（电力电子与电力传动专业论文）采用虚拟仪器技术的任意波形发生器的研制.pdf

零南大学硕士学位论文 a b s 霉r a c 霉 a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ( a w g ) i sa k i n do fc o m m o n l yu s e ds i g n a ls o u r c ew i t hw i d e a p p l i c a t i o ni nt h ef i e l do fs c i e n t i f i cr e s e a r c h ，m a n u f a c t u r ea n dt e a c h i n g t h ea p p e a r a n c eo fv i r t u a l i n s t r u m e n tt e c h n o l o g yi sar e v o l u t i o no nt h ed e v e l o p m e n th i s t o r yo ft h ei n s t r u m e n t 。i tr e p r e s e n t st h el a t e s t d i r e c t i o na n dt r e n do fi n s t r u m e n td e v e l o p m e n ta n di sa ni m p o r t a n tf i e l do ft h ei n f o r m a t i o nt e c h n o l o g y t h i s t h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , u s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y f i r s t l y , t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r i e so fv i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y , i n c l u d i n gt h ec o n c e p t ， c o m p o s i t i o n c l a s s i f i c a t i o na n dt h ec o m p a r i s o no fv i r t u a t n s t m m e n ta n dt r a d i t i o n a l n s t r u r n e n t o nt h e b a s i so ft h i s t h et h e s i si n t r o d u c e st h es o f t w a r es t r u c t u r eo fv i r t u a li n s t r u m e n ts y s t e ma n db r i e f l yi n t r o d u c e s t h er e l e v a n tt e c h n o l o g y , s u c ha si n s t r u m e n td r i v e r , v i s a ，e t c s e c o n d l y , t h et h e s i sd e s i g n sh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ea r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r t h et h e s i s f o r m u l a t e st h ew h o l es c h e m eo ft h es y s t e ma n da n a l y s e st h er e a s o no fu s i n gd d st e c h n o l o g y , i na d d i t i o n ， t h et h e s i sa n a l y s e st h er e l e v a n tt e c h n o l o g ya n dc o n t r o lm e t h o do f a w g n es y s t e mi sm a d eu pt w op a r t s ，p cs o f t w a r ea n df i r m w a r eo fa r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , c o m m u n i c a t i n gw i t hu s bb u s i nt h ep a r to ff i r m w a r ed e s i g n ，t h et h e s i s d i s c u s s e sf u n c t i o na n ds e l e c t i n g t y p ep r i n c i