（机械电子工程专业论文）虚拟任意波信号发生器研究.pdf

摘要 针对传统台式任意波信号发生器体积庞大、接口不灵活、系统封闭、功能固 定、价格昂贵等缺点，本文论述一种新型便携式虚拟任意波信号发生器：它在必 要的硬件平台的支持下，在通用计算机上通过软件实现仪器中数据分析处理、人 机交互和显示等几部分功能模块，有性价比高、功能多、灵活性强、人机界面好、 使用方便等优点。 本文分为六章： 第一章阐述了课题的由来和研究意义，并讨论了其研究内容和目标。 第二章论述虚拟任意波信号发生器硬件系统设计，详细说明了各主要电路模 块的实现。 第三章论述虚拟任意波信号发生器软件系统设计。 第四章就虚拟任意波发生器波形误差的来源、种类进行了定性、定量分析， 提出了减少误差的具体方案。 第五章描述了虚拟任意波发生器实际产生的波形并加以分析。 第六章对全文进行了简明的总结，并对该领域在未来的研究做了展望。 总之，本课题在理论和实践上均取得了一定的突破。在理论上，提出了利用 c o m 组件技术实现虚拟仪器开发平台驱动程序的观点，解决了长期以来驱动程 序不能通用的问题；在应用上，首次在信号发生器中采用以u s b 、f p g a 和d d s 相结合的硬件电路设计，取得了很好的效果，达到了产品级的设计要求。 关键词：虚拟仪器、信号发生器、任意波发生器、u s b 接口、f p g a 、d d s a b s t r a c t i nc o n t r a s tt ot h et r a d i t i o n a ld e s k a r b i t r a r y w a v e g e n e r a t o r w h i c hh a s d i s a d v a n t a g e so f l a r g e v o l u m e 、i n f l e x i b l ei n t e r f a c e 、c l o s e ds y s t e m 、f i x e df u n c t i o na n d e x p e n s i v ep r i c e ，w i t ht h es u p p o r to fe s s e n t i a lh a r d w a r ep l a t f o r ma n db yr e l e v a n t s o f t w a r eo nc o m m o n c o m p u t e r , an e w - s t y l ep o r t a b l eg e n e r a t o rw i 廿lt h ea d v a n t a g e so f l o w p r i c e v sh i g h p e r f o r m a n c e 、s t r o n ga g i l i t y 、m o r ef u n c t i o n s 、f r i e n d l yi n t e r f a c ea n d e a s yt ou s ed i s c u s s e di np r e s e n tt h e s i si sd e s i g n e d t or e a l i z et h em o d u l e so f d i s p l a y 、 i n t e r c h a n g i n gb e t w e e nh u m a n a n dm a c h i n ea sw e l la sd a t u ma n a l y s i s & t r e a t m e n ti n i n s t r u m e n t ，e t o p r e s e n tt h e s i si sd i v i d e di n t os i xc h a p t e r s t h ef i r s t c h a p t e r d i s c u s s e st h i s s t u d y s r e a s o na n di t sr e s e a r c h s i g n i f i c a n c e f u r t h e r m o r e ，e x p l a i n s t h ec o n t e n t sa n dr e s e a r c ho b j e c t i v e t h es e c o n dc h a p t e re x p a t i a t e st h eh a r d w a r es y s t e md e s i g no f t h eg e n e r a t o ra n dt h e r e a l i z a t i o no f i t sm a i nc i r c u i tm o d u l e s t h et h i r dc h a p t e re x p o u n d st h es o f t w a r es y s t e md e s i g no ft h eg e n e r a t o r t h ef o r t hc h a p t e rq u a n t i t a t i v e l y & q u a l i t a t i v e l ya n a l y z