集成運放電路功能模擬實驗教學裝置設(shè)計*

汪興海 孫雪麗 畢敬騰

（海軍航空大學航空基礎(chǔ)學院 煙臺 264001）

1 引言

近些年，隨著高速AD/DA硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，以軟件無線電為代表的電子系統(tǒng)設(shè)計理念不斷深入人心，軍用電子設(shè)備不斷更新?lián)Q代，對軍隊院校人才培養(yǎng)提出了新的要求。目前軍隊院校電子信息類專業(yè)相關(guān)公共課程主要包括模電、數(shù)電、可編程邏輯設(shè)計、數(shù)字信號處理等，電子技術(shù)實踐教學作為電子學相關(guān)專業(yè)本科教學的重要組成部分，目前主要采用項目驅(qū)動、比賽牽引、自主實踐等形式進行，學生能夠在實踐過程對課本知識進行綜合運用，并能夠根據(jù)實踐目標進行拓展學習，取得了較好效果［1］。

為了進一步提升學生對數(shù)字電子技術(shù)的認知水平，強化電子技術(shù)實踐教學環(huán)節(jié)項目設(shè)計的綜合性，將電子技術(shù)相關(guān)知識點有效串聯(lián)，本實驗教學裝置將集成運放電路、AD/DA電路、可編程邏輯設(shè)計、片上系統(tǒng)設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)編程等知識點綜合為實踐教學項目，培養(yǎng)學生電子系統(tǒng)綜合應用能力，也為后續(xù)數(shù)字信號處理相關(guān)課程的學習做好鋪墊。

2 設(shè)計要求與模塊組成

運放電路能完成加減、積分、微分以及比例運算等。綜合考慮實踐教學目標、實驗室元器件性能指標、經(jīng)費保障等因素，將基本要求制定如下［2～4］。

1）模擬信號輸入：幅度范圍1Vpp；頻率范圍10k～100k；波形類型為正弦波、方波、鋸齒波；通道數(shù)2。

2）模擬信號輸出：幅度范圍10Vpp；通道數(shù)1。

3）實時采樣率≥10K。

4）可手動設(shè)置功能模擬選項，包括加法、減法、積分、微分。

5）顯示：能夠顯示當前電路功能相關(guān)信息。

模塊組成主要包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)輸出、主控、人機交互，如圖1所示。

圖1 模塊組成圖

數(shù)據(jù)采集：根據(jù)主控模塊提供的采樣率，將輸入模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。

數(shù)據(jù)輸出：根據(jù)主控模塊提供的采樣率，將數(shù)據(jù)處理模塊生成的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。

數(shù)據(jù)處理：根據(jù)主控模塊提供的采樣率，讀取數(shù)據(jù)采集模塊上傳的數(shù)據(jù)，根據(jù)主控模塊提供的功能設(shè)置信息對數(shù)據(jù)進行運算處理，并將運算結(jié)果傳遞給數(shù)據(jù)主控模塊。

主控模塊：作為片上系統(tǒng)的控制中樞完成各個功能模塊的信息解析與傳遞，負責整個片上邏輯的驅(qū)動管理［5～6］。

人機交互模塊：實現(xiàn)功能信息的顯示和操作指令的輸入，例如功能設(shè)置輸入、采樣率設(shè)置、功能電路顯示。

3 系統(tǒng)硬件方案設(shè)計

3.1 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采集電路采用8bit并行輸出，每完成一次采樣，該模塊需要讀入2*8bit數(shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進行4個采樣周期的延時處理后，需要對數(shù)據(jù)進行處理，完成加/減、微/積分、比例運算等操作，硬件平臺基于Altera Cycloneiv系列芯片設(shè)計，緩存模塊采用芯片內(nèi)置的DCFIFO和雙口RAM設(shè)計，該模塊的核心部分是算法邏輯電路設(shè)計［7～11］。