p l eo fe a c hh a r d w a r em o d u l e ，a n dp r o v i d e st h es y s t e mr e s o u r c e a l l o c a t i o ns i t u a t i o na n d s o l i d i f i c a t i o ns o f t w a r ep r o c e d u r e i na d d i t i o n ，t h et h e s i sd o e st h el o g i cd e s i g nw i t hv e r i l o gh d la n d a n a l y s e st h er e a l i z a t i o no f d d st e c h n o l o g yi nc p l d t h ep cs o f t w a r ea d o p t sl a b v i e w 7 10 fn ic o m p a n ya st h ed e v e l o p m e n te n v i r o n m e n t t h em a i n w o r ki n c l u d e st h ed e s i g no fp a n e l s ，b l o c kd i a g r a ma n dd e b u g g i n go ft h ed r i v e ro fu s bc o m m u n i c a t i o n i n t e f f a c e 。 f i n a l l y , t h et h e s i ss u m m a r i z e st h ew o r ka c h i e v e m e n t ，a n a l y z e st h ew e a kp o i n tt h a tt h es y s t e me x i s t s ， a n dg i v e st h es u g g e s t i o n k e y w o r d s a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , v i r t u a li n s t r u m e n ld i r e c td i g i t a ls y n t h e s i s ， l a b v 腰w u s b 东南大学学位论文猿剑性声鞠 本人声瞬所呈交盼学位论文是我个人在导师指导下遴行的研究工传及取得的研究成果。尽我所 知，除了文申特剐加以标淀釉致谢豹地方辨，论文孛不彀禽箕谴入已经发袭或撰写过静研究成果，也 不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而傥用过的材料。与我一同工作的同志对本研究 所做的任俅鼹献均己在论文中作了明确的说明菇表示了谢意。 磅究生签名：锄 窭羯：堕墨夕 东南大学学位论文使用授权声明 东意大学、中国科学技术售息礤究所、国家鹫二s 馆奢投僳馨本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制乎段保存论文。本a 电子文档的内容和纸质论文的内容稿 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或 部分内容。论文静公布( 包摄馥登) 授权农赢大学研究生照办理。 一魏傩撕懿：垃堕：罗 第一章绪论 第一章绪论 1 1 任意波形发生器技术的发展 传统躲信号发生器荣耀模拟电路技零，峦努立元舞梅戏振荡电筵秘熬影电路，产生器穆渡影。 采用这种技术的波形发生器瞧路结构复杂、体积庞大、稳定度和准确度较蓉，两且仅程声生正弦渡、 方波、三角波等几种简单波形，难以产生较为复杂的波形信号。 随着微处理器性能的掇商，出现了由微处理器、d a 以及相关硬件、软件构成的波形发生器。 它扩展了波形发生器的功能，产生的波形也比戬往复杂。实质上它采碍了软馋控制，利爝徽处理器 控翻d i a ，藏霹强褥至g 各耱簿荜波形。毯氆子徽整理嚣瓣遮瘦疆裁，这释方式匏装形发妻毫器输出频 率较低。 目前的怔意波形发生器普遍采用t d d s ( 直接数字频率合成) 技术。基于d d s 技术的任懑波形发生 嚣( a w g ) 利用高速存储器作为查找表，通过高速d ，a 转换器对存储器的波形进行合成。它不仅可以 产生正弦波、方波、三角渡零】镊齿波等援剿渡形，露虽遥霹敷透过主绶瓿袋下健援编辚，产生真正 意义上的经意波形。翻翔，它能模拟编码蒋达信号、潜永艇特征信号、磁盘数据信号、机械振动瞬 变过程、电视信号以及神缀脉冲之类的波形，也能重演由数字示波器( d s o ) 捕获的波形。 任意波彤发生器技术发展至今，掌握擞先进技术的仍然是国外的几大仪器公司，如a g i l e n t 、 t e k t r o n i x ，冀任意波形发生嚣产品已经形艨系到，从经携戏仪器到v x i 模块都寄不嗣档次熬产品。 窝美嚣a g i l e n t 公霹鹈3 3 2 5 0 a 鼙任恚波形发生嚣，最蒜采样率2 0 0 m s a s ，输出频率糍达8 0 懑z ， 1 2 b i t 分辨率，6 4 k 点存储嚣深度，可建立凭限多种信号。