e st h es o u r c e sa n dv a r i e t i e s o fw a v es h a p ee r r o r ，a n do f f e r sac o n c r e t ep r o p o s a lt or e d u c et h ee r r o rf o rt h e g e n e r a t o r t h ef i f t hc h a p t e rd e s c r i b e sa n da n a l y z e st h ea c t u a lw a v es h a p ee n g e n d e r e db yt h e g e n e r a t o r t h es i x t hc h a p t e rg i v e sas u c c i n c ts t a t e m e n tt ot h ew h o l et h e s i sa n dp r o s p e c t sf o r t h ef u t u r ei nt h i sf i e l d f o rt h ea b o v em e n t i o n e d ，p r e s e n ts t u d ya c q u i r e sc e r t a i nb r e a k t h r o u 【曲i nb o t h t h e o r ya n dp r a c t i c e i nt h e o r y , i tg i v e st h e i d e ao fr e a l i z i n gt h ed r i v e ro fv i r t u a l i n s t r u m e n td e v e l o p m e n tp l a t f o r mb yc o m c o m p o n e n tt e c h n o l o g y , w h i c hs o l v e dt h e u n c o m m o ni s s u eo ft h ed r i v e r i np r a c t i c e ，ah a r d w a r ec i r c u i td e s i g nc o m b i n e dw i t h u s b 、f p g aa n dd d si sw e l la c h i e v e da n dr e a c h e dt h ed e s i g ns t a n d a r do fp r o d u c t 】e v e 】 k e y w o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ，s i g n a lg e n e r a t o r ，a r b i t r a r yw a v eg e n e r a t o r ，u s b i n t e r f a c e ，f p g a ，d d s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝江盘堂或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文储虢拱噶签字隰圳年z 删同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿态堂有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权逝、江盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学僦文储虢朔i 喀 签字同期：加哆年；月 1 日 学位论文作皙毕业后去向 工作单位：；t 可少业大学 通讯地址：；女千； 姑卡擎机曲学p 免 铆虢亥厮臣铆虢厮臣 签字日期：；年z 月嘲同 电话：j ；，j ；7 9 8 7 邮编：j fa 。i 斗 浙江大学硕士举位论文 一概论 第一章绪论 第一节任意波信号发生器概论及发展 测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测，其中激励仪器主要是各类 信号发生器。经意渡莹号发生嚣是信号发生器皆熬一秘，广泛疲趸予毫子测量、 电力工程、物矿勘探、隈疗、振动分析、声学分析、故障诊断及教学科研等多方 嚣，是工程，霉进行产晶磷发襄苎l 三产熬必强仪器之。它瓣主要功能是为特测设袋 提供稳定、可靠并可以人工调节和控制的信号源，如正弦波、方波、三角波、锯 形波、囊噪声和扫频信号以及用户定义的任意波形。 二信号发生器的发展历史1 1 作为工业产品特别是电力、电子产鼎的研制釉生产领域中最重要的测试设备 之一，僚号发雯器静发袋历变两淤遥溯到上毽鳃霹0 年代。1 9 4 3 年惠蓉为海军磷 究实验熬开发了第一台信号发生器，从而使得人们在测试设备时可以利用可控的 信号添遨行跑较宠善移安全熬涎试窝测慧。在夔蓐夔二+ 年阗，绩号发生器一纛 随着电子技术、计算机技术的发展而发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。 