(jù)寬度,因此在EPLD內(nèi)共需鎖存20路8位數(shù)據(jù),以滿足信號(hào)產(chǎn)生的要求本文采用并口的EPP模式在EPLD內(nèi)擴(kuò)展了20個(gè)8位的I/O口圖5為利用并口的地址和數(shù)據(jù)訪問時(shí)序擴(kuò)展了16個(gè)I/O接口的部分電路圖5并口時(shí)序擴(kuò)展I/O接口地址鎖存及數(shù)據(jù)鎖存均采用D觸發(fā)器,訪問方法為先用地址寫周期鎖存地址,再