标准输出包括艇弦波、方波、斜波、噪声 波、s i n ( x ) x 、真流和其它波形。 国内厂黎生产的任意波形发生器与圜外同类型的产晶相比，技术指标上还有很大的藏距，其中 一个擐重要熬嚣因羲是国钋援器公霉豹任意渡形发生器，k 乎全部采萁 了d d s 接术。因就，骚究基于 d d s 技术的任意波形发生嚣其有很大的意义。 。2 虚羧仪器技术麓发震 电子测鬣仪器发展至今，经历了指针式仪表、模拟器件仪器、数字器件仪器、智能仪器、个人 仪器、虚拟仪器等发展阶段。 1 9 8 6 年，菱国国家仪嚣公霹( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 捷窭了虚熬仪器v i r t u a l i n s t r u m e n t a t i o n ) 的概念。这一概念静核心楚班计算税搀为仅器的硬件支檬，充分剩掰计冀祝的数 据运算、存储、回放、调踊、显示及文件管理等功能，把传统仪器的专业功能软件化，使之更加紧 密的与计算机融为一体，构成一种从外观到功能都与传统仪器相似，但u 谯实现时却主要依赖计算机 软硬件资源鲍垒耨仪器系统“。 虚援纹器控米熬密瑰，锯底打疆了绩缓仪器由厂家囊义，臻户无法改变戆模式。攫藏铰器技拳 给用户一个充分发挥自己的才能、想象力的空间。用户( 而不是仪器厂象) 可以随心所欲的根据自己 的需求，设计自己的仪器象统，满足多种多样的应用需求，所需要的只魁一些必要的硬件加上通用 计算机。利用通用的仪器硬件平台，调用不同的测试软件就可以构成不阍功能的仪器。于是，就有 了“款 孛裁楚仪器”静说法。这不经汉是麓诞较传瓣重癸憷，更说明戟佟楚瑷钱仪器篆绫鲍核心。 瘦接仪器的出现是仪器发展史上的一溺革命，代表着仪器发展豹最耨方向和鬻流，悬信息技术豹 一个重要领域，对科学技术的发展和工业生产将产生不可恼麓的影响。从2 0 世纪8 0 年代n i 公司提出虚 拟仪器的概念至今只有短嫩的十余年时间+ 但虚拟仪器产品已经占有了世界仪表仪器市场1 0 左右 末南丈学硕士学位 _ 卺文 的份额。毋庸置疑，虚拟仪器不仅是2 1 世纪仪器发展的方向，而且必将落步取代传统的碗件化电子 仪器，使成千上万种传统仪器都融入计算机体系中。 1 3 本论文研究的内容 奉文磷究弱悫枣主要怒结合虚越仪器搜本，进 亍任爨波形发生器熬磷捌，所嗣静控靠方式是窝 前跪较先避的d d s 技术。 论文第二章进行了虚拟仪器技术基本理论的介绍。主要包括虚拟仪器的概念、构成、分类以及 与传统仪器的比较。在此基础上，介绍了虚拟仪器系统的软件结构，并简撄阐述了v p p 规范和v i s a 模型。 论文第三章送幸j ：了系统熬体方案的裁缝。指出了本文啜计雏系统的麓本功能和按拳搔蠡。然后 讨论了系统聚用d d s 技术的原因，并进行了d d s 技术的分析。另外，就系统d a c 字长的选择、 幅值控制方式的确定、通信方式和软件平台的选择做了分析研究。 论文第四章设计了任意波形发生器的嘲件部分，主要包括了硬件设计和固化软件设计两部分。 疆舞设诗郄分讨论了吾令模块实褒戆功艉及遗型覆劐。髫纯软鼗：部分绘爨了系统姿添分瓣情提帮总 的同化软件流程。 论文第五章进行了系统的逻辑设计，主骚在c p l d 中用v e r i l o gh d l 编程实现。分析了d d s 技 术在c p l d 中的编程实现，并进行了地址发生器等各个模块的功能分析与设计a 在此基础上，进行 了系绕工作状态懿分辑。 论文第六章设计了经意波形发生嚣鲍p g 枧软释部分，是在n i 公司l a b v t e w 7 1 缡程环境下开 发完成的。荫先进行了系统主面板利子面板的程序框图设计，其次进行了u s b 驱动程净豹设计，最 后制定了系统的通信协议。 最后结论部分，进行了论文成果总绺，对系统存在的不足之处以殿需瑟改进之处掇如了建议。 2 一 第二章廛拟议器技术基本理论 第二章虚拟仪器技术基本理论 2 1 虚拟仪器的概念 虚拟仪器是敷运嗣计冀辘作隽系统挖剁器、盘软箨寒蜜褒a 规交蔓秘大罄分坟器葫麓携一静诗 算梳仪器系统。虚拟仪器概念是对传统仪器概念静重大突破，它静出瑰筏测量仪器与个入诗算机靛 界限模糊了。 虚拟仪器一词种的“虚拟”育以下两个方面的含义f 1 i ： f 1 ) 虚拟仪器面板 在虚搭搜器孛，计翼辍曩示器是难一的交互赛蚕，豹壤静开关、按键、旋锺殴爱数鹬营等显示 器件均由与事物外观很相似的图形控件来代替，操作人受源过鼠标或键盘操纵软件界西中这些控件 来完成仪器的操控。 ( 2 ) 由软件编程来实现仪器功能 在虚攒仪器系凌中，仪器功旋是盎软传缡程采实骥懿。溅囊瑟嚣瓣器秘激蘑信号霹凌较停产生 的数字采榉垮列控制d i a 转换器来产生；系统硬件模块不能实现的一些数据处理功能，强f f t 分辑、 小波分析、数字滤波、回归分析、统计分柝等，也可由软件编程来实现：通过不同软件模块的组合， 还可以实现多种自动测试功能。 2 2 虚拟仪器与传统仪器的比较 与传统仪器相比，虚拟仪器有以下一些特点： ( 1 ) 软件是核心 其中，仪器驱动软件的功能是实现与仪器硬件的接口和通信，应用软件则完成用户定义的测试 和仪器功能，并提供人机交互界面。