从技术上看，镶号发生器经历了出摸拟爨= 装号发生器、数字式饺号发生嚣型虚拟 信号发嫩器的发展过程，如图1 1 所示。 从题十到六十年代，信号发生器都怒完全用以电子管工艺必基础的模拟电路 搭建的，往往调节范围受到限制，因而划分为裔频、高频、超离频、射频和微波 等信号发生器，其信号的精度和可控性都不好，而且可产生的信号的种类很少， 对于较复杂的信号，其墩路都非常复杂，造成体积庞大，不易移动。六七十年代， 随着晶体管工截的出现、大规模和超大规模集成电路的应用，数字电路在信号发 生器辛褥舞广泛豹应舔，鼓两大大提高了信号发生器黥精度，羧少了电潞本身产 生的噪声，体积也大为缩小。八十年代开始，计算机已经在工业生活中逐渐占据 了重要瓣位置，信号发生器瞧开始获缝粹熬由分立元静撵建改为戳徽处理器鸯孩 心的集成系统，这时候的信号缴生器已发生重大的变化，比如说，它所能产生信 号瓣耪类大大穗艇；逶鲻性褥剿很大熬提裹；馁意波蘩号可以邋过人工设定在鄹 一台信号发生器中产生；频宽也大大的增加了；过去的多种类的信号发生器也简 第一章绪论 单地划分为低频和高频两种，低频信号的频宽从o - 一5 0 m h z ，高频则可达到2 0 g h z 以上，但它仍存在人机界面不友好，软硬件升级维护困难等缺点。九十年代以后 虚拟仪器进入了人们的视野。这种完全以计算机软件为核心，辅以相应的硬件设 备的测试系统代表了未来测试仪器的发展方向。人们可以在友好的人机见面环境 中轻松地进行各种复杂的操作，信号发生器也从一个完全独立的测试设备，而成 为整个虚拟仪器系统中一个必不可少的子模块。 图1 1 信号发生器的发展 信号发生器中的一项关键技术是信号频率的变动控制。早期的信号发生器大 都借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数 波形，频率的变动由机械驱动可变元件( 如电容器或谐振腔) 来完成，其缺点是 显而易见的，那就是频率不稳，噪声大，频率的改变控制不容易，这就催生了锁 相频率合成器( p h a s el o c k e df r e q u e n c ys y n t h e s i z e ) 。这是一次技术上的飞跃， 它基于锁相环路原理，从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器中综合出大 量离散频率，集成度高，可靠性好且价格低廉，直到现在锁相频率合成仍然是工 程应用中最为普遍的技术。而直接数字频率合成( d i r e c td i g i t a l f r e q u e n c y s y n t h e s i z e ，d d f s ) 则是近几年来最新发展的技术，它完全摆脱间接数字合成的乘 法除法电路，直接在基准时钟的准确相位控制下获得合成频率输出，其频率控 制模块中的相位累加器由寄存器和加法器组成，相位信息存储在波形存储器内， 再经数模转换后输出最低合成频率，随着频率控制输入的增长，输出合成频率亦 浙江大学硕士学位论文 壤蠢瑟。榛位累熬臻豹竟发壤鸯嚣懿，稔爨合藏簇攀豹准确发相瘦增燕。d d f s 频攀 变换速度主要取决于累加器和数模转换器的开关时间，显然要比模拟电路快得 多，困戴广泛采鼹d d f s 技术楚必然鲍发展趋势。 三我国任意波信号发生器市场现状 目前我国经济开始进入一个新的发展时期，经济的快速发展将加快企业的技 术改造步伐，各行监特荆是电予、通信行泣对先进任意波发生器的需求燮秀霹强韵。 据最新电子商情报道，从1 9 9 8 年开始，由于国家采取了扩大内需发展经济的决 策，扩大了国产任意波信号发垒器懿市滋，镑爨增长都在3 0 左右。毽我謇豹程 意波信号发生器市场大部分被圈外产品所占领，国内产鼯市场占有率很低。目前， a n r i t s u 、a g i l e n t 、a d v a n t e s t 、r s 、t e k t r o n i x 、n i 凡家著袭纹器公筏罄在生 产各类任意波倍号发生器，如a g i l e n t 公司生产的h p 3 3 1 2 0 a 函数任意波发缴 爨、a d v a n t e s t 公司生产戆3 31 2 0 a 函数均；意波形发生嚣。a g i l e n t 豹壤号发生器 直是业界公认的高水平仪器，而且种类和型母最多，产品功能全、技术含量商。 近几年a n r i t s u 、a g i l e n t 、a d v a n t e s t 、r s ，n i 等外国公司在我国的销售额逐年 大幅度上升，a g i l e n t 公司在中国销售的任意波信号发曼| 器己极大地越过国内产 品。 我霞的仪器技术水平在发箴中霞家处于领先建位，越产品价格便寂。境外有 的销售商已把目标转向闼内的产品，出口到北荚、欧洲、东南溉的任意波信号发 生器逐年蹭掬，掰激扩大外镑产器是扩大国产强意波信号发生器市场载一条重癸 出路。 慧之，努力开发援蠢叁主熟识产权熬先逡镘意波缮弩发生爨已残必浅萤仪器 行业的当务之想。只有这样，国产任意波信号发生器才能在竞争激烈的国内外仪 器泰场中占有一艨之遮。 第二节问题的提出和技术方案 问题的提出2 d 5 l 最早期的任意波信号发生器设计结构见图1 - 2 。波形数据固化在e p r o m 戏 其它菲翁失往孝储器中，透过套表电鼹不繇蘧觚e p r o m 中取密数据，邋；妻d a c 和低通滤波器( l f p ) 输出【1 0 】。