SDRAM在任意波形发生器中的应用

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摘要：随着任意波形发生器工作频率的不断提高，为了精确表达复杂信号，使用ＳＲＡＭ作为波形存储体已不能满足容量上的要求。介绍了一种基于ＳＤＲＡＭ的设计方案，能有效解决这一问题。文中重点讨论了一种简化ＳＤＲＡＭ控制器的设计方法。

    关键词：任意波 同步动态存储器 可编程逻辑器件

任意波形发生器在雷达、通信领域中发挥着重要作用，但目前任意波形发生器大多使用静态存储器。这使得在任意波形发生器工作频率不断提高的情况下，波形的存储深度很难做得很大，从而不能精确地表达复杂信号。本文介绍的基于动态存储器（ＳＤＲＡＭ）的设计能有效解决这一问题，并详细讨论了一种简化ＳＤＲＡＭ控制器的设计方法。

１ 任意波形发生器的总体方案

工作频率、分辨率和存储长度是任意波形发生器最关键的三个性能参数。高的工作频率意味着高的输出信号频率和带宽，高的分辨率通常意味着高的信噪比，而存储长度决定了信号的精确程度。下面介绍的方案是笔者实际开发的一款任意波形发生器／卡（如图１所示），它的工作频率为３００ＭＨｚ，分辨率为１４位，存储长度为８Ｍ字，现已得到了广泛地应用。
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    该电路主要有两种工作状态：写数据状态和读数据状态。下面简单描述其工作过程。

写数据状态：ＣＰＵ根据所要设计的波形计算波形数据，并转换成１４位的无符号数；打开总线开关，屏蔽ＦＩＦＯ操作，在ＳＤＲＡＭ控制器的配合下，将波形数据通过接口电路交替写入ＳＤＲＡＭ１和ＳＤＲＡＭ２中，即ＳＤＲＡＭ１中依次存放数据０,２,４,６．．．；ＳＤＲＡＭ２中依次存放数据１,３,５,７．．．（如表１所示）。

表1 SDRAM中的数据存放格式

地址	SDRAM1	SDRAM2
0	D0	D1
1	D2	D3
2	D4	D5
…	…	…

读数据状态：开启ＦＩＦＯ通道，关闭总线开关以断开ＳＤＲＡＭ与ＣＰＵ之间的数据连接；在ＳＤＲＡＭ控制器的控制下，将ＳＤＲＡＭ１／２中的数据同时（并行）读出；经过ＦＩＦＯ的缓冲得到连续的数据流，再经３２位向１６位的并串转换，将数据速率提升２倍后，供给ＤＡＣ进行数－模转换，即可得到所编辑的信号。

图１中用两片ＳＤＲＡＭ并行工作，是因单片ＳＤＲＡＭ不可能提供３００ＭＳＰＳ的数据流。实际使用的器件是Ｋ４Ｓ６４１６３２Ｃ－ＴＣ６０，工作时钟为１６６ＭＨｚ。ＦＩＦＯ缓存ＳＤＲＡＭ的输出数据，将突发数据流转换成连续数据流，使得在ＳＤＲＡＭ处于刷新状态时，仍能维持正常的数据输出。实际使用的器件是两片并行工作的ＩＤＴ７２Ｖ２６３Ｌ６ＰＦ，写入时钟为１６６ＭＨｚ，读出时钟为１５０ＭＨｚ。并串转换的作用是提升数据的速率，在ＤＡＣ器件内部完成，笔者采用具有良好动态性能的ＡＤ９７５５ＡＳＴ。ＣＰＵ及控制接口是一个基于ＰＣ的ＩＳＡ设备，可改进为ＰＣＩ设备；时钟电路用来产生１６６ＭＨｚ和１５０ＭＨｚ的同步时钟。下面重点研究ＳＤＲＡＭ控制器的设计，它是本系统的主要特色之一。
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２ ＳＤＲＡＭ控制器的设计