1）加/減邏輯電路

基于運放的加/減法電路比較簡單，模擬電路計算公式為U0=-(Ui1+Ui2)；U0=Ui2-Ui1。

數(shù)字邏輯設(shè)計如圖2。

圖2 加減邏輯設(shè)計圖

其中Adata連接通道A對應的緩存，Bdata連接通道B對應的緩存，clk和模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣時鐘同步，AS、AS_clk接數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出選擇器。Add_EN、Sub_EN分別為加、減功能選擇端，高電平有效，Sel信號線接主控模塊的加減控制端，內(nèi)部邏輯根據(jù)Sel的高低，分別執(zhí)行Adata、Bdata的加和減。

2）微分邏輯電路

集成運放微電路公式：

數(shù)字化：

其中K為比例系數(shù)，默認為1，f為模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率，默認為1M，j為步長，默認為1。表示第n時刻輸出的微分數(shù)字量，表示第n時刻輸入的被微分函數(shù)數(shù)字量。數(shù)字邏輯設(shè)計如圖3。

3）積分邏輯電路

集成運放積分電路公式為

其中K為比例系數(shù)，默認為1，f為模數(shù)轉(zhuǎn)換頻率，默認為1M。表示第n時刻輸出的積分數(shù)字量，表示第k時刻輸入的被積函數(shù)數(shù)字量。數(shù)字邏輯設(shè)計如圖4。

圖3 微分邏輯設(shè)計圖

圖4 積分邏輯設(shè)計圖

其中，acumult模塊主要完成累加的功能，DFE_clk為讀FIFO時鐘，sign為高時表示執(zhí)行無符號數(shù)累加，為低時表示執(zhí)行有符號數(shù)累加，ac_num輸出當前執(zhí)行的累加次數(shù)；dachange主要完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的功能，將累加結(jié)果轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)輸出模塊要求的數(shù)據(jù)格式。

3.2 人機交互

電路功能選擇按鈕采用左右兩個自鎖按鍵設(shè)計，按鍵按下，則向主控模塊發(fā)送模擬功能切換指令，切換順序依次為：加法-＞減法-＞積分-＞微分-＞加法，按下右鍵則進入當前功能的下一個功能，按下左鍵則進入當前功能的上一個功能，默認為加法電路。AD分辨率由4檔位旋鈕控制，4個檔位分別對應采樣率10K、50K、1M、10M。

3.3 主控模塊

該模塊以32位軟核為核心，配合總線選擇邏輯、分頻邏輯、譯碼邏輯，構(gòu)成片上系統(tǒng)。數(shù)該模塊實時采集上節(jié)所述左右兩個按鍵和旋轉(zhuǎn)開關(guān)狀態(tài)，解析出控制指令，控制數(shù)據(jù)處理和液晶顯示［12～13］。邏輯構(gòu)成如圖5所示。

3.4 數(shù)據(jù)采集與輸出

數(shù)據(jù)采集基于AD9288設(shè)計，該芯片支持最高100M的高速采樣，模擬信號輸入范圍1Vpp。用戶模式選擇為常規(guī)模式，數(shù)據(jù)輸出模式選擇偏移二進制輸出。數(shù)據(jù)輸出模塊基于AD9708設(shè)計，完成數(shù)據(jù)處理模塊輸出的數(shù)字量向模擬量的轉(zhuǎn)換，主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換、濾波、幅度調(diào)節(jié)等，通過比例運放電路可輸出模擬信號幅度10Vpp。