这种设计结构的优点是能产生较高频率的信号， 缺点是蚕矮程浚。 随着单片机技术的发展，人们将单片机应用到任意波信号发生器的研制中， 第一章绪论 解决了之前任意波信号发生器不便程控的缺点，使信号发生器向智能化方向前进 了一步。其结构见图1 3 。波形数据固化在e p r o m 中，单片机不断地从存储器 中取出数据，经并行口送出，再经d a c 和l p f 输出。这种方法的缺点是系统受 单片机运算速度的限制，不能产生较高频率的信号u 。 为了使任意波信号发生器既便于程控，又能产生较高频率的信号，人们又对 上述设计方法再次做了改进，其结构见图1 - 4 。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计算出波形数据送入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d a c 和l p f 输出信 号。现在，这种设计方法普遍应用于台式任意波信号发生器的研制中，使之既便 于程控，又能产生较高频率的信号，但结构复杂，生产成本高扣j 。 区亘 _ 1 亟丑哐怔乎 图i - 2 1 0 】 一! ! 竺竺| 单片机 叫并肭口l 咂 图1 - 3 【1 0 】 输出 回一 图1 4 【1 0 】 从以上讨论我们可以看到，上述任意波信号发生器的三类设计方法有以下共 同的特点： ( 1 )用e p r o m 或其它非易失性存储器固化波形数据； ( 2 )用查表电路或单片机读指令从存储器中读取波形数据； 浙江大学硕士学位论文 ( 3 ) 波形类型选择及参数设定等操作通过单片机控制或触发按钮、电位器手 动实现。 分析这些设计方案，尽管有成本低、实用等优点，但也存在一些不足： ( 1 ) 由于常用e p r o m 和非易失性存储器的数据存储时间大多在6 0 n s 以上， 所以不能产生频率较高的波形；频率上限只有几十千赫兹。这是多年来任意 波信号发生器的设计未能突破的“瓶颈”，因此实际应用范围受到一定限制1 0 】； ( 2 ) 要实现波形类型可选、参数可控、系统带几种常规波形，则硬件结构复 杂，体积大，设计难度大，价格昂贵 1 0 】： ( 3 ) 波形数据的写入需要另外的技术，写入过程也不方便，因此不能快速添 加响应不常见的波形【1 0 】； ( 4 ) 图形界面小，人工读数，信息量小；设置幅值、频率、选择波形等操作不 够直接和方便。 ( 5 ) 与其它仪器设备的连接十分有限；数据不方便保存、分析和编辑。 ( 6 ) 系统封闭，功能固定，扩展性低；技术更新慢( 周期为5 1 0 年) ；开发 和维护费用高，多为实验室所拥有等等。 近年来，随着虚拟仪器技术的应用，国外已有部分公司( 如美国国家仪器公 司n i ) 成功开发了基于p c i 和p c i c o m p a c t p c i 计算机总线的插卡式虚拟任意波 信号发生器，插入计算机主板再配以相应的软件即可作为一台完整的任意波发生 器使用。插卡式虚拟任意波发生器解决了传统台式任意波发生器的一些缺点，但 它的价格依然昂贵，使用前必须先关机，打开机箱，插入插卡，经开关、跳线、 设置程序才能使用，仍感不便。 二技术方案 随着u s b 技术的兴起和日益推广，支持u s b 的p c 及外设越来越多。在软 件上，u s b 也已成为w i n d o w s 9 8 的一个关键部件，并很快在w i n d o w s c e 和 w i n d o w s 2 0 0 0 中得到支持。另外，随着数字集成电路技术的高速发展，出现了 f p g a 、d d s 等高性能器件。我们由此想到，如果将以u s b 、f p g a 和d d s 相 结合成的硬件平台和软件系统结合在一起构成一种便携式虚拟任意波信号发生 器，可以在保持传统台式任意波信号发生器优良性能的同时，解决后者体积庞大、 接口不灵活、系统封闭、功能固定、价格昂贵等缺点。 技术方案如图1 5 所示，上位机( p c 计算机) 将用数学公式表示的连续时 间信号按一定的采样算法变换为一个离散时间信号序列，将这个离散时间信号序 列以一定的计算机文件格式通过u s b 接口传递到f p g a 内部的r a m 中，再由 地址发生电路产生一个地址指针循环读出r a m 中的数据，送到d a 转换器，最 后由d a 转换器还原成用户所需的连续时间信号。下面对技术方案中的几个环 节作初步的解释： 第一章绪论 应驱控制 躯体强用动u s b逻辑 一波形输吐 软程接口 j f p g a 件j 予 爿i 司 d p c 机 图1 5 技术方案 硬件平台 1 数据归一化和取整 图l 一5 中，应用程序的作用是按用户定义的数学公式计算出采样点的幅值， 将幅值归一化处理，形成数据文件。u s b 接口将数据文件传输到硬件平台的存 储器中存储。假定要求任意波发生器产生一个任意周期波形函数f ( x ) ，其频率 为正。，可先对f ( x ) 进行幅值归一化处理，使其成为幅值为1 的函数f ( x ) ，在 一个周期( 1 兀。) 内按等距满幅值为6 5 5 3 6 采样m 个点，然后进行离散化函数 求值d ( i ) = 6 5 5 3 6 f ( 2 x i m ) ，再将d ( i ) 按一定的方式取整，得到 玩。