n i 公司提出的“软件即仪器”( t h es o f t w a r ei st h ei n s t r u m e n t ) 是这一特点的形象概括。 ( 2 ) 灵活性和可扩展性 仪器用户可以根据自己不断变化的需求，方便灵活的重组系统，系统的扩展、升级可随时进行， 而且系统更新的周期短、见效快，能充分满足用户在不同场合的应用需求。 ( 3 ) 性价比高 虚拟仪器可以将在传统仪器中由硬件完成的功能转为软件实现，减少了自动测试系统的硬件环 节，降低了系统的开发成本和维护成本。虚拟仪器能同时对多个参数进行实时高效的测量，信号传 输大部分采刖数字信号的形式，数据处理也主要依赖软件来实现，大大降低了环境干扰和系统误差 的影响。用户可以随时根据需要调整虚拟仪器的功能，实现一机多用。因此，使用虚拟仪器比传统 仪器更经济。 ( 4 ) 良好的人机界面 虚拟仪器的操控界面是采用图形化编程技术实现的一种虚拟面板或称为软面板。可以模拟传统 仪器面板的设计风格来设计，也可以由用户根据实际需要定制设计。测量结果可以通过计算机屏幕 咀曲线、图形、数据表格等形式显示。 ( 5 ) 与其他设备互联的能力 虚拟仪器通常具备标准化的总线或通信接口，具有与其他设备互联的能力。虚拟仪器能够通过 以太网与i n t e r n e t 相连。或者通过现场总线完成对现场设备件控和管理等。这种互联能力使虚拟仪器 系统的功能显著增加，应用领域明显扩大。 一3 一 东南大学硕士学位论文 概括起米，虚拟仪器与传统仪器系统的比较如表2 ，1 所示嘲。 虚拟仪器传统仪器 陕键怒较律，系统瞧耱秀缓方便，遥过睡络关德燕疆传，舞级袋本较裹，量舞缀崧须 | 下载升级程序既可 上门服务 肺户定义仪器功能 厂商定义功能 软件的应用使得开发和维护费用降低开发羊维护费用高 开放、灵活，与计簿辘技术谋持同步封闭、闺定，仪器闫棚豆配合鞍差 与阐络及萁氇箍边设备互连方便功能荤一，只麓连羧霄陵的整立设备 价格低廉，仪器间资源可重复利用率高价格昂贵，仪器问一般无法相互利用 技术更新快( 周期1 2 年)技术藏新慢( 周期5 1 0 年) 表2 1 虚拟仪器与传统仪器系统的比较 2 3 虚拟仪器系统的构成 虚拟仪器系统结构图如图2 1 所示。 硬件软件 仪 通 操器应 用 作 驱 用 + 叫v x i p x i 总线仪器k 毒 斗 计+ 一 系动软 算 统软件 机 件 匝塑圜 + 刊其它总线设备k ， 图2 i 虚拟仪器系统结构图 虚拟仪器由硬件和软件两大部分构成。虚拟仪器硬件通常包括通用计算机和外围硬件设备。通 用计算机可以是笔记本电脑、台式p c 机或工作站等。外围硬件设备可以选择g p i b 系统、v x i 系统、 u s b 系统、数据采集系统或其他系统，也可以选择两种以上系统构成的混合系统。其中，最简单、 最廉价的形式是采用基于i s a 或p c i 总线的数据采集卡，或是基于r s 2 3 2 或u s b 总线的便携式数 据采集模块。 虚拟仪器的软件包括操作系统、仪器驱动程序和应用软件三个层次。操作系统可以选择w i n d o w s 9 x n t 2 0 0 0 x p 、l i n u x 等。仪器驱动程序软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，应用软件通过 仪器驱动器实现与外围硬件模块的通信连接。应用软件包括实现仪器功能的软件程序和实现虚拟面 板的软件程序。用户通过虚拟面板与虚拟仪器进行交互。 d 第= 犟虚拙彼器技术基本理论 2 4 虚拟仪器系统的分类 碧蓠较为常瑁嚣虚l i ； 仪器系统有数攒采集卡虚j 薹i 仪器系统、p x i 惑线纛损仪器系统、g p i b 总线 虚拟仪器鬃统、v x i 总线虚拟仪器系统和u s b 总线虚拟仪器系统以及它们之间的任意组台。 ( 1 ) 数据采集卡虚拟仪器系统 这种方式借助于插入计辣机内的数据采榘卡，它充分利用了计算机的资源，大大增加了测试系 统熬灵活瞧秘扩震洼。逶壤舞需要还可女g 入信号璃瑾霸实嚣亨d s p 等褒孛 模块。 f 2 ) g p l b 总线虚接仪器惹统 g p i b 总线是国际自动化测量系统委员会于1 9 8 7 年作为i e e e - 4 8 8 标准接受的通用仪器总线。 g p i b 总线魁8 位并行传输总线，它专用于微机控制与程控仪器之间的接口。g p i b 是计髀机和仪器 闻的标准邋傣秘谈，是基藏废臻最为广泛的自动测量系绫专耀接口总线。g p b 总线虚拟仪器系统技 术象于暑缀，维护方便，帮发彝谈蔫容易。 ( 3 ) v x i 总线虚拟仪器系统 v x i 总线是v m e 总线在仪器领域的扩展由h p 等公司于1 9 8 7 年提出，1 9 9 2 年成为i e e e 1 1 5 5 标准。 由于其标准纤放、传输速率离、数据吞吐熊力强、定时期丽步精确、模块化设计、结构紧凑、使用 方囊灵涯，蠢越来越受戮鬟撬。它倭予缀缎大燕模、集成纯系统，是饺瓣发震静一个方羯。 ( 4 ) p x l 总线虚拟仪器系统 p x i 总线是1 9 9 7 年美国n i 公司发布的一种高性能低价能的开放性、模块化仪器总线，是p c i 总线 在仪器领域的扩展。