任意波形發(fā)生器在雷達、通信領(lǐng)域中發(fā)揮著重要作用，但目前任意波形發(fā)生器大多使用靜態(tài)存儲器。這使得在任意波形發(fā)生器工作頻率不斷提高的情況下，波形的存儲深度很難做得很大，從而不能精確地表達復(fù)雜信號。本文介紹的基于動態(tài)存儲器（SDRAM）的設(shè)計能有效解決這一問題，并詳細討論了一種簡化SDRAM控制器的設(shè)計方法。

1 、任意波形發(fā)生器的總體方案

工作頻率、分辨率和存儲長度是任意波形發(fā)生器最關(guān)鍵的三個性能參數(shù)。高的工作頻率意味著高的輸出信號頻率和帶寬，高的分辨率通常意味著高的信噪比，而存儲長度決定了信號的精確程度。下面介紹的方案是實際開發(fā)的一款任意波形發(fā)生器/卡（如圖1所示），它的工作頻率為300MHz，分辨率為14位，存儲長度為8M字，現(xiàn)已得到了廣泛地應(yīng)用。

該電路主要有兩種工作狀態(tài)：寫數(shù)據(jù)狀態(tài)和讀數(shù)據(jù)狀態(tài)。下面簡單描述其工作過程。

寫數(shù)據(jù)狀態(tài)：CPU根據(jù)所要設(shè)計的波形計算波形數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成14位的無符號數(shù)；打開總線開關(guān)，屏蔽FIFO操作，在SDRAM控制器的配合下，將波形數(shù)據(jù)通過接口電路交替寫入SDRAM1和SDRAM2中，即SDRAM1中依次存放數(shù)據(jù)0，2，4，6.。。；SDRAM2中依次存放數(shù)據(jù)1，3，5，7.。。（如表1所示）。

讀數(shù)據(jù)狀態(tài)：開啟FIFO通道，關(guān)閉總線開關(guān)以斷開SDRAM與CPU之間的數(shù)據(jù)連接；在SDRAM控制器的控制下，將SDRAM1/2中的數(shù)據(jù)同時（并行）讀出；經(jīng)過FIFO的緩沖得到連續(xù)的數(shù)據(jù)流，再經(jīng)32位向16位的并串轉(zhuǎn)換，將數(shù)據(jù)速率提升2倍后，供給DAC進行數(shù)-模轉(zhuǎn)換，即可得到所編輯的信號。

圖1中用兩片SDRAM并行工作，是因單片SDRAM不可能提供300MSPS的數(shù)據(jù)流。實際使用的器件是K4S641632C-TC60，工作時鐘為166MHz。FIFO緩存SDRAM的輸出數(shù)據(jù)，將突發(fā)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)換成連續(xù)數(shù)據(jù)流，使得在SDRAM處于刷新狀態(tài)時，仍能維持正常的數(shù)據(jù)輸出。實際使用的器件是兩片并行工作的IDT72V263L6PF，寫入時鐘為166MHz，讀出時鐘為150MHz。并串轉(zhuǎn)換的作用是提升數(shù)據(jù)的速率，在DAC器件內(nèi)部完成，筆者采用具有良好動態(tài)性能的AD9755AST。CPU及控制接口是一個基于PC的ISA設(shè)備，可改進為PCI設(shè)備；時鐘電路用來產(chǎn)生166MHz和150MHz的同步時鐘。下面重點研究SDRAM控制器的設(shè)計，它是本系統(tǒng)的主要特色之一。

2 、SDRAM控制器的設(shè)計

2.1 SDRAM的主要特點

與靜態(tài)存儲器（SRAM）相比，SDRAM的容量大（通常是幾倍至幾十倍的關(guān)系）；與DDR SDRAM或RDRAM相比，它的控制又相對簡單，因而它依然是大容量存儲器工程項目的良好選擇。下面描述的幾個重要基本概念反映了它的主要特點。