( 势= i n t 6 5 5 3 6 f ( 2 r r xi m ) 。 二数据的传输 将这m 个波形数据形成数据文件，由上位机经u s b 放至硬件平台中的r a m 中。由于w i n d o w s 对系统底层操作采取了屏蔽的策略，加上数据硬件设备不是 标准外设，所以必须通过驱动程序进行上位机与硬件平台之间的信息交换。 三蛩，a 转换和波形输出 由控制逻辑中的高速2 4 0 9 6 可编程任意进制计数器( 设为m 进制) 组成的 地址发生器循环依次扫描这m 个地址单元，读出的数据送入高速o ，a 转换器， 再经增益控制、功率驱动输出，则产生了该波形。 四产生任意波的频率范围 实验表明，一个周期内由2 0 个采样点构成的还原信号是相当光滑的【l “。当 然，在设计中按采样点数m 尽量多( 不少于2 0 ) 取用是一个基本要求。本系统 选用5 0 m h z 有源晶体振荡器，经2 0 ( 2 ”一1 ) 分频驱动高速地址发生器电路， 因此能产生的波形的最高频率和最低频率分别为： 浙江大学硕士学位论文 工。= f 2 0 = 5 0 m h z 2 0 = 2 。5 m h z 无勰锄= 尹( 2 匏一1 ) + 4 0 9 6 = 5 0 m h z ( 2 3 2 1 ) + 4 0 9 6 = 7 7 x 1 0 1 h z 实际上，我们在设计中基本使m 不少于5 0 ，以保诞实际波形和理想波形的 谟差在一定范围内。这样，五。m 。= f + 5 0 = 5 0 m h z + 5 0 = 1 m h z e 浅? 第三节虚拟仪器概述 本文论述的是一种虚拟仪器概念的任意波信号发生器，那么什么是虚拟仪器 纛羧仪器概念1 1 6 l 黄绕仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，麓稼v i ) 是出厂家设计著窥义好功能的一个 封闭结构，它有固定的输入输出接口和仪器操作面板，镣种仪器实现一类特定的 测量功熊，并以确定的方式提供绘用户。 虚拟仪器可使用相阎的硬件系统，通过不同的软件就可以实现功能完全不丽 的各种测量测试仪器，即软件羝统是虚拟仪器的核心，可以说“软件即仪器”。 虚拟仪器通过软彳牛将计算税硬律资源与仪器硬件裔杭的融合为一体，从丽撼 计算机强大的计算处理能力和仪器硬件的测量、控制能力结合在一起，大大缩小 了仪器磷侔的成本和体积，并逶过获 孛实瑗对数据静鬣示、存储夔及分析处瑾。 虚拟仪器技术的优势在于可由用户定义自己的专用仪器系统，臆功能灵活，很容 易稳建，所骧艨焉瑟极为广泛。尤其奁瓣疆、嚣发、测量、硷溯、诗量、测控簿 领域更是不可多得的好工具。康拟仪器技术先进，十分符合国际上流行的”硬件 软 譬纯”靛发震趋势，瓣瑟豢被称终“软 睾搜嚣”。它功越强大，霹实现示波器、 逻辑分析仪、频谱仪、信号发擞器等多种普通仪器全部功能，配以专用探头和软 牛还霹捻测特定系统静参数，虫疆汽车发动枧参数、汽油标号、炉窑湿度、血液脉 搏波、心电参数等多种数据；它操作灵活，完全图形他界面，风格简约，符合传 统设备的使用习惯，用户不经培训即可迅速掌握操作规程；它集成方便，不但可 以和高速数据采集设备构成自动测量系统，雨殿可跣和控制设器构成自动控常l 系 统。在仪器计量系统方面，示波器、频谱仪、信号发生器、逻辑分析仪、电压电 流表是科研孝氕关、企盈磷发实验室、大专院瑟数必备溅鲞设备。随着诗算穰技术 在测绘系统的广泛应用，传统的仪器设备缺乏相应的计算机接口，因而配合数据 采集及数据处疆十分戮雉。嚣艇，传统仪器钵积耜对凌大，多耱数据测量嚣露鬻 感到捉襟见肘，手足无措。我们常见到硬件工程师的工作台上堆砌着纷乱的仪器， 第一章绪论 交错的线缆和繁多待测器件。然而在集成的虚拟测量系统中，我们见到的是整洁 的桌面，条理的操作，不但使测量人员从繁复的仪器堆中解放出来，而且还可实 现自动测量、自动记录、自动数据处理。其方便之处固不必多言，而设备成本的 大幅降低却不可不提。一套完整的实验测量设备少则几万元，多则几十万元。在 同等的性能条件下，相应的虚拟仪器价格要低二分之甚至更多。虚拟仪器强大 的功能和价格优势，使得它在仪器计量领域具有很强的生命力和十分广阔的前 景。在专用测量系统方面，虚拟仪器的发展空间更为广阔。环顾当今社会，信息 技术的迅猛发展，各行各业无不转向智能化、自动化、集成化。无所不在的计算 机应用为虚拟仪器的推广提供了良好的基础。虚拟仪器的概念就是用专用的软硬 件配合计算机实现专有设备的功能，并使其自动化、智能化。因此，虚拟仪器适 合于一切需要计算机辅助进行数据存储、数据处理、数据传输的计量场合。测量 与处理、结果与分析相脱节的面貌将大为改观。数据的拾取、存储、处理、分析 一条龙操作，既有条不紊又迅捷快速。推而广之，一切计量系统，只要技术上可 行，都可用虚拟仪器代替，由此可见虚拟仪器应用空间是多么的宽广。在自动控 制和工业控制领域，虚拟仪器同样应用广泛。绝大部分闭环控制系统要求精确的 采样，及时的数据处理和快速的数据传输。虚拟仪器系统恰恰符合上述特点，十 分适合测控一体化的设计。尤其在制造业，虚拟仪器的卓越计算能力和巨大数据 吞吐能力必将使其在温控系统、在线监测系统、电力仪表系统、流程控制系统等 工控领域发挥更大的作用。 