p x i 继承了p c i 总线适合离速数据传输的优点，支持3 2 位或6 4 位数据传输。最高 数据传输遮攀霹迭1 3 2 m b p s 娥5 2 8 n b p s 。p x i 袭统钵积小、霹嚣性裹，适合予套式、槛絮式或便携式等 多静场合疲翊。 ( 5 ) u s b 总线虚拟仪器系统 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 总线协政是由i n t e l ，m i c r o s o f t ，i b m 婷七家公司共同制定的串行 接口标准。u s b l 。l 最高传输速度为1 2 f o p s ，u s b 2 o 最高传输速为4 8 0 m b p s 。u s b 支持即插邸用和热插 拔功熊，一京主辍最多可涟接1 2 7 个”s b 设餐。u s b 总线纛织设器系统遮藏较高，可扩菇赣好，镬蠲 方便，而且成本较低，广泛应用于各种领域。 2 。5 蠹季； 仪器系统憋较箨续褐 根据v p p 系统规范的定义，虚拟仪器系统的软件结构成包含以下三部分”，如图2 2 所示 应露软件 仪器驱动程序 i o 接口软件( v i s a ) 錾2 2 趱熬仪器系统软律结褐图 ( 1 ) i o 接口软件： 存在于仪器与仪器驱动程序之间，是一个完成对仪器内部寄存器单元进行直接存取数据操作、 对v x i 总线鬻板与器件作测试与控制、弗为仪器与仪器驱动程序提供信息传递的底层软件层，是实现 开敷戆、绞一沟虚接仪器系统麓基疆与棱，。在v p p 系绞援菇中，详缨蛾定了虚毅坟器蓉绫i o 接霜 软件的特点、组成、内部结构与实现规范，并将符台- v p p 黼范的虚拟仪器系统i o 接口软件定义为 v i s a ( v i r t u a li n s t r u e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 软件。 - 5 一 末龠太学硕士学位论文 ( 2 ) 仪器驱动程序： 每个仪器模块均有自已的仪器驱动程序。仪器驱动程序的实质是为用户提供了用于仪器操作的 较抽象的撵俘函数集。对于鹰镬程序寒说，它对仪器的撵l 枣楚通过仪器鹱动程序来实璃的；坟器驱 魂程序对予仪器麓揲作与警琏，又是通过i o 软件所提供懿统一基础与掊式豹函数毒( v i s a 簿) 豹调翅 来实现的。对于应用程殍设计人员来说，一目有了仪器驱动程序，在不鼹十分了解仪器内部操作过 程的情况下，也可以进行虚拟仪器系统的设计工作。仪器驱动程序是连接上层应用软件与底层i o 接口软件的镪带和桥梁。在过去，仪器供皮厂家在提供仪瓣模块的同时提供的仪器驱动程序的形式， 豁类叛于一个“鬟匣子”，耀户只戆凳爨仪器驱动程序豹s | 毽醴数骧型，甄萼冬源程穿“季枣秘”逾隐 藏起来。用户一旦发现供成厂家提供的仪嚣驱动程序不能究全符合使用要求时，也无法对其作出修 改，仪器的功能由供应厂家商不是由用户本囊来规定的。而v p p 规范明确地定义了仪器驱劫程序的组 成结构与实现，明确规定仪器生产厂家在提供仪器模块的同时，必须提供仪器驱动程序的源程序文 静与动态髓接摩d l l ) 文停，莠虽由于饺嚣驱魂程痔的缡霉楚在v i s a 软 孛的共嗣基础上，瓣悲仪器驱 动程净之间肖报大的互参考瞧，仅器驱动瑕穿源程序也窑茹理辩，献两攥供给耀户修改仪器驱动程 序的权利和能力，使用户可以对仪器功能进行扩展，将仪器使用的主动牧冀正交给了用户。 ( 3 ) 应用软件： 垦翦，威拟仪器系统盛用软 牛开发弼境主要包括两静：一种是基于传统的文本语言式的平台， 主要是k i 公麓抟l a b w i n d o w s 、v c 、d e l 馥i 等；一季孛是基于鬻形纯工程繇境静平台，鲡融公驾麓臻v e e 、 n i 公司的l a b v i e w 等。 2 5 1v p p 规范 为了补充和发展v x i 总线规范对于虚拟仪器系统软件结构定义，使v x i 仪器模块更易于使用，并 在系统级上使v x i 总线系统成为一个真正开放的系统结构1 9 9 3 年，在v x i 总线联合会的基础上，进 一步成立了v x l 总线“即插即用”联盟，目的在于定义和推行一些标准化准则和操作规程，解决v x i 总线规范中尚未包含的系统级及软件结构的问题。v x i 即插即用规范越来越被广大的仪器生产厂家所 接受，被称为v p p ( v x ip l u g & p l a y ) 规范。 v p p 规范的主要目标是提高v x i 技术的易用性，方便最终用户的使用。通过制定规范，提高产 品的易用性和性能、保持与原有产品的兼容性、维护多厂商之间的开发结构、提高扩展性和模块性、 提高软件的重用性等。 v p p 规范的推出，对虚拟仪器软件级的标准化、虚拟仪器软件结构的规范、仪器驱动程序的标 准结构都起到了促进作用。 2 5 2i ( 3 接口软件标准v i s a v i s a ( v i r t u a li n s t r u m e n ts o f t w a r ea r c h i t e c t u r e ) 是v p p 联盟制定的i o 接口软件标准及相 关规范的总称。 