（电路与系统专业论文）虚拟函数信号发生器与数字信号处理器的研制[电路与系统专业优秀论文].pdf

摘要 虚拟仪器技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸多领域中的应用十分 广泛。虚拟仪器的出现使测试仪器与计算机之间的界限消失，开创了测试仪器的 新时代。虚拟仪器技术将高速发展的计算机技术、电子技术、通信技术和测试 技术结合起来，开创了个人计算机仪器时代，是测试仪器工业发展的一个里程碑。 基于l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器可以广泛的应用于在通信、自动化、半导体、 航空、电子、电力、生化制药、工业生产等领域。 本文仅就基于l a b w i n d o w s c v i 虚拟函数信号发生器与数字信号处理器进 行研究，提出基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 + d d s 的虚拟函数信号发生器的软硬件结构，给 出了基于c 8 0 5 1 f 0 2 0 的数据采集卡的设计，并提出了基于t c p i p 协议的网络测 控和信号处理。虚拟函数信号发生器利用l a b w i n d o w s c v i 提供的软件平台以 及强大的函数库，通过简单的单片机m c u + d d s 就可以产生频带宽，精度高， 幅值、相位和频率连续可调的波形，借助p c 机的网络传输功能可实现网络控制 和信号处理。基于l a b w i n d o w s c v i 的虚拟信号采集卡利用c 8 0 5 1 f 0 2 0 微处理 器内置的a d 通道及i o 端口完成模拟信号采集，放大处理和数据传输任务， 对信号的处理和显示可由p c 机来完成或由m c u 完成，并可以由网络控制，减 少硬件的开支，易于实现自动测控。最后，在对本系统进行全面测试，结果表明 本方案可行，具有较大的通用性。 关键词：信号发生器；d d s ；网络测控；虚拟仪器；信号处理 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n ti sw i d e l yu s e di nm o d e r nt e c h n o l o g y , i n d u s t r yp r o d u c ea n d n a t i o n a ld e f c o c e t h ea p p e a r a n c eo fv i r t u a li n s t r u m e n tm a k e st h ep a l eb e t w e e n m e t r i c a li n s t r u m e n ta n dc o m p u t e rd i s a p p c a r a n c e d a n ds t a r t san e we p o c ho fm e t r i c a l i n s t r u m e n t i tc o m b i n e sc o m p u t e rt e c h n o l o g y , e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n dm e t r i c a lt e c h n o l o g y , w h i c hs t a r t san e wt i m e so fp e r s o n a lc o m p u t e r m e t r i c a li n s t r u m e n t s ov i r t u a li n s t r u m e n ti sal a n d m a r ki nm e t r i c a li n s t r u m e n t d e v e l o p m e n t v m u a li n s t r u m e n tb a s e do nl a b w i n d o w s c v ic a nb ew i d e l yu s e di n c o m m u n i c a t i o n ，s e m i a u t o m a t i ct e c h n o l o g y , s e m i c o n d u c t o r , a v i g a t i o n ，e l e c t r o n y , e l e c t r i cp o w e ra n di n d u s t r yp r o d u c ea n ds oo n t h ec o n t e n to ft h i sp a p e ri sa b o u tv i r t u a lf u n c t i o ns i g n a lg e n e r a t o rw h i c hi s b a s e do nl a b w i n d o w s c a n dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o li ti n c l u d e sd e s i g n i n g s t r u c t u r eo fv i r t u a lf u n c t i o ns i g n a lg e n e r a t o rw h i c hi sb a s e do nl a b w i n d o w s c v i a n dd i g i t a t s i g n a lp r o c e s s o r ，w h i c hi n e l u d eh a r d w a r ea n ds o f t w a r es t r u c t u r e ， d e s i g n i n gd i 百t a ls i g n a lc a p t u r eb o a r dw h i c hi s b a s e do nc 8 0 5 1 f 0 2 0a n dg i v i n g n e t w o r km e a s u r ea n dc o n t r o lb a s e do nt c p 嘧a n ds i g n a l p r o c e s s o l u s e d l a b w i n d o w