（精密仪器及机械专业论文）智能任意函数信号发生器的研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 本文简明介绍了国内智能仪器仪表发展状况及其特点，并在此基础上，首次阐述 了一种采用传统的信号发生器的原理结合直接数字波形合成( d d s ) 技术、高速d k a 、 a i ) 转换技术、数字信号处理( d s p ) 技术和塑旦! ! 墨堡仪表技术而设计实现一种多功 能智能函数信号发生器的方法。作者在论文中介绍了系统设计任务的提出和论证了总 体方案的确立，设计了系统硬件和系统软件并实现了系统主要功能，着重对系统中应 用的测量与控制算法进行了探讨和研究，并对等效时间采样方法的实现进行了有益的 探索。睬用键盘控制和l c d 显示器实时显示输出信号的波形与主要特征参数、多功能、 高精度和高效的自校、自诊断功能是本文所介绍实现的智能函数信号发生器所具有的 独特和新颖之处。在本文最后提出了就系统各个部分可以提高、改进和完善的一些思 路和设想，以备我们下一步工作作为参考。) 夕一 溯蒜辎采 第u l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t t h ed e v e l o p i n ga n dc h a r a c t e r i s t i c so fi n t e l l e g e n t i z e di n s t r u m e n t s a th o m ea r e c o n c i s e l yi n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e an e wm e t h o do fd e s i g n i n ga ni n t e l l i g e n t i z e dg e n e r a t o r w i t lm u l t i p l ef u n c t i o n si sf i r s t l ye x p a t i a t e du p o n ，w h i c hi sb a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h e t r a d i t i o n a ls i g n a lg e n e r a t o ri n t e g r a t e dw i t ht h et e c h n i q u e so nd i r e c td i g i t a lf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r , h i g hs p e e d a dc o n v e r s i o n ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n ga n di n t e l l i g e n t i z e d i n s t r u m e n t i nt h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rb r i n g sf o r w a r dt h et a s ko fd e s i g n i n gt h es y s t e ma n d d e m o n s t r a t e st h ec o l l e c t i v i t yp r o j e c to ft h es y s t e m t h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e s y s t e m sh a r d w a r ea n ds o f t w a r ea r ep r e s e n t e d t h ea u t h o rd i s c u s s e sa n dr e s e a r c h e st h e a l g o r i t h m s f o rm e a s u r i n gt h es i g n a la n dc o n t r o l l i n gt h es y s t e m m o r e o v e rt h ea u t h o r s e a r c h e sf o rt h em e t h o do fr e a l i z i n gt h e e q u i v a l e n t - t i m es a m p l i n gb a s e do nd s r c o n t r o l l i n go u t p u ts i g n a l sb yt h ek e y b o a r d ，t i m e l yd i s p l a y i n gt h ew a v e f o r ma n dp a r a m e t e r s o fo u t p u ts i g n a l so nl c ds c r e e n ，m u l t i p l ef u n c t i o n s ，h i g l lp r e c i s i o na n dh i g he f f i c i e n c yo n a d j u s t i n ga n dd i a g n o s i n gi t