对于仪器驱动程序、应用程序的开发者而言，v i s a 库函数是一套可方便调用的函数，其核心函 数能够控制各种类型，无需考虑器件的接口类型和软件的兼容性。一旦掌握了v i s a 就不必再学习不 同厂家、不同接口类型的i 0 接口软件。同时，对控制器厂商而言，要实现全部v i s a 标准是一项非 常复杂的工作。 一6 一 第二章虚拟仪器技术基本理论 用户应用程序接口 l 。一 用户定义资源层 - f ! - - - - - - - - - - - - - - - j 仪器资源层 。：j i o 资源层 _ 资源管理层 。!：、。，。j 图2 - 3v i s a 结构模型图 如图2 3 所示，v i s a 采用自下而上的金字塔结构。v i s a 首先定义了一种管理所有v i s a 资源的 资源管理器，以实现各种v i s a 资源的管理、控制和分配，内容包括：资源寻址、资源创建与删除、 资源属性的读取与修改、操作激活、事件报告、存取控制和默认值设置等。在资源管理器的基础上， v i s a 定义了i 0 资源层、仪器资源层和用户自定义资源层。i o 资源层提供对于g p i b 、v x i 和串行 口等硬件设备的低级控制功能，并可以很容易的扩充；仪器资源层提供了采用传统编程方法控制仪 器的功能，应用程序可以通过打开与特定仪器资源的通话链路，完成与仪器的通信；用户自定义资 源层也成为虚拟仪器层，该层体现了v i s a 的可扩展性与灵活性，用户可以在前两层资源的基础上通 过增加数据分析、处理等功能来实现物理上并不存在的仪器。v i s a 结构模型的顶层是用户应用程序 接口。用户应用程序是用户利用各种v i s a 资源自行创建的，其本身不属于v i s a 资源。 与其他的i 0 接口软件相比，v i s a 具有以下几个特点： ( i ) v i s a 的i o 控制功能独立于仪器类型，利用v i s a 库生成的仪器驱动程序，实现对于消息基器 件的驱动与实现对于寄存器基器件的驱动，形式上与使用上是一致的。 ( 2 ) v i s a 的i o 控制功能适应于单处理器结构、多处理器结构及分布式网络系统结构。 ( 3 ) v i s a 的i o 控制功能独立于操作系统、编程语言及网络机制等。 ( 4 ) v i s a 不仅能实现对于v x i 仪器的控制，也可以实现对于g p i b 、r s 一2 3 2 等仪器的控制，从而可 以实现仪器系统的兼容性，为在过去的仪器系统基础上实现系统结构的改进与扩展提供了保障。 ( 5 ) v i s a 的i o 库，对于仪器模块的最终用户来说，是一种方便易用的控制集，对于设计复杂系 统的设计人员来说，也提供了丰富的控制功能，既可以实现仪器模块的控制，又可以实现系统的管 理功能。 乐南戒学硕士学位论窝 第三章系统整体方寨设计 3 ，1 任意波形发生器耩本功能和技术指标 s ； 。 瀑本功瑟 本论文设计的任意波形般生器所要实现的基本功能省； l 、输出波形的 类：正弦波、方波、三角波、锯齿波、脉冲、任意波 2 、波彤赣撵通遴数蠢2 个，簿一遥遵的频率、龌谴、编置酃可笈峦露户谲带，弗置霹以没鬟两个遂 莲信号之闷麴籀位羞 3 、编辑波形的方式有：设辫参数、输入公溅、手工绘制 4 、通信波特率的设定 全帮功魏谯p e 壤土实琥。 3 1 2 技术指标 l 、最毫慕撵率：6 0 t s a s 2 、聂丈赣出频率；正弦浚鞍方渡饕蛙# ，程爨渡2 0 0 k h z 3 、频率分辨窜：0 1 h 2 4 、通道数：2 5 、存储深度：8 k 通道 6 、赣凄幅度：￥p p 鸯l 嚣 7 、辐穰分辨率：瑶蕴 8 、偏置范围 一5 v + 5 v 9 、偏置分辨率：8 位 1 0 、u s b 逶绩接岛 3 2 系统熬体方案制定 实现侄慧波形发生器熊方案有以下且种： 传统的模拟或数字式任意波形发生器：由模拟电路或数字电路构成。优点是可做成便携仪器， 操作方便。但幽于全部用硬件做成，仪器一凰制成，功能就固定下来。不修改。仪器体积较大， 波形精度和稳定度不高。 餐巍黧 至意波形发生耩：采矮了镦簸理器技术，垂徽缝理嚣宠藏入橇潆 乍控毒l 致瑟波形输出。 优点是可做成便携仪器，体积小，波形精魔与稳定度高。缺点是波形有限，对波形的修改、编辑不 方便，而且升级不方便。 采用虚拟仪器技术的任意波形发生器：利用计算机的强大功能，把传统仪器的设计、编辑都 投裂计箕瓿上完藏，荠莲道遴谖接墨囱， 铸辕数据，赣窭波形。饯点燕a 机赛瑟友好，波形静穆改 和编辑都穰方便，并毹在计簿机上观察渡形。而且系统静升级只需骰较俘上的改动，非常方便。 考虑到人机界面友好、髹统升级方便、节约硬件成本簿诸多因素，本论文采用了基于虚拟仪器 技术的任意波形发生器这种方案。 一8 一 第三章系统整体力案设计 系统的总体结构图如f 。，j i一。一 图3 1 系统总体结构图 整个系统由两大部分组成：波形发生仪器和p c 机软件系统。通信接口为u s b 总线模块。 波形发生仪器实现的功能有：对仪器各部分的初始化、接收上位机的波形数据、发生波形等。 