行列地址：SDRAM的地址是行列復(fù)用的，此舉有效減少了芯片的引腳。

預(yù)充電：讀寫操作只對預(yù)充電過的行有效。也就是說，在數(shù)據(jù)讀寫操作跨行時，需要先進行至少一次的預(yù)充電操作。

自動刷新：眾所周知，只要是動態(tài)RAM，就存在刷新問題，SDRAM也不例外。通常每隔64ms需要將所有存儲單元刷新一遍。

自刷新：當需要保留芯片內(nèi)的數(shù)據(jù)，而暫時又不需要操作時，可以設(shè)置芯片進入自刷新狀態(tài)。

工作模式寄存器：控制SDRAM工作方式的寄存器（如表2所示）。

2.2 SDRAM的狀態(tài)流程

SDRAM的完整狀態(tài)機由17個狀態(tài)構(gòu)成，且狀態(tài)轉(zhuǎn)移是非隨機的（如圖2所示）。正是如此眾多的狀態(tài)及其復(fù)雜的轉(zhuǎn)換關(guān)系，導(dǎo)致SDRAM的控制較為復(fù)雜。

需要特別說明的是，SDRAM的狀態(tài)轉(zhuǎn)移有自動轉(zhuǎn)移與人工轉(zhuǎn)移之分（圖2中以粗細箭頭加以區(qū)別）。自動轉(zhuǎn)移在當前狀態(tài)結(jié)束后立即進入下一個狀態(tài)；而人工轉(zhuǎn)移在當前狀態(tài)結(jié)束后即停留在當前狀態(tài)，只有一條當前狀態(tài)允許的命令才能進入下一個狀態(tài)。

可以想象，自行設(shè)計如此復(fù)雜的控制流程絕非易事。值得慶幸的是，在大多數(shù)應(yīng)用中并不需要完備的狀態(tài)機。下面討論一種簡化的SDRAM狀態(tài)機。

2.3 簡化的狀態(tài)流程

根據(jù)任意波形發(fā)生器的特點，對SDRAM的功能進行了以下簡化：

（1）省略隨機存取功能，固定為順序讀寫；

（2）省略待機、自刷新、普通讀/寫功能；

（3）省略所有的掛起功能；

（4）工作模式固定為突發(fā)式讀、單個式寫；

（5）數(shù)據(jù)延時固定為3個時鐘周期；

（6）刷新模式只使用自動刷新方式，器件空閑時即處于連續(xù)的自動刷新狀態(tài)；

（7）器件僅在上電后進行一次初始化，不能改變工作模式；

（8）突發(fā)方式固定為順序方式，突發(fā)長度固定為整頁；

（9）只使用帶預(yù)充電的讀/寫指令；在每次讀/寫操作完成后，即啟動一個自動刷新周期。

經(jīng)過以上簡化的狀態(tài)機如圖3所示。

2.4 SDRAM控制器的EPLD實現(xiàn)

為了實現(xiàn)上述簡化的SDRAM控制功能，采用一片ALTERA公司生產(chǎn)的EPLD器件MAX7256ATC144-6。圖4是任意波形發(fā)生器SDRAM控制流示意圖。由于具體編程要涉及許多細節(jié)問題，在此不做贅述，其主要功能如下：

（1）通過ISA總線，實現(xiàn)與CPU的接口，接收波形數(shù)據(jù)和讀命令；

（2）上電自動初始化；

（3）生成23位（8M字存儲器空間）的線性地址，并按行列復(fù)用的方式輸出；

（4）生成SDRAM的控制信號，完成讀、寫和自動刷新功能；

（5）控制FIFO，以解決SDRAM刷新和波形長度不是頁長度的倍數(shù)問題。

雖然完全應(yīng)用SDRAM確實比較復(fù)雜，但只要本著“夠用就行”的原則，對其功能進行合理的簡化，設(shè)計出具有特殊需求、適用于特定條件的SDRAM控制器是完全可行的。目前，筆者已將基于SDRAM的任意波形發(fā)生器應(yīng)用到多個研發(fā)項目中。
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