s e l fa r en o v e lv i r t u e so ft h ei n t e l l i g e n t i z e dg e n e r a t o rw h i c hi s i n t r o d u c e di nt h ea r t i c l e i nt h ee n d ，t h ea u t h o rp r e s e n t ss o m et h o u g h t sa n dt e n t a t i v ep l a n s f o ri m p r o v i n ga n dp e r f e c t i n gt h es y s t e m ，w h i c hm a yb er e f e r r e dd u r i n gn e x tr e s e a r c h 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪言 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源及背景 近年来计算机技术及微电子器件在工程技术中应用十分广泛，在此基础上发展起 来的智能仪器仪表无论是在测量的准确度、可靠性、自动化程度、运用功能方面还是 在解决测量技术与控制技术问题的深度及广度方面都有迅速的发展。在此背景下各仪 器仪表开发制造商都争先推出新- - 4 4 的智能化产品。江南电子仪器有限公司是我国一 家创建比较早的生产电子仪器仪表的厂家，其产品绝大多数还停留在二十世纪七、八 十年代的技术水平，产品多数是由m s i 器件和分离元件电路组成，已不具有市场竞争 力。此课题就是来自江南电子仪器有限公司与我院签订的一项产品开发合作项目。 1 1 2 国内外发展概况 随着大规模集成电路和计算机技术的迅速发展，以及人工智能向测控技术的移植 和应用，智能仪器仪表技术发展迅速。作为现阶段智能化电子仪器主体的智能仪器在 工业发达国家已经非常成熟与普及，但国内此方面技术发展与改造起步和发展比较缓 慢。我国于1 9 8 4 年才正式成立“自动测试与智能仪器专业组”，1 9 8 9 年5 月我国第一 届测试技术与智能仪器国际学术讨论会在武汉召开，直到1 9 9 3 年在北京召- 丌的仪器仪 表与计算机应用学术会议上，智能仪器仪表作为重点议题之后，国内智能仪器仪表技 术和改造；j 开始迅速发展。 信号发生器作为电子测量系统中应用最为普遍的电子测量仪器之一，是工业控制、 教学科研常用的基础仪器，国外已有数字化的智能函数发生器产品，例如h p 公司的 h p 3 3 3 5 a ，h p 一8 6 4 2 b ；f l u k e 公司6 0 8 0 a 等产品，但其价格昂贵，并且多为射频 信号发生器，只产生正弦波形。国内也有少数半数字化的函数发生器产品，但其都是 对传统函数发生器简单的数字化改造，输出信号的波形种类没有增加，性能也未有明 显改善，并且不具有输出信号的实时显示功能和汉化的菜单式人机交换界面。因此研 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 制开发操作简单、低成本、高性能的新一代信号发生器十分必要。 1 1 3 智能函数信号发生器的特点 智能函数信号发生器与传统的模拟函数信号发生器相比，具有以下几个明显特点： 1 、利用微机控制键盘和显示。键盘和显示是智能信号发生器区别于传统信号发生 器在面板设计上最突出的特点。由于采用美观方便的按键操作代替了传统的开关或旋 钮，避免了手动控制带来的人为误差。由于采用具有显示信息量大优点的液晶显示器 l c d ，大大增强了操作者和微处理器之间的对话能力。 2 、强的输出能力。由于采用了由仪器内微处理器控制而生成所需新波形的技术， 即直接数字合成技术( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e r ) ，导致普通的智能信号发生 器能产生多种函数的周期性波形，大大拓展了仪器的输出能力。 3 、自检、自诊断功能。这是智能信号发生器区别于传统信号发生器的重要特征之 一。能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征，不仅大大方便了维修，而且 保证了输出的可靠性。 4 、自校和自修正。对于智能化仪器来说，这也许是最重要的作用，它意味着在相 同或更低性能的硬件条件下，仪器指标能够达到更高的水平，即实现了高的性能价格 比。另一方面，微处理器的加入使以前由硬件电路很难或根本办不到的事成为可能。 5 、远地输入输出能力。仪器配有标准接口，可纳入自动测试系统中工作。 1 1 4 重要意义 本课题所研制的信号发生器从设计原理上综合了传统的硬件电路产生函数信号波 形和采用直接数字合成技术产生函数信号波形的优点，大大增加了仪器输出信号的波 形种类，输出信号性能也明显改善。采用d s p 芯片做主处理器，可大大提高产生信号 的频率和处理速度。采用大规模集成器件和集成模块代替m s i 器件和分离元件电路， 大大简化系统结构，提高了系统性能和可靠性，降低了成本。系统采用键盘和l c d 作 为人机对话窗口，具有良好的人机界面，并能实时显示输出波形及其参数，方便操作。 系统配有标准接口，具有远地输入输出能力，可纳入自动测试系统中工作。本课题研 制的智能高频率信号发生器，具有新颖、结构简单、高性能、操作控制灵活的特点， 具有很大的市场开发、应用前景。