主要的模块有：微处理器、波形存储器、地址发生器、频率合成器、地址选择器、译码电路、低通 滤波器、偏置电路、驱动电路等。这一部分将在第四章和第五章详细叙述。 p c 机软件系统实现的功能有：图形化的人机界面，波形数据的编辑、波形的生成、仪器的控制、 通信波特率的控制等。这一部分将在第六章详细叙述。 3 3 任意波形发生器工作方式的制定 采用数字方式产生波形的任意波形发生器a w g ( a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r ) ，其丁作过程 可简述为：在计算机上通过输入波形数据点或调用描述波形的表达式产生波形数据点，转换成a w g 要求的格式后，存入波形存储器中：在微型计算机和控制电路的控制下，将波形存储器中的波形数 据传送给d a 转换器，经转换产生量化的数字电压波形，通过滤波、衰减等环节的处理后，输出具 有一定幅值和频率的模拟信号。 任意波形发生器有3 种主要的构成方式”：程序控制输出、d m a 输出和d d s 直接数字频率合成。 3 3 1 程序控制输出 在程序控制输出方式下，计算机通过输入波形数据点或调用描述波形的函数表达式产生波形数 据点，存入波形存储器中。在微型计算机和控制电路的控制下，按一定的时间间隔将波形存储器中 的波形数据逐个传送给d a 转换器，输出具有一定幅值和频率的模拟信号。 图3 2 是程序控制输出波形的原理图。 图3 - 2 序控制输出波形原理图 这种工作方式，存在以下问题： 1 数据的输出定时的不一致会使波形数据点输出间隔存在微小的差异，影响输出波形的频率和 相位。 2 输出波形数据点需要依靠指令的执行+ 如果同时控制多个通道的信号输出，相邻信号通道的 数据点之间存在时间差。 一9 一 寨南大学硕士学位论文 3 计算机的正常运行阏频繁的定时中断而受到影响。 4 出于受汁算机运行速度的限制，合成信号的频率较低。 3 3 2d m a ( d i r e c tm e m o r ya c c e s s ) 输出 在d m a 方式下外部设备利用专用的接口电路直接和存储器进行高速数据传送，而并不经过微 处理器。在传送数据时，接口电路要向微处理器发出请求，使微处理器让出总线，即把总线控制权 交给控制d m a 传输的接口电路。d m a 方式波形输出原理图见图3 - - 3 。 图3 - 3d m a 方式波形输出原理图 在启动d m a 操作前，由微处理器将需要接收数据的d a 转换器和存储器的地址写入d m a 控制器。 需要d m a 操作时，由d m a 控制器向微处理器发出总线请求信号。微处理器接受并允许总线请求时， 发出总线响应信号，同时放弃对总线的控制。d m a 控制器得到总线控制权后，通过地址总线给出存 储器的地址信号，并选通存储器和d a 转换器，使存储器相应单元中存放的波形数据传送给d a 转 换器。 以d m a 方式输出波形，可以大大提高波形数据点的输出速率。但是也存在一些问题： 1 波形输出期间，微处理器因为失去了总线控制权，无法完成其它操作只能处于闲置状态。 2 ，在一个d m a 操作中，d m a 控制器只能在一d a 转换器与存储器之间传送数据，很难实现多数 据通道的波形同时输出。 3 3 3d d s 直接数字频率合成 d d s 是在一组存储器单元中按照信号波形数据点的输出次序存储了将要输出波形的数据，在控 制电路的协调控制下，以一定的速率，周而复始地将波形数据依次发送给d a 转换器转换成相应的 模拟信号。由于用硬件电路取代了计算机的控制，a w g 的信号输出稳定度高。如需更新输出信号， 不必改动任何线路和元器件，只需改写存储器中的波形数据即可。更主要的是，可以将微处理器从 信号输出的负担中解脱出来。 图3 - 4 为d d s 方式a w g 的工作原理图。 一1 0 一 篓三璺墨堑鳖堡主塞燕盐 图3 - 4d d s 方式a w g 工作原理图 图3 - 4 联示原理固有嚣萃枣工作方式。第一种方式是数攥更薪方式，需要更新波形荐储器的数据， 褥存储器斡魂蛙线窃换到徽处理器的她螽 = 总线铡；存储器的数据线也切换劐微娃理器的数据总线翻； 在译码和读弼信号的控制下，由微处理器完成对波形存储器的数据更新操作。第二种方式是波形输 出方式，存储器的地址线切换到地址发生嚣侧，存储器的数据线切换到d a 转换器的的数据线侧， 在i ) d s 菝擎发生器鳆协调控潮下，蒎次憋蘑元孛稳数据竣整至影盎转换器。 d d s 投米为最近几年祷剿迅速发展的种数字频率合成技术，剽用这种技术实现任意波的产生， 特点是程控方便、频率稳定度好、频谱纯度商，较之其他阿种技术有定的优势。基于d d s 技术的 任意波形发嫩器( a w g ) 利用掰速存储器作为蠢拽表，通过高速d a 转换器对存储器的波形进行合成。 它不仅可以产生正弦渡、方波、三角波帮镊岱波等规则渡澎，丽虽还可以逶过上位枕( 或下位机) 编 辑，产璺三囊歪意义上静任意渡形，霹俸为a w g 酶首要选撵方案。舅癸可程设计孛多静方褰嗣对考虑， 以达到a w 6 功能的完善。 比较上述三种方案的优缺点，我们选用了方案三：d d s 直接数字频率含成。 