圖5 主控模塊設(shè)計圖

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計流程如圖6所示。系統(tǒng)初始化主要指可編程邏輯陣列加載外置ROM的系統(tǒng)數(shù)據(jù)，包括軟核和各功能邏輯模塊數(shù)據(jù)［14］。參數(shù)初始化主要針對顯示器的功能設(shè)置（如橫屏顯示、白底紅字等）和程序中設(shè)計的參數(shù)變量；其中電路功能狀態(tài)參數(shù)默認為00，即模擬加法功能，NiosII控制TFT顯示運放加法電路，用于提示當前電路功能狀態(tài)和輸入輸出端口。主控模塊譯碼電路根據(jù)狀態(tài)參數(shù)00生成加使能信號，數(shù)據(jù)處理模塊運行數(shù)字加法邏輯，DA輸出總線連接加邏輯輸出總線。主控模塊進入掃描等待狀態(tài)：當檢測到左側(cè)按鍵按下時（檢測到下降沿信號），對狀態(tài)參數(shù)進行+1操作；當右側(cè)按鍵按下時，對狀態(tài)參數(shù)進行-1操作；若狀態(tài)參數(shù)有變化，則主控模塊控制TFT清屏，并顯示新的功能模擬電路，提示輸入輸出接口；若狀態(tài)參數(shù)變化，主控模塊生成新的使能信號組合，選擇新的DA輸出總線驅(qū)動。若沒有按鍵按下，則執(zhí)行當前功能電路。

圖6 軟件設(shè)計流程圖

5 系統(tǒng)測試

功能模擬算法的難點是微積分算法，在Matlab環(huán)境下對微積分算法進行驗證，設(shè)計輸入函數(shù)為Sin=0.5sin（pi/500*t）；數(shù)據(jù)采樣率設(shè)為50kHz；仿真結(jié)果如圖7。

設(shè)計輸入函數(shù)為三角波時，仿真結(jié)果如圖8。

圖7 軟件仿真效果圖1

圖8 軟件仿真效果圖2

仿真表明，微積分算法和理論計算波形基本一致，能夠?qū)崿F(xiàn)對數(shù)字信號的微積分運算。其中微分圖形尾部的尖脈沖是由于微分算法步長為3個采樣周期導致的數(shù)字序列邊界突變引起的，當信號足夠長或連續(xù)時，則不會出現(xiàn)這種失真。其中積分圖形為采用單步長積分生成的二次方函數(shù)圖形。

在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，制作了PCB板，在QuartusII和EDS軟件環(huán)境下設(shè)計了邏輯模塊和軟件程序，作品實物圖如圖9所示。

實物測試時主要針對微積分功能進行測試，輸入為三角波，微積分輸分別為矩形波和方向不斷變化二次方曲線，如圖10所示。

由于該作品主要用于引導學生由模擬電子技術(shù)學習向基于FPGA的數(shù)字信號處理學習的過渡，培養(yǎng)學生基于SOPC進行電子系統(tǒng)設(shè)計的興趣，重在功能演示；測試結(jié)果表明，該方案達到了預期目標。

圖9 作品實物圖

圖10 系統(tǒng)實際波形測試效果圖

6 結(jié)語

電子技術(shù)相關(guān)課程包括模電、數(shù)電、可編程邏輯設(shè)計等，作為電子信息類本科專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，對后續(xù)的信號處理相關(guān)專業(yè)課程的學習具有重要的引導作用；電子技術(shù)作為一門理論相對枯燥的課程，能否在實驗環(huán)節(jié)合理設(shè)計一些綜合性強、容易理解、演示效果明顯的實驗項目成為激發(fā)學生學習興趣的重要措施。通過設(shè)計基于SOPC的集成運放電路功能模擬實驗教學裝置，能夠鍛煉學生綜合運用模電、數(shù)電、FPGA、軟核等電子技術(shù)，引導學生進入數(shù)字信號處理領(lǐng)域的學習，同時鍛煉學生綜合運用Matlab和FPGA開發(fā)工具進行信號分析與處理的能力［15］，很好地體現(xiàn)了學以致用的實踐教學培養(yǎng)目標，即能夠鍛煉學生電子技術(shù)綜合實踐能力，又能夠深化學生對信號處理相關(guān)知識的認識，具有良好的實踐教學效果。