本产品研制开发成功可大大加速我国电子产品智能 化更新换代进程，从而加速我国工业和国防领域自动化测试和控制的普及。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2 课题解决的主要问题及相关技术 1 1 2 _ 1 课题需要解决的问题 本课题所要解决的主要问题是： l 、连续可调高频模拟任意周期信号的产生：由于受硬件器件的限制，当频率大 于1 m h z 后，产生精确可调可控的信号就比较困难。由于任意周期信号产生其频率受 c p u 工作频率的制约，产生高频任意周期信号是本课题要解决的一个主要难题。 2 、高频信号的实时显示：对于o 一2 0 m h z 宽带模拟信号进行实时显示，必须采用 高速数据采集技术，这对数据采集和存储的方案选择、电路结构和系统调试提出了很 高的要求。 3 、多量程、多信号的自动控制：既要对o 一2 0 m h z 整个范围实行智能化控制，又 要考虑仪器的集成化、微小化，实用化，同时还得兼顾性能价格比，这需要在器件选 择、电路设计等方面精心筛选和优化。 4 、软件设计：系统硬件电路确定后，整个仪器的功能均由系统软件来实现，系 统软件是整个仪器的血液和灵魂，软件编写的好坏直接影响系统功能和性能的好坏。 因此，软件的研制是本课题的一项主要任务。 1 2 2 课题涉及的主要相关技术 本课题研究内容的主要相关技术： 智能仪器仪表与微计算机应用技术； 现代测控技术； 高速数据采集与数字信号处理( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 技术： 直接数字合成技术( d i r e c td i g i m lf r e q u e n c y s y n t h e s i z e r ) 。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章系统总体设计 2 1 设计任务的提出 2 1 1 设计任务的提出 根据研制开发具有产生任意周期信号的智能型信号发生器的协议规定，我们研制 该仪器应具有的功能有： 图形显示和r s 2 3 2 接口功能 键盘式输入功能 菜单式选择周期波形种类 具有调频调幅功能 频率范围：0 2 0 m h z 电压峰值范围：0 1 0 v 为实现上述功能，设计本系统所需解决的主要问题有： 1 、人机接口和界面的设计：仪器要实现键盘式输入和图形显示功能，不仅需要 一个操作简单方便、视觉效果良好的硬件平台，还需要功能强大、高效的配套软件管 理系统。 2 、可程控的任意周期模拟信号的产生设计：高频任意周期信号的产生设计是本 系统设计的核心，它需要快速、功能强大的数据产生处理系统、高速数模转换系统和 有效的数据产生算法。 3 、高速数据采集系统的设计：要实现仪器输出信号的实时显示功能和对输出信 号进行有效的智能测量分析，必须需要设计一个高速数据采集和存储系统。此部分设 汁是整个系统设计的关键技术之一。 4 、程控放大器的设计：对输出信号实现宽频带、大范围、多量程的智能程控是 系统设计的难点之一。 5 、软件设计：软件的设计研制是整个系统设计的主要组成部分，它不仅要配合 整个系统硬件实现仪器的系统功能，而且还负责和掌管系统硬件之间的协调合作， 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 并通过各种算法实现对信号的测量与控制。 2 1 2 系统功能分工 根据对设计任务的分析，我们把整个系统设计分成硬件系统和软件系统两部分分 步进行设计与调试，硬件系统为软件实现系统功能提供物理平台，软件系统配合系统 硬件实现系统的整个功能。其中： 硬件系统主要包括： + d s p 系统和控制系统 + 高速数据采集系统 + 键盘和l c i ) 显示器系统 + 输出信号的程控放大衰减系统 + 高速数模转换系统 + 电源系统 软件系统主要包括： + 监控程序：包括硬件调试程序、管理系统程序，自检、自诊断程序等等 + 测量算法 + 控制算法 + 波形数据产生算法 2 2 系统总体方案确立 信号发生器按其工作原理可分为；调谐信号发生器、锁相信号发生器和合成信号 发生器。 】调谐信号发生器是由调谐振荡器构成。传统调谐信号发生器都是由调谐振荡器 和统调的调幅放大器( 输出放大器) 加上一些指示电路构成。这种信号发生器结构复杂、 频率范围窄，而且可靠性、稳定性较差，但其价格低廉。随着半导体器件的发展，其 性能有所改善。 2 锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的方法获得输出信号频率的信号发生 器。这种信号发生器频率精度和稳定度高，但快速、程控比较困难，同时输出信号的 国防科学技术大学研究生院学位论文 频率分辨率较差。 3 合成信号发生器是采用频率合成的方法做成的信号发生器。由于合成信号发生 器具有较高的频率稳定度，很容易实现数字显示频率，因此，频率分辨率高和频率的 置定重复性好，以及能方便实现频率的程序控制是合成信号发生器的重要特点。然而， 合成信号发生器本身在进行频率运算的过程中会产生寄生分量，将对信号正常处理过 程产生干扰。 由于调谐信号发生器结构复杂，不易实现程控，且频率范围窄；而合成信号发生 器最方便实现智能化，且有较高的综合性能。