二虚拟仪器的分类1 1 7 1 虚拟仪器的发展随着微机的发展和采用总线方式的不同，可分为五种类型： 第一类：p c 总线插卡型虚拟仪器 这种方式借助于插入计算机内的印刷电路板卡与专用的软件如l a b v i e w 相 结合。但是受p c 机机箱和总线限制，且有电源功率不足，机箱内部的噪声电平 较高，插槽数目也不多，插槽尺寸比较小，机箱内无屏蔽等缺点。另外，i s a 总 线的虚拟仪器已经淘汰，p c i 总线的虚拟仪器价格比较昂贵。 第二类：并行口式虚拟仪器 并行口式虚拟仪器是一种可连接到计算机并行口的测试装置，它把仪器硬件 集成在一个盒子内，将仪器软件装在计算机上。通常可以完成各种测量测试仪器 的功能，可以组成数字存储示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、任意波形发生器、 频率计、数字万用表、功率计、程控稳压电源、数据记录仪、数据采集器等等。 第三类：g p i b 总线方式的虚拟仪器 g p i b 技术的出现使电子测量由独立的单台手工操作向大规模自动测试系统 发展。典型的g p i b 系统由一台p c 机、一块g p i b 接口卡和若干台g p i b 形式的 仪器通过g p i b 电缆连接而成。在标准情况下，一块g p i b 接口可带多达1 4 台仪 浙江大学硕士学位论文 器，电缆长度可达4 0 米。g p i b 技术可用计算机实现对仪器的操作和控制，替代 传统的人工操作方式，可以很多方便地把多台仪器组合起来，形成自动测量系统。 g p i b 测量系统的结构和命令简单，主要应用于台式仪器，适合于精确度要求高 的，但不要求对计算机高速传输状况时应用。 第四类：v x i 总线方式虚拟仪器 v x i 总线是一种高速计算机总线v m e 总线在v i 领域的扩展，它具有稳定 的电源，强有力的冷却能力和严格的r f i e m i 屏蔽。由于它的标准开放、结构 紧凑、数据吞吐能力强、定时和同步精确、模块可重复利用、众多仪器厂家支持 的优点，很快得到广泛的应用。经过十多年的发展，v x i 系统的组建和使用越来 越方便，尤其是组建大、中规模自动测量系统以及对速度、精度要求高的场合， 有其他仪器无法比拟的优势。然而，组建v x i 总线要求有嵌入式控制器，造价 比较高。 第五类：p x i 总线方式虚拟仪器 p x i 总线方式是p c i 总线内核技术增加了成熟的技术规范和要求形成的。 p x i 具有8 个扩展槽，通过使用p c i p c i 桥接器，可扩展到2 5 6 个扩展槽，台 式p c 的性能价格比和p c i 总线面向仪器领域的扩展优势结合起来，将形成未来 的虚拟仪器平台。 第四节虚拟任意波发生器的主要指标1 8 1 1 2 - 1 s 1 表征虚拟任意波发生器的主要指标有以下几个： ( 1 )输出通道 输出通道是指信号是模拟输出还是数字输出，单通道或者多通道。 ( 2 )输出幅度分辨率 输出幅度分辨率以位数表示，最少8 位，位数越高，波形越逼真。1 6 位分 辨率意味着6 5 5 3 6 ( 2 ”) 个电压等级。 ( 3 )波形存储器容量 波形存储器容量以每通道的字节或字长表示，一般1 k 至5 1 2 k 。容量越大， 存储的波形越复杂，同时可存储的波形越多。设计大容量的存储器虽然会增强任 意波形发生器的性能和多用性，但也增加了它的成本。 ( 4 )时钟频率 时钟频率是指每秒的采样率，采样率越高，则频率特性越好。最高采样速率 决定了波形中最高的频率成分。n y q u i s t 定理指出：可还原的最高频率不大于二 分之一的采样速率。在该采样点上，每周期只要有两个采样点就可以确定原波形。 实际上，可采样的最高频率要比n y q u i s t 频率低得多。具体取决于可容忍的失真 程度。 9 第一章绪论 ( 5 )输出幅度 是指在波形不失真时的输出峰一峰值，特别在最小输出时应具有可用的信噪 比，一般从小于l m v 至大于5 v 。 输出信号幅度的度量可采用两种表示方法：其一，直接用信号有效值( 单位 用v ，m v 或u v ) 表示：其二，用绝对电平( 单位用d b m ，d b ) 表示。 对于信号源来说，在阻抗匹配的条件下，即当信号源的输出阻抗( 内阻) 等 于外接负载阻抗时，定义功率电平为： p p 。= l o l g l 苫- d b m 0 而定义电压电平为： p ，= 2 0 1 9 睾 d b m u o 式中，只，玑分别为负载吸取的功率和负载两端的电压( 有效值) e ，u 。基准量 若基准量和u 。分别取l m w 和0 7 7 5 v ，则零功率电平( 0 d b m ) 和零电压电平 ( o d b ) 的定义与讨论分贝测量时是一样大的。所以，目前大多数信号源都取l m w 或o 7 7 5 v 为绝对电平的基准源。 ( 6 )输出电平的频响 这是指在有效频率范围内调节频率时，输出电平的变化，也就是输出电平的 平坦度。一般地说，对于信号源中频段的输出电平，平坦度应优于o 。l d b 。 ( 7 )信噪比 信噪比指在正弦波输出情况下，基频信号和一次谐波分量之比。 ( 8 )频率范围 频率范围是指各项指标都能得到保证时的输出频率范围，即有效频率范围。 ( 9 )频率准确度 频率准确度是指频率实际值正和用户设定的频率厶( 标定频率) 的相对偏差， 其表达式为： 口：立五：笪 氏氏 式中，= 一f o 为频率绝对偏差。 ( 1 0 ) 输出阻抗 i o 浙江大学硕士学位论文 高频信号发生器一般为5 0 q 或7 5 f 不平衡输出，我国部颁标准规定5 0 f 2 为优 选值。 一课题的意义 第五节课题概貌 我国目前任意波信号发生器市场有两个特点：一是以进口产品为主，国产产 品为辅，进口产品销量大、价值高；二是任意波信号发生器市场逐年增长，且增 长率可观。造成国产任意波信号发生器目前现状原因有很多，技术上的问题是其 中之一：产品技术性能落后，长年缺少投入：未能及时引进新工艺、新技术， 造成外型陈旧、结构老化、功能简单：产品单一，品种少、重复多。 随着中国开放政策的深入发展、中国加入世贸组织将给很多行业带来不同的 影响，但对中国仪器行业首先是无形的冲击。我们必须加大产品的技术含量，开 发新品种，以适应当今新产品新技术日新月异的世界潮流。 本课题研究的虚拟任意波信号发生器是一种新型的任意波发生器，它综合利 用了当今先进的虚拟仪器技术、计算机软件技术、数字集成电路技术，技术含量 处于国内领先地位。在这方面的研究，填补了国内空白，有较大的科研意义。 二课题的主要研究内容 硬件平台是本课题的主要内容研究之一。便携式仪器的基本要求是体积小， 功耗低。围绕这两点要求，我们在对现有任意波信号发生器的构造和实现思路作 了深入研究，在这之上，吸收当前最先进的数字集成电路技术，采用了u s b 、 f p g a 和d d s 相结合的新型有效的任意波信号发生器硬件构架，解决了一系列 具体的技术难题，与虚拟任意波信号发生器软件系统结合在一起，组成了一个完 整的信号发生系统，最终达到了产品级的设计要求。 软件即仪器，软件是虚拟仪器的灵魂，在硬件平台上进行软件开发是虚拟任 意波信号发生器研究的关键。软件可分为四个层次进行开发研究，它们分别是用 户应用程序、c o m k d l l 层、u s b 驱动程序和e z u s b8 0 5 1 程序。在本课题中， 我们分别对c o m l d l l 层、u s b 驱动程序和e z u s b8 0 5 1 程序以及各层间的消 息流通信机制作了详细的研究。针对不同开发平台的驱动程序性不能互换的问 题，提出了利用c o m 组件技术实现虚拟仪器开发平台驱动程序等全新观点，解 决了不同开发平台的驱动程序不能互换的问题。 任何信号源产生的信号波形相对理想波形都存在误差，波形误差的来源、种 第一蕈绪论 类班及懿彝减少误差也是零漾题辑究浆疼吝。 三。磷究目标 本课题研究这样一种便携式虚拟任意波信号发生器：它在必要的硬件平台的 支持下，在通用计算枫平台上邋过软件实现仪器中数据分析处溅、入税交互积驻 示等几部分功能模块，既具备廉拟仪器成本低、功能多、灵活憔强、人机界面好 等特点，又保持了传绫螽式任意波信号发生器饶受静羧能。在功熊上，箍整任意 波信号发生器可作为任愆波信号发生器、函数信号发生器、扫频信号发生器和噪 声信号发生器搜蔫，功戆齐全，傻廷方矮；蕤够产生各耱常趣信号波影，热歪弦 波、方波、三角波、锯齿波等，也能产生由用户通过p c 机输入波形数学公式戏 糖式文绺定义斡任意波形，另终宅还可产生鑫臻声积麴频售号。 本课题研究的虚拟任意波发生器要达到以下技术指标： 簸窭逶道：2 个，其中d d s 逮道羲惠歪弦波窝占窒跹可淫方波，d a 逶道输 出任意波形 信母输出：b n c 插座( 短路保护) 输斑波形：正弦滚、方渡、键装波、三角波、赫洚、鑫臻声、扛凝信号、 任意波形 输出幅度分辨率：1 6 位 波形存储嚣容量：4 k 时镑频率：5 0 m h z 输出幅度：1 0 v p - p ( 开路) 输如电平的频响：蔓o 1 d b 售骥晓：7 0 d b 频率范围：正弦波，方波：0 0 1 h z 1 5 m h z ，锯齿波、三角波、脉冲、任 意波形：o 5 h z - - i m h z 频率准确度：o 。2 直流偏置：1 0 v 1 0 v 输出阻抗：5 0 f 2 浙江大学硕士学位论文 瞪论文的创新点 本文的戗新点有敬下两方瑟： 在任意波信号发生器的研制中，设计实现了极具特色的以u s b 、f p g a 帮d d s 秘结合豹矮传奄赣设计，解决了在这之麓任意波信号发生器硬件 电路复杂、体积庞大、功耗大、成本高等缺点，取得了很好的效果。特别 是涎羽f p g a 大援摸霹缡疆逻辑器终，傣勘计算攥壤瓒设计软转避行数字 逻辑电路的设计和调试，做到了硬件电路软件化，非常方便于系统的升级 襄功毙扩鼹。 提出利用c o m 组件技术实现虚拟仪器开发平台驱动程序的观点，应 用于虚拟谯意波馕号发生器驱动稷序的设计中，解决了长期以来驱动程序 不能通用的问题。 第二章虚拟任意波傣号发生器硬件系统设计 第二章虚拟任意波信号发生器硬件系统设计 第一节虚拟任意波信号发生器硬件构成 一硬件平台实现思路 图2 - 1 硬 串平台构成 1 4 浙江大学硕士学位论文 集成电路的迅猛发展，推动了电子技术的发展，带来了电子系统设计的不断 变革。在嶷拟任意波信号发生器鞭 牛设计中，硬传要求鸯逶讯接躁与p c 掇进行 邋讯，在这一点上，我们看准了：i 驻几年迅速发展起来的u s b 技术。