s c v is o f t w a r ep l a t f o r ma n di t sp o w e r f u lf u n c t i o nl i b r a r y , s i m p l e m c u + d d sw h i l ec a ng e n e r a t o rs i g n a lw a v ew i t hw i d ec h a n n e l h i g hp r e c i s i o na n d c o n t i n u o u sa d j u s t i v es w i n g ，p h a s ea n d 丘e q u e n c e ，t h et r a n s m i s s i o nf u n c t i o no f n e t w o r k , v i r t u a lf u n c t i o ns i g n a lg e n e r a t o rc a na c h i e v en e t w o r kc o n t r o la n ds i g n a l p r o c e s s u s e d 加c h a n n e la n di 0p o r t sw h i c hi n s i d ec 8 0 5 1 f 0 2 0m i c r o p r o c e s s o r , v i s u a lc a p t u r es i g n a lb o a r db a s e do nl a b w i n d o w s c v if m i s h e sa n a l o gs i g n a l c a p t u r e ，a m p l i a t i o na n dd a t at r a n s m i s s i o n s i g n a lp r o c e s sa n dd i s p l a yc a nb ef i n i s h e d b yp e r s o n a lc o m p u t e ro rm c u a n db yn e t w o r kc o n t r o lw ec a l lr e d u c eh a r d w a r e e x p e n d i t u r ea n ds i m p l ya c h i e v ea u t o c o n t r 0 1 f i n a l l y , t h r o u g ha l l s i d e dt e s t ，t h er e s u l t s h o w st h i sp r o j e c ti sf e a s i b l ea n dh a su s i v e r s a lu s a g e k e y w o r d s ：s i g n a lg e n e r a t o r ；d d s ；n e t w o r km e a s u r ea n dc o n t r o l ；v i r t u a l i n s t r u m e n t ；s i g n a lp r o c e s 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，也不包含为获得东北师范大学或 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 所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：丕壶奎金 日期 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：东北师范大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件 和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以将学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其它复制 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) 学位论文作者签名：盎盏本：务指导教师签名：参l ! 塑 日 期： 垂凹2 i ：) - 日 期：主翊：兰 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 引言 实验的主要手段是测试和测量【”，其基本工具是仪器【2 】。仪器是人类认识世 界的一种基本工具，电子仪器是进行物理量测量和显示的电子系统。传统仪器1 3 l 是一个有面板、有机箱的实体，然而现代的虚拟仪器已打破这一限制，“软件就 是仪器”已经预示着未来仪器发展的方向。 所谓虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，简称v i ) ，就是用户在通用的计算机 平台上，根据要求定义和设计仪器的测试功能，使得使用者在操作这台计算机 时，就像是在操作一台自己设计的测试仪器。需要指出的是，虚拟仪器实质上 是一种创新的仪器设计思想，但虚拟仪器离不开计算机控制，软件是虚拟仪器 设计的核心。 虚拟仪器的组成包括硬件和软件两个基本要素。虚拟仪器中硬件的主要功 能是获取真实世界中的被测信号，而软件的作用是控制实现数据采集、分析、 处理、显示等功能，并将其集成为仪器操作与运行的命令环境。虚拟仪器的分 类可以按照多种分类方法，既可按照应用领域，也可按照测量功能分类，但常 按照虚拟仪器的接口总线方式分类。按照总线的接口方式分为：数据采集插卡 式( d a q ) 虚拟仪器、r s 2 3 2 r s 4 2 2 虚拟仪器、并行接口虚拟仪器、u s b 虚拟仪 器、g p i b 虚拟仪器、v x i 虚拟仪器、p x i 虚拟仪器和最新的i e e e l 3 9 4 接口虚拟 仪器。 基于l a b w i n d o 霄s c v i 的虚拟函数信号发生器、数据采集和信号处理的研究 还处于发展阶段，有待于进一步开发和研究。把信号发生、数据采集和信号处 理集成在一起，利用网络对其迸行控制和处理，并且在软硬件的升级方面有很 大的改善空间和灵活性，改变了人们对仪器的传统观念，适应了现代测试系统 的网络化、智能化发展趋势。