所以，我们采用传统的合成信号发生器 的原理结合直接数字波形合成( d d s ) 技术、高速d 认、a d 转换技术、数字信号处 理( d s p ) 技术和智能仪器仪表技术来进行本系统设计。 微处理器我们选用易于实时快速实现各种数字信号处理算法的d s p 芯片和控制能 力强、编程灵活、价格便宜、应用技术成熟的m c s 5 1 系列单片机。d s p 作为主微处 理器，主要进行数据处理和控制函数波形的产生，m c s 5 1 单片机为辅助微处理器，其 主要控制人机对话，进行对键盘与显示器的管理和控制。显示器选用具有体积小、外 型薄、耗能小、无辐射、显示信息量大等优点的液晶显示器l c d 。 对于信号的测试和处理我们采用高速采集模块来完成对本系统产生的函数波形信 号进行实时采集，采集的数据同时送到l c d 直接显示和给d s p 进行处理( 计算频率、 幅值等参数) 。并且可以采集外部输入信号，与整个系统配合实现外部输入信号的测试 和再现。 对于周期信号的产生我们拟订了三套方案 出 图2 1方案一结构框图 方案一：采用把波形数据的产生和波形的拟合相分离，利用数字信号处理器d s p 生成数据与查表相结合的方法合成高频周期信号，结构框图见图2 1 。基本波形数据 固化在e p r o m 中，输出某种波形时，首先根据基本波形或公式算出波形数据送入 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 r a m ，然后再由查表电路不断地、周而复始地从r a m 中取出数据，通过高速d a c 和 程控放大器输出，频率经控制器通过频率合成器设定。特点是既能产生任意的周期信 号，又便于程控；但其控制器结构复杂，生成高频信号对器件性能和电路设计制作要 求高，价格昂贵。例如产生2 0 m t t z 的信号，用2 0 个点的数据进行拟合，则需要速度 高达4 0 0 m s p s 的d a c 转换器。 图2 2 方案二结构框图 方案二：周期信号完全利用硬件电路产生的方法。随着半导体集成器件的迅速发 展，出现了许多外围电路简单、调节方便、性能好、价格较低廉的单片集成精密函数 波形发生器( 例如美国m a x i m 公司研制的单片高频精密函数波形发生器m a x 0 3 8 ， 美国h a r r i s 公司生产的单片精密函数波形发生器i c l 8 0 3 8 ) ，我们选用单片集成函数 波形发生器，通过d a 转换器将数字量转化为模拟信号对其参数进行程控，产生波形 经程控放大器输出，结构框图如图2 2 所示。特点是产生信号的频率范围宽，电路结 构简单，价格便宜；但产生的周期信号波形受限，仅能生成正弦波、方波、矩形波、 锯齿波、三角波这几种函数的波形，对于梯形波、指数信号、高斯信号、随机信号、 扫频信号等特殊测试信号则无能为力。 方案三：利用方案一与方案二相结合的方法，即常用周期信号( 如正弦波、方波、 三角波等) 的生成采用方案二的方法，而对于频率小于2 m h z 的特殊测试信号采用方 案一的方法生成。由于采用直接数字合成的波形频率较低，对d a 转换器的要求很容 易满足，且d s p 处理器可对直接控制进行拟合波形，从而可大大简化频率合成器和控 制器的结构。特点是产生的波形精度高，稳定性好，电路结构简单，能产生任意的周 期信号，但产生的特殊测试信号频率范围不宽。 经过与本项目合作的甲方讨论和协商后决定，本系统采用方案三进行实施。下面 章节我将对本系统整体方案的设计与实现做具体阐述。 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第三章系统硬件电路设计及调试 3 1系统硬件总体框图及原理 本系统原理硬件框图见图3 1 所示，其由三部分组成：任意周期信号产生模块 高速数据采集模块，处理系统及显示部分。 图3 - 1系统原理硬件框图 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 一、任意周期信号产生模块其主要完成常用信号的产生与任意波形的合成，由 控制器、多路d a 转换器、m a x 0 3 8 、高速d a 转换器、程控模拟信号放大器和低通 滤波器组成。其特点：1 对于正弦波、方波、矩形波、锯齿波、三角波等常用信号我 们采用基于高频精密函数波形产生器件m a x 0 3 8 为核心的硬件电路产生。m a x 0 3 8 不仅具有高频特性好、频率范围宽、稳定度高、外围电路简单、易于制作等优点，而 且还具有频率与占空比能单独调节、功能全、调节方式灵活等优点，易于智能化的实 现。主微处理器( d s p ) 通过多路d a 转换器对其产生波形进行控制和调节。2 对 于梯形波、指数信号、高斯信号、随机信号、扫频信号等特殊测试信号我们采用直接 数字波形合成技术，通过高速d h 转换器( t l c 7 5 2 4 ) 拟合产生。d s p 芯片完成波形 数据的产生，对于不同特性的信号，采用不同的数据生成方法： ( a ) 对于梯形波、随机信号、扫频信号等波形，可简单、方便地通过d s p 直接计 算得到波形数据； ( b ) 对于指数、高斯、半余弦等信号，不便通过直接计算得到其波形数据，而其波 形用较少数据即可准确描述，可把其基本波形数据固化在e p r o m 中； ( c ) 对于不便描述的信号，可通过数据采集得到波形数据或直接通过键盘输入波 形数据。 3 程控模拟放大电路和低通滤波电路实现对输出信号的调整( 放大、偏置) 。 