u s b 接口作 为7 大工业巨头c o m p a q ，d e c ，i b m ，i n t e l ，m i c r o s o f t ，n e c 和n o r t h e r n t e l e c o m 最 新推出的计算机接口，改进了以彼各种计算机接羽( 如p c i 、i s a ) 的不足，县有使 用方便、成本低、同时可挂的外设数量大、速度快等优点。 对予硬 孛设计中的逻辑处攥帮接西转换阏题，我们首先考虑到的就是 f p g a 2 7 - 2 s 6 0 - 6 3 1 。f p g a 功耗小、速度快、规模大、接口兼容性好，其设计通过 软 譬实褒爨具备了系统设诗熬柔瞧，嚣甍雾在数字壤路中占有辍箕鬟要静蟪使，霞 得传统依靠门电路、触发器、计数器等构建数字电路的方法成为历史：它县有强 大憨逻辑处理功戆，可以l # 拳方便逑实襞器穗接鼯豹扩鼹霹转抉。 常规的正弦波和方波，我们选用先进的d d s 5 7 - 5 s 芯片来实现。最初我们选 撵了a d 9 8 3 0 来实现正弦波，后来发现a d 9 8 3 0 缀然有羧制、编稷方便等优点， 缎存在t t l 电平和c m o s 电平不匹配的问题，需簧另加电平转换电路，很不方 便。而a d 9 8 5 0 就不存在电平匹配问题，而且产生频率范围更高，功耗较低，信 譬频谱更纯。另外，它 f j 俩的价格差不多，所醵我们最终采用a d 9 8 5 0 为d d s 器件。 总之，本谍麓在硬体平台豹实现上，采霜戳u s b 、f p g a 和d d s 穗结合静 硬件电路设计，取得了很好的效果。 图2 - 2 廉拟任意波信号发生器硬件平台实物 二硬件平台构成 虚拟任意波信号发生器硬件平台实物见图2 - 2 ，其构成框图见p 1 4 贝图2 - 1 第二章虚拟任意波信号发生器硬件系统设计 掰示，主要由u s b 接目模决、u s b 总线控翻模块、d d s 模块、f p g a 模块、d a 模块、可编程电压偏置电路模块、增益掇制和驱动模块、电源模块等组成。各模 块功能分述蘩下： u s b 接阳模块； u s b 接日摸块是主投帮硬传乎台通信的掭粱，其魄路见图2 。3 。p c 规向硬 件发送的数据包以串行数据流的方式通过u s b 信号线传送到u s b 模块，经u s b 模块处理后控制备硬件瞧路的动作，例如，向f p g a 中的r a m 下载波彤数据文 件、设鬣d d s 频率等。 图2 3u s b 接翻模块电路 u s b 接口模块的核心是c y p r e s s 公词的一款u s b 芯片e z - u s b2 1 3 1 q c ， 它是e z u s b 芯片系列功能最强的一个，用予歼发u s b 舞浚非常方便 1 9 - 2 4 l 。 e z - u s b 芯片系列提供了一个基于r a m 的软解决方案。可允许几乎无限次的设 备重新设置和软件舞缀。它繇翡提供全帮u s b 眷睦率，采瘸e z - u s b 芯片豹系 统设计无需考虑端点数量、缓冲区尺寸和传输速度的限制。每个芯片内嵌一个 e z u s b 孩，它姥楚理缝大多数u s b 零务，大大麓纯了翟痔代码，鸯羹速了牙发 进程。 a n 2 1 3 1 q c 其有絮下特点1 2 ”： ( 1 ) 在计算机开机期间，具有即插即用功能。计算机检测到u s b 接口设备就自动 完成驱动程序熬安装，设备断开连接时，计算机就自动卸载驱动程序。无需开关、 跳线、设置程序，它与中断、d m a 、内存和输入输出阴无任何冲突。 6 浙江大学硕士学位论文 ( 2 ) 内嵌一个串行接口引擎( s l e ) 。s i e 与u s b 数据线d + 、d 一相连，在u s b 设备 与计算机间传送数据。 ( 3 ) 芯片内嵌入了一个增强型单片机8 0 5 1 核。8 0 5 1 核使用片内的8 k r a m 作为 程序和数据存储器，它通过寄存器与s i e 交换信息。 ( 4 ) 共有3 2 个端点：分为块传输、控制传输、中断传输和同步传输四种端点类 型。四种复位模式：上电复位、u s b 总线复位、8 0 5 1 复位和u s b 断开连接重 新连接。 ( 5 ) 一个1 2 c 接口可以外接e e p r o m ，还可以作为标准1 2 c 总线接口使用。2 4 个i o 口，1 6 根地址线，8 根数据总线。i o 口每个引脚都是双功能引脚，既可 作输入输出口使用，也可选其它功能。 ( 6 ) 工作电压为3 3 v 。 图2 - 3 中i m p 8 1 2 是电压监视芯片，当电源信号低于预设门槛电压值时，产 生一个r e s e t 信号。a t 2 4 c 0 2 a 是1 2 c 总线e e p r o m ，e z u s b 核根据其首地 址的内容来决定如何枚举，e e p r o m 里面存贮着制造商信，g ( v i d ) ，产品信息 ( p i d ) ，设备信息( d i d ) 等内容。 e z u s b 芯片数据线和地址线，p o r t b 、p o r t c 口都和f p g a 的i o 口相 连，通过f p g a 对d a 和a d 9 8 5 0 进行输出控制。p o r