3 4d d s 技术分析 3 ，4 d d s 基本骚疆 壅3 - 5d d s 匏墓本器璞挺嚣 d d s 瀚基本原理框图鳓阁3 5 所示。它主要出标准参考频率源、相位鬃加器、波形存储器、数模 转换器、低濑平滑滤波器构成“”1 。在时钟脉冲的控制下，频率控制字k 由累加器得到相应的相码， 相码寻址波形存储器进行相码一幅码变换输出不同的幅度编码，再经过数横变换器得到褶虚的阶梯 一1 1 一 东辩大学硕士学位论文 波，最后经低通波器列阶梯波进行平滑，即得到由频率控制字k 决定的逡续变化的输出波形。 图3 6 相位累加器结构图 箕中，参考颧辜繇一簸难一夸寒稳定鲍鑫镩振荡器，蒸输出谤号蠲予d d s 中各鼙佟鞫步工 蕈。困 此，d d s 输出的合成信号的频率稳定度与晶体振荡器是样的。相位累加器是实现d d s 的核心，如图 3 - 6 所示。它由一个n 位字长的二进制加法器和一个由固定时钟脉冲取样的n 位相位寄存器组成。相位 寄存器的输出与加法器的个输入端在内部相连，加法嚣的另一个输入端是外部输入的频率控制字 k 。这样，农每枣畦镑脉冲裂这融，相位露存器采襻上个鞋雪镑髑期表提袋寄存嚣的篷与频率控制字k 之和，并 擘为相位累加器穗这一对钟周期的输出。 当频率合成器正常工作时，在标准频率参考源的控制下( 频率控制卒k 决定了相应的桐位增量) ， 相位累加器则不断地对该相位增量进行线性累加，当相位累加器积满量时就会产生一次溢出，从而 完成一个罔甥性瓣动圣# ，这个动作罔期邸怒d d s 合成信号魄一个频率属期。于是，输出信号波形的频 率聂频辜努瓣率可班表示始下： l 。= 甄2 “ ( 3 - 1 ) 厶。= 正1 2 “ ( 3 2 ) 式中，f 。为输出信号频率，f _ 。为输出信号分辨率，k 为频率控制字，n b 相位累加器字长，f 。 为标准频率源参考频率。 由式3 1 和3 2 可知d d s 输出信号的频率主要取决于频率控制字k ，相位累加器字长n 决定d d s 的 频率分辨率，当k 增大时，厶，可以不断地提高，由抽样定理，最高输出频率不得大于f 。2 ，但工作输 出频率达4 0 f 。左右时，输出波形的相位抖动就很大。实际工作时，输出频率小于f 。3 较为合适。同 时当n 增大时，d d s 输出频率的分辨率也越精细。 3 4 2 改进的d d s 技术 在传统的d d s 系统中，当参考时钟频率f 。和存储波形数据的长度m = 2 “一定时，由输出频率公式3 1 可知f 。与k 成正比。当k = l 时，连续读出波形的每个数据，此时输出波形的失真最小，输出信号 的频率最低。当k 1 时，则要间断的读出波形数据，输出波形的失真加大，并且k 值越大，对应的输 出频率越高，失真就越严重。因此在时钟频率f 。和存储波形数据的长度m 一定时，输出波形频率的最 高和最低受到一定程度的限制。 传统的d d s 技术缺陷在于参考时钟频率和波形长度固定不可调。为了解决上述缺点，针对本系统 对传统的d d s 技术进行了改进。首先，在参考时钟源的选取上，采用了频率分辨率较高的可调时钟芯 片。其次，放弃了累加器式的传统d d s 结构，取而代之的是计数器结构( 每来一个时钟脉冲，地址计 数器自动加一，计数器的输出值就是波形存储器的地址) ，这样的好处是省去了反馈累加环节，增强 了系统的反应速度，而且在保证波形输出质量的前提下，可以通过设置计数器的起始值和终止值来 任意调整波形的长度和在波形存储器中的存储位置。 改进的d d s 系统结构图如图3 7 所示： 一1 2 箜三黧至竺鳖笪妻墨逞盐 3 5d a c 字长的选择 图3 7 改避鲍d d s 系统结构匿 在设计经意渡形发生嚣辩，我雷j 采鬻的数模转换器d a c 的蒺量将凌寇输出波形缒鹱蚤。选择d a c 时，应在速度、字长、成本之间做出综合考虑。以下分析字长的选择。 d a c 产生的波形并不真正能连续可调，实际上是由若干个离散的点求描述的。这样的波形除了 基波分量默， ，还包含了攫多赢频谐波分搬。兢理论上来说，如果希望d a c 产生的波形连续，更加 接近实际，一是应该雳嚣辩能多约数据煮采攒述一个掏麓瓣波形，二是信号输出应该肖尽可麓高的 分辨率。d a c 的分辨率： k ：2 一。( 3 3 ， 其中，l 为d a c 的字长，d a c 豹字长越长，波形静分辨枣越离。两每个蠲辩数据点数越多，要求 d a c 转换速艘越高。随着邀两个指标的提蹴，d a c 实现的难度和成本也会搬高，不同字长的d a c 价格 相差很多。因此，有必要分析d a c 字长对输出波形的影响，从而选择适合于系统设计要求的d a c 。 d a c 埝壅波形对应熬壤灌中包含裹频分爨，分辑波形藩频漤，可戮簿舞波澎的慈谴波失真帮噪 声“，从而分析每周期数据点数和d a c 字长对波形质量的影响。 功率谱a p s ( a u t op o w e rs p e c t r u m ) a p s ：f f t ( s i g n a 1 ) x ：f f t ( s i g n a 1 ) ( 3 - 4 ) 2 总谐波必真+ 噪声( t h d + n o i s e ，t o t a lh a r m o n i cd i s t o r