我们采用高速宽带放大器和数字电位器( x 9 c 1 0 4 ) 构成程控放大器，以实现多量程输 出信号的高分辨率和高的控制精度。 4 控制器由多路模拟开关、数据锁存器和频率合成器组成，在d s p 的控制下实 现对波形产生和信号输出的程控。 二、高速数据采集模块此是本信号发生器设计的特色，由分频控制器、高速a d 转换器、f i f o 和r a m 组成。a d 的时钟信号由高频晶振输出经分频器控制器切换得 到。本模块完成对输出信号的实时采集，采集的数据同时送到l c d 直接显示和给d s p 进行处理( 计算频率、幅值等参数) 。并且可以采集外部输入信号，与整个系统配合实 现信号测量和再现。 三、处理系统及显示部分此是本系统的核心，包括d s p 芯片t8 9 c 5 1 芯片、外 设接口、键盘和显示器。 作为主要应用于实时快速实现各种数字信号处理算法的d s p 芯片不仅具有快速的 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 运行速度，丰富快洁的指令，易于实现数学运算，而且具有低开销或无开销循环及跳 转的硬件支持，快速的中断处理和硬件i o 支持，便于控制的实现。我们选用美国t i 公司的t m s 3 2 0 系列d s p 芯片f 2 x x 作为主微处理器，主要完成波形数据的产生及进 行数据处理，并和控制器、8 9 c 5 1 一起实现对整个系统的控制。 辅助微处理器选用控制能力强、编程灵活、价格便宜、应用技术成熟的m c s 5 1 系列单片机8 9 c 5 1 ，其主要进行对键盘与液晶显示器l c d 的管理和控制，并和d s p 进行通信，交换信息数据。键盘和显示器实现人机对话。键盘采用结构简单、按键识 别容易、经济、灵活的非编码矩阵式键盘。显示器采用具有体积小、外型薄、重量轻、 耗能小、无辐射、显示信息量大等优点的图形点阵式液晶显示模块( a c m l 2 8 6 4 ) ，其 内藏控制器驱动，控制操作方便，不仅可显示数字、字符和符号等，而且可显示任意 图形和汉字，能达到图文并茂的效果。 外设接口提供仿真接口( j 1 a g ) 和通信接口( r s 2 3 2 ) ，便于软件的在线仿真、修 改和错误查取，可以远地测试和控制。 3 2 主单元电路设计及原理 3 2 1m a x 0 3 8 外围电路设计 m a x 0 3 8 是美国m a x i m 公司新研制的单片高频精密函数波形发生器。它具有高频 特性好、频率范围宽、频率与占空比能单独调节、功能全、调节方式更加灵活等优点。 已广泛应用于高频精密函数波形发生器、频率调节器、脉宽调节器、锁相环、频率合 成器、调频发生器等领域。 1 、m a x 0 3 8 的主要功能及性能特点 ( 1 ) 能产生精确的高频正弦波、矩形波( 含方波) 、三角波和锯齿波。改变波形设定 端a 0 、a 1 的输入电平，可选择不同的输出波形。输出波形既能人工设定，又可由微 机控制。 ( 2 ) 频率范围很宽，o i h z - 2 0 m h z ，最高可达4 0 m h z 。频率设走分粗调、细调两种。 改变振荡电容或充、放电电流，可大幅度调节频率；振荡频率的计算公式为： 第l o 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 f = 1 w c f ( 3 - 1 ) 改变f a d j 端电压，能对频率进行微调。假定。= 0 v 时标称输出为f ，当。 从一2 4 v 变化n + 2 4 v 时，输出频率为f = 0 3 f o 7 f 。由公式( 3 - 2 ) 确定 f7 = f ( 1 一o 2 9 1 5 n ，)( 3 2 ) ( 3 ) 占空比调节范围宽，且占空比与频率均可单独调节，互不影响。占空比最大调 节范围是1 0 - 9 0 ，是通过改变d a d j 端电压控制的。当。= o 时，d = 5 0 。 w = + 2 3 - 一2 3 v 时，d = 1 0 - 9 0 ，即变化率为一1 7 4 v 。占空比的计算公式为： d = ( 5 0 一 1 7 4 n ， ) ( 3 - 3 ) ( 4 ) 波形失真小，正弦波失真度仅为o 7 5 ，占空比调节的非线性度为2 。 ( 5 ) 片内含2 5 0 v 基准电压源，其e g 压, n 度系数低，利用它可提供充、放电电流。 确定频率值；还可设定f a d j 端电压，实现频率微调；设定d a d j 端压，调节占空比。 ( 6 ) 具有扫描工作方式，内含相位比较器。 ( 7 ) 采用5 v 双电源供电( 允许偏差5 ) 。电源电流约为8 0 m a ，典型功耗为 4 0 0 m w 。工作温度范围是0 7 0 。c 。 2 、外围电路设计与原理框图 本系统中以m a x 0 3 8 为核心器件构成常用信号函数波形发生器，关键是要对 m a x 0 3 8 的频率控制端和f a d j 端、占空比控制端d a d j 端、波形设置端a o 、a 1 实现c p u 控制。因i 。、f a d j 和d a d j 的输入均为模拟量，所以来自c p u 的控制信 号均必须通过d a 实现转换。为了简化结构，减小干扰，信号转换我们选用性能价格 比高的单片四通道d a 转换器t l c 7 2 2 6 c 来实现。 保证k 在性能最佳( 1 0 - - 4 0 0 l aa ) 的前提下，实现频率0 2 0 m h z 的调整范围， 且满足分辨率，则必须分量程来完成。