２．１ ＳＤＲＡＭ的主要特点

与静态存储器（ＳＲＡＭ）相比，ＳＤＲＡＭ的容量大（通常是几倍至几十倍的关系）；与ＤＤＲ ＳＤＲＡＭ或ＲＤＲＡＭ相比，它的控制又相对简单，因而它依然是大容量存储器工程项目的良好选择。下面描述的几个重要基本概念反映了它的主要特点。

行列地址：ＳＤＲＡＭ的地址是行列复用的，此举有效减少了芯片的引脚。

预充电：读写操作只对预充电过的行有效。也就是说，在数据读写操作跨行时，需要先进行至少一次的预充电操作。

自动刷新：众所周知，只要是动态ＲＡＭ，就存在刷新问题，ＳＤＲＡＭ也不例外。通常每隔６４ｍｓ需要将所有存储单元刷新一遍。

自刷新：当需要保留芯片内的数据，而暂时又不需要操作时，可以设置芯片进入自刷新状态。

工作模式寄存器：控制ＳＤＲＡＭ工作方式的寄存器。
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    ２．２ ＳＤＲＡＭ的状态流程

ＳＤＲＡＭ的完整状态机由１７个状态构成，且状态转移是非随机的（如图２所示）。正是如此众多的状态及其复杂的转换关系，导致ＳＤＲＡＭ的控制较为复杂。

需要特别说明的是，ＳＤＲＡＭ的状态转移有自动转移与人工转移之分（图２中以粗细箭头加以区别）。自动转移在当前状态结束后立即进入下一个状态；而人工转移在当前状态结束后即停留在当前状态，只有一条当前状态允许的命令才能进入下一个状态。

可以想象，自行设计如此复杂的控制流程绝非易事。值得庆幸的是，在大多数应用中并不需要完备的状态机。下面讨论一种简化的ＳＤＲＡＭ状态机。

２．３ 简化的状态流程

根据任意波形发生器的特点，对ＳＤＲＡＭ的功能进行了以下简化：

（１）省略随机存取功能，固定为顺序读写；

（２）省略待机、自刷新、普通读／写功能；

（３）省略所有的挂起功能；

（４）工作模式固定为突发式读、单个式写；

（５）数据延时固定为３个时钟周期；

（６）刷新模式只使用自动刷新方式，器件空闲时即处于连续的自动刷新状态；

（７）器件仅在上电后进行一次初始化，不能改变工作模式；javascript:window.open(this.src);" style="cursor:pointer;"/>

（８）突发方式固定为顺序方式，突发长度固定为整页；

（９）只使用带预充电的读／写指令；在每次读／写操作完成后，即启动一个自动刷新周期。

经过以上简化的状态机如图３所示。

２．４ ＳＤＲＡＭ控制器的ＥＰＬＤ实现

为了实现上述简化的ＳＤＲＡＭ控制功能，采用一片ＡＬＴＥＲＡ公司生产的ＥＰＬＤ器件ＭＡＸ７２５６ＡＴＣ１４４－６。图４是任意波形发生器ＳＤＲＡＭ控制流示意图。由于具体编程要涉及许多细节问题，在此不做赘述，其主要功能如下：

（１）通过ＩＳＡ总线，实现与ＣＰＵ的接口，接收波形数据和读命令；

（２）上电自动初始化；

（３）生成２３位（８Ｍ字存储器空间）的线性地址，并按行列复用的方式输出；

（４）生成ＳＤＲＡＭ的控制信号，完成读、写和自动刷新功能；

（５）控制ＦＩＦＯ，以解决ＳＤＲＡＭ刷新和波形长度不是页长度的倍数问题。

虽然完全应用ＳＤＲＡＭ确实比较复杂，但只要本着“够用就行”的原则，对其功能进行合理的简化，设计出具有特殊需求、适用于特定条件的ＳＤＲＡＭ控制器是完全可行的。目前，笔者已将基于ＳＤＲＡＭ的任意波形发生器应用到多个研发项目中。