根据公式( 1 一1 ) = o 知频率量程改变可 通过改变振荡电容c f 实现。根据公式( 3 1 ) 、公式( 3 - 2 ) 我们选取c f = 2 0 p f ， c ，2 = 2 0 0 0 p f ，c f 3 = o 2 1 t f ，配合d a 转换器t l c 7 2 2 6 c 则可实现频率性能指标。振荡电 容c ，选用陶瓷电容，以使输出频率稳定。其切换是由继电器来完成的。 第1 1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 p 0 口 p 0 ，2 p 0 1 p 0 0 d b 0o u t a d b 7 o u t b o u t c 四通道d ，a t l c 7 2 2 6 a oa 1 地址 分配器 四运放 l m 2 3 4 r 继 电 器 c i i n o u t f a d j d a d j m a x 0 3 8 c o s c c o m a 0a 1 输出 图3 - 2m a x 0 3 8 外围电路原理框图 m a x 0 3 8 外围电路原理框图如图3 2 所示。产生的波形通过程控增益放大器电路 输出。 3 2 2d s p 系统硬件设计 t m s 3 2 0f 2 x x 是美国t i 公司研发和生产的定点d s p 芯片，它的处理能力达到 4 0 m i p s ，即每秒可以执行4 0 0 0 万条指令，具备有很好的性能价格比，且在国内有较 多的相应开发应用软件和技术支持。我们选用t m s 3 2 0f 2 0 6 作为主微处理器。 t m s 3 2 0f 2 x x 硬件系统主要包括复位和时钟电路、存储器接口电路、模数数模 转换接口电路三部分。 1 、复位和时钟电路 1 ) 复位电路 为了使d s p 上电后能进行e 确的系统操作，必须首先使系统复位。t m s 3 2 0f 2 x x 的复位信号( r s ) 需要保持至少6 个时钟周期。复位信号脉冲可以通过简单的r c 电 路经施米特整形后得到，但本系统最终要形成产品化，可靠性是我们面对的一个重要 问题。考虑到d s p 系统时钟频率较高，在运行时极有可能发生干扰和被干扰的现象， 为了克服因干扰而造成死机的情况，我们采用具有监视( w a t c h d o g ) 功能的自动复位电 路。 我们选用m a x 7 0 6 实现自动复位电路，如图3 - 3 所示，引脚7 为低点平的复位输 出，引脚6 为系统提供监视信号。它除了具有上电复位功能外，还具有监视系统运行 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 并在系统发生故障或死机时再次进行复位的能力。 2 ) 时钟电路 d s p 的时钟源信号c l k i n 可以通过内部晶振或外部晶振产生。通过一个连接于 x 1 和x 2 c l k i n 引脚之间的晶振可产生内部时钟源，但它需要一个额外的调谐l c 电 路。我们采用应用广泛的外部时钟源直接输入法，见图3 - 4 所示。 图3 - 3 具有w a t c h d o g 功能的复位电路图3 - 4 时钟电路 2 、存储器接口电路 在我们选用的t m s 3 2 0 f 2 0 6 中，片内具有3 2 k 字的f l a s h m e m o r y ，5 4 4 字的d r a m 和4 k 字的s r a m 。对于处理和控制常用函数波形信号来说，片内的这些存储器已足 够，但对于开发多种函数波形和处理复杂函数信号来说是不够的，因此，我们在d s p 外部扩展了8 k x8 的s r a m ，以备用户系统开发。 扩展存储器我们选用i d t 7 1 6 4 2 5 ，它是i d t 公司生产的一种快速静态r a m ，可 直接与d s p 接口，使用非常方便。在接口连接上我们设计了一种程序扩展和数据扩展 共用一片存储器的方法，这样可以节省存储器芯片，系统开发可根据实际情况灵活划 分程序和数据空间。接口原理图如图3 5 所示，它的空间地址为8 0 0 0 h 9 f f f h 。 t m $ 3 2 0 f 2 0 6 图3 - 5i d t 7 1 6 4 与d s p 接口原理图 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 3 、模数，数模转换接口电路 高速数据采集和高速数模转换模块是本系统设计的一个重点，也是一个难点，此 模块的性能高低直接影响整个系统的精度和性能。其主要完成对系统输出信号或外输 入被测信号的实时采集和任意周期波形信号的合成。 高速d 认转换器我们选用t l c 公司的t l c 7 5 2 4 c n ，高速a d 转换器我们选用 a d 公司的a d c 9 0 5 7 ，这两种芯片均是并口器件，很方便与d s p 接口，接口电路原理 r d d o d 7 w e s t r b i s a 9 a 1 a o a 7 t o u t 瓜d o d 7 k ：= = 叫d o d 7i 信号输入 q r 帅s ，眦hle 芝巨亚 g a l l 6 v 8 一_ 订 一码 ：| 器l 7 4 f 3 7 3 圈 i d t 7 1 6 4 d o d 7 c e w i ra 0 a 循环计数器 t l c 7 5 2 4 d 0 d 7 l 信号输出 c e w r 图3 - 6a d c 、d a c 与d s p 接口原理图 如图3 - 6 所示。它们映射到d s p 的i o 地址由g a l 芯片译码得到。a d c 9 0 5 7 是8 位 高速a d 转换器，采样速率可达到6 0 m s p s ，我们采用先进先出存储器( f i f o ) i d t 7 2 0 2 1 2 实现a d c 9 0 5 7 与d s p 之间数据传输缓冲，高速a d 转换时钟信号从高频 晶振经频率控制器分频得到。t l c 7 5 2 4 c n 是8 位高速d a 转换器，其与高度r a m 、 循环计数器一起组成任意周期波形信号合成器，高速d a 转换时钟信号从d s p 的定时 器输出管脚引出。 按图3 - 6 所示方式构成的接口电路使高速数据采集、任意周期波形信号的合成与 主微处理器d s p 的数据处理相互之间相对独立，系统能够同时对这三部分进行控制和 处理。 3 2 3 程控增益放大电路 本系统中对数据采集模块输入信号幅度的调整和系统输出信号幅度的改变是通过 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 程控增益模拟放大电路完成的，它实现信号增益的量程自动切换。仪器仪表用程控增 益放大器( p g a ) 实现的方法有多种，一种是采用多路模拟开关配精密电阻网络和仪 表放大器组成，特点是能实现精密程控放大器，但量程范围有限且线路复杂；另种 是选用集成程控放大器，特点是使用方便，结构简单，然而其量程档固定且范围有限。 为了：提高输出信号的分辨率，扩大增益量程变化范围，我们采用一种数字电位器和仪 表放大器组成程控放大器的方法，它不仅能实现量程多变，而且线路非常简单。 数字电位器( 1 u ) a c ) 是一种具有数字接口的有源器件，可以很方便的与微控器接 口来精确调整其阻值。它具有耐冲击、抗振动、噪音小、使用寿命长等优点，更重要 的是它可以代替电路中的机械电位器，容易实现控制自动化和操作上的智能化。在本 系统中我们选用的是应用较为典型的美国x i c o r 公司推出的x 系列固体非易失性数字 电位器x 9 c 1 0 4 ，它的功能方框图如图3 7 所示。它是一个含有9 9 个电阻单元的电阻 u 西 i n c ，c s v c c g n d v l v h v w 图3 7x 9 c 1 0 4 的功能方框图 阵列，每个电阻单元之间和两个端点都有可以被滑动端访问的抽头，滑动单元的位置 f 1 c s 、u d 和i n c 三个输入端控制，滑动端的位置可以被储存在非易失性存储器中。 使用方便简单。 在电路设计中，我_ f i 1 n 用两片数字电位器x 9 c 1 0 4 配合使用与精密运放o p 3 7 构成 一程控增益放大衰减器，以提高增益的分辨率，电路原理图如图3 - 8 所示。数字电位 器的片选信号c s 由译码电路确定，u d 和i n c 两个控制信号利用d s p 的1 0 0 、i o l 口 输出，因d s p 的i o o 、i o l 口具有锁存功能，容易用软件编程方法输出满足数字电位器 x 9 c 1 0 4 要求的时序信号，d s p 与数字电位器之间不需要再设计等待状态发生器，使控 制电路大大简化。设如。，r 。2 分别为数字电位器x 9 c 1 0 4 ( i ) 与x 9 c 1 0 4 ( 2 ) 的阻值，由图3 - 8 知其放大增益g 为： g ：一警：一：；黑 n i , 2 ：o ，1 ，2 ，9 9 ( 3 - 4 ) r + r 。，r i + 1 0 1 0 7 第1 5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 通过d s p 设置n l 、n 2 的值从而实现增益g 。若取r l = 2 0 2 k o ，r 2 = 1 0 1 k q ，则通 过n 1 、n 2 的组合可使增益i g l 在0 5 范围内实现多个增益变化。 图3 - 8 程控增益放大电路原理图 3 2 4 人机接口的硬件设计 人机对话功能是本系统的重要功能之一，其实现人与机器的信息交换。这个功能 有两个方面的含义：一是人对系统状态的干预和数据输入；二是系统向人报告运行状 态与处理结果。实现本智能仪器人机对话的部件有键盘、显示器和r s 2 3 2 通信接口等， 这些部件同主体电路的连接是由人机接口电路来完成的，因此人机接口技术是本智能 函数发生器设计的关键技术之一。 1 、键盘的组织 键盘与单片机的接口包括硬件与软件两部分。硬件是指键盘的组织，即键盘结构 及其与主机的连接方式。软件是指对按键操作的识别与分析，称为键盘管理程序。智 能仪器普遍使用由多个按键组合在一起而构成的键盘，键盘中的每个按键都表示一 个特定的功能或数字。键盘按其工作原理可分为编码式键盘和非编码式键盘。 编码式键盘是由按键键盘和专用键盘两部分组成。当按键中某一按键被按下时， 键盘编码器会自动产生相应的按键代码，并输出一选通脉冲信号与c p u 进行信息联络。 非编码式键盘不含编码器，当某键被按下时，键盘只能送出一个简单的闭合信号，对 应的按键代码的确定必须借助于软件来完成。显然非编码式键盘的软件是比较复杂的， 而且要占用较多的c p u 时间，这是它的不足之处。但非编码式键盘可以任意组合、成 第1 6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 本低、使用灵活，因而我们采用非编码矩阵式键盘。 2 、键盘接口方法及原理 本系统中按键需要1 0 个数字键0 9 、2 个符号键和4 个功能键共1 6 个按键，若采 用独立式键盘就需1 6 根检测，故采用4 4 矩阵式键盘以减少检测线。为了编程方便， 应将矩阵键盘中的每一个键按一定的顺序编号i 即给每个按键赋予个键值。为求得 矩阵式键盘中按下键的键值，常用的方法有行扫描法和线路反转法。在系统中，键盘 g n d + 5 v 图3 - 9 线路反转法键盘接口原理图 管理是由辅助微处理器8 9 c 5 l 控制的，我们将键盘接口采用线路反转法直接与8 9 c 5 1 的p l 口相接，p 11 ：3 具有数据锁存功能，这样判读键盘很为方便。线路反转法键盘接 口如图3 - 9 所示：按键的整个识别过程分两步进行。第一步，先从p 1 的高四位输出0 + 电平，从p l 的低四位读键盘的状态，若图中某键被按下，此时p 1 的低四位输入的代 码为1 1 0 1 ，显然“0 ”对应着被按下键所代表的列。然后第二步进行线路反转，即从 p 1 的低四位输出“0 ”电平，从p 1 的高四位读去键盘的状态，设此时从p 1 的高四位 输入的结果为0 11 1 ，显然“0 ”对应着被按下键所代表的行位置。再将两次读入的数据 合成一个代码0 11 1i1 0 l ，此代码即为该键的特征码，其完全确定该按键的位置。由于 特征码离散性很大，不便于散转处理，在8 9 c 5 1 管理键盘时我们是通过查键码转换表 找到对应键值( 顺序码) 的。表3 1 为本系统的键码转换表： 第1 7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表3 - 1键码转换表 键名特征码顺序码键名特征码顺序码 0d d h0 0 h8b 7 h0 8 h 17 e h0 l h9d e h0 9 h 27 d h0 2 hed b h0 a h 37 b h0 3 h 一| 七d 7 h0 b h 47 7 h0 4 h 功能 e e ho c h 5b e h0 5 h f e d ho d h 6b d h0 6 h le b h0 e h 7b b h0 7 h 确认 e 7 h0 f h 3 显示器接口设计 显示器我们采用的是具有体积小、外型薄、重量轻、耗能小、无辐射、显示信息 量大等优点的图形点阵式液晶显示模块，其内藏控制器驱动，控制操作方便，不仅可 显示数字、字符和符号等信息，而且可显示任意图形和汉字，能达到图文并茂的效果。 我们选用的是具有背景光、单电源图形点阵式液晶显示模块s m g l 2 8 6 4 d ，它的点阵 数是1 2 8 6 4 ，如显示1 6 x1 6 点阵的汉字，可显示4 行，每行8 个字。l c d 显示屏由 两片控制器控制，每个内部带有6 4 x 6 4 位( 5 1 2 字节，8 页6 4 列) 的r a m 缓冲区， 8 9 c 5 1 s m g l 2 8 6 4 d p 0 0 p 0 7 d b 0 d b 7 p 2 0 lc s l b l a p 2 1c s 2 ，r s t p 2 2r w v 0 p 2 3d ，i v e e p 2 4 p 2 7轩 eb l kw r 爪dg n d 图3 1 0s m g l 2 8 6 4 d 与m s c 5 1 的接口电路 r 第1 8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 控制器内部设有一个数据地址页指针和一个数据地址列指针，可通过它们访问内部的 全部5 1 2 字节r a m 。s m g l 2 8 6 4 d 模块有8 位数据总线，1 0 根控制线，我们采用m c s - 5 1 直接访问i o 设备的形式控制s m g l 2 8 6 4 d 显示模块，接口电路如图3 - 1 0 所示。 我们利用m c s 一5 1 的数据口p o 直接与液晶显示模块的数据口连接，m c s - 5 l 的r d 、 w e 信号和p 2 口作为液晶显示模块的读、写控制信号。模块的片选信号e 由g a l 芯 片译码得到，m c s 5 1 对液晶显示模块读、写操作是按d 1 、c s l 、c s 2 、l v w 、e 信号 的基本时序要求进行。通过调节r w 可以调节l c d 的背景光亮度。 第1 9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第四章系统软件设计 系统的软件研制是本课题的一项主要任务。我们研制的智能信号发生器具有开发 的功能，我们可以为用户开发特殊测试信号的合成程序，用户也可以自己进行开发。 因此仪器的软件包括系统软件和应用软件。系统软件是指仪器的管理软件，主要为监 控程序。应用程序是为用户使仪器完成特定的任务而编制的软件程序。目前我们主要 完成了系统软件的设计与调试。在系统软件设计中，测量算法和控制算法是其重要组 成部分，正确的数据采集和精确测量是实现系统有效控制的前提，而控制算法是系统 实现智能化的灵魂。在本研制过程中，我们着重对本仪器所涉及的测量和控制算法进 行了探讨和研究。 4 1 系统软件总体设计 在本系统中，人机对话、机机对话、实时测量、实时数据处理及显示等功能的管 理和实现，均由系统软件来完成。系统软件由主监控软件、键盘显示器管理模块、外 设中断管理处理模块、各功能模块和数据表模块构成。其组成框图如图4 1 所