就像我们所说的“软件就是仪器”，它将成为一个 具有广泛应用前景的新兴产业。 基于l a b w i n d o w s c v i 的虚拟函数信号发生器、数据采集和信号处理是国内 外研究的重要课题，国内外都展开了积极的研究。 随着计算机技术和个人电脑技术的出现的发展，传统仪器开始向计算机化 的方向发展，人们开始考虑使用电脑来处理传统仪器所测数据。2 0 世纪8 0 年代， 随着计算机技术的进一步发展，个人电脑可以带有多个扩展槽，就出现了插在 计算机里的数据采集卡。它可以进行一些简单的数据采集，数据的后处理由计 算机软件完成，这就虚拟仪器技术的雏形。1 9 8 6 年，美国n a t i o n a li n s t r u m e n t s 公司( 以下简称n i 公司) 提出了“软件即仪器的口号”，推出了n i l a b v i e w 直观的流程图编程风格的开发和运行程序平台【4 胴，同时提出了l a b w i n d o w s c v i 基于c 语言的程序化编程风格的开发和运行程序平台，开启了虚拟仪器的先河。 虚拟仪器技术的提出与发展，标志着二十一世纪自动测试与电子测量仪器领域 技术发展的一个重要方向。 虚拟仪器技术目前在国外发展很快，以美国国家仪器公司( n i 公司) 为代 表的一批厂商已经在市场上推出了基于虚拟仪器技术而设计的商品化仪器产 品。 国内对于虚拟仪器技术也展开了积极的研究。1 9 8 5 年，我国东方振动和噪 声技术研究所( 以下简称c o i n v ) 开始提出p c 卡泰( p c c a t a i ) 一微机卡式采集 测试分析仪的概念，并推出了数据采集和信号处理软件( d a s pd a t aa c q u i s i t i o n s i g n a lp r o c e s s i n g ) ，随后又提出了“把实验室拎着走”的口号，进而进行 了虚拟仪器库平台的研发，实现了i n v 虚拟仪器库。d a s p 软件概念突破了传统 的随机振动信号分析仪和f f t 分析仪概念，实现了向虚拟仪器和计算机采集测 试分析仪器概念的过渡。其间，c o i n v 研制成了国内第一台虚拟仪器一p c 卡泰 i n v l o i ，接着又推出了台式机用的i n v 3 0 3 和便携式笔机本式的i n v 3 0 6 系统， 实现了v i 的飞跃。虚拟仪器的国内外发展呈现两条主线：一是g p i b v x i p x i 总线方式( 适合大型高精度集成系统) ，二是p c 插卡式一l p t 并行口式一串口u s b 方式一i e e e 标准的1 3 9 4 口方式( 适合于普及型的廉价系统，有广阔的应用发展 前景) 。 本文围绕基于l a b w i n d o w s c v i 的虚拟函数信号发生器、数据采集和信号处 理系统的关键技术的研究和实现，主要完成一下工作： 1 基于l a b w i n d o w s c v l 的虚拟函数信号发生器、数据采集和信号处理系统 的软件界面设计。 2 基于m c u + d d s 的虚拟函数信号发生器、数据采集系统的硬件设计。 3 基于l a b w i n d o w s c v i 的虚拟函数信号发生器、数据采集和信号处理系统 的网络测控实现。 2 第一章l a b win d o w s c vl 开发环境介绍 虚拟仪器编程语言c 6 1 l a b w i n d o w s c v i 是n i ( n a t i o n a li n s t r u m e n t ) 公司开发 的m e a s u r e m e n ts t u d i o 软件组中的一员。它是3 2 位的面向计算机测控领域的 虚拟仪器软件开发平台，可以在多种操作系统下运行。l a b w i n d o w s c v l 是以a n s i c 为核心的交互式虚拟仪器开发环境，它将功能强大的c 语言与测控技术有机结 合，具有灵活的交互式编方法和丰富的库函数，为开发人员建立检测系统、自 动测试环境、数据采集系统、过程监控系统等提供了理想的软件开发环境，是 实现虚拟仪器及网络化仪器的快速途径。 1 1l a b w i n d o w s c v i 的特点 l a b w i n d o w s c v i 作为一个优秀的软件开发平台川，和其他虚拟仪器开发工 具相比，4 具有如下特点： 1 交互式的程序开发 l a b w i n d o w s c v i 将源代码编程、3 2 位a n s ic 编译、连接、调试及标准a n s i c 库等集成在一个交互式开发平台中，采用简单直观图形用户界面设计，利用函 数面板输入函数参数的参数，采用事件驱动方式和回调函数方式的编程技术， 有效的提高了工程设计的效率和可靠性。 2 功能强大的函数库 如接口函数、信号处理函数库、w i n d o w ss d k ( s o f t w a r ed e v e l o p m e n tk i t ) 、 仪器驱动函数库等，利用这些函数库可以轻松实现复杂的数据采集和仪器控制 系统的开发。同时，l a b w i n d o w s c v i 附加了各种软件开发包，如数据库软件包、 i n t e r n e t 软件包、小波分析软件包等，大大增强了l a b w i n d o w s c v l 的性能。 3 灵活的程序调试手段 l a b w i n d o w s c v l 提供了单步执行、断点执行、过程跟踪、参数检查、运行 时内存检查等多种调试手段。 4 高效的编程环境 l a b w i n d o w s c v i 以其面向虚拟仪器的交互式开发环境，满足了用户对软件 不断变化的要求，在产品的设计中，可以快速的创建、配置并显示测量。 l a b w i n d o w s c v i 可以自动生成代码、编译和链接，省去了手工编写，更有利于 系统的开发。 5 开放式的框架结构 在l a b w i n d o w s c v i 环境中，可以结合使用标准的a n s ic 源文件、o b j 文件 和动态链接库( d l l ) 。还可以将软件中的仪器驱动程序库与其他标准的c 编译器 结合使用，无需更改开发工具。同时，可以在不同的工作小组之间共享函数模 3 块和虚拟仪器程序。 6 集成式的开发环境 l a b w i n d o w s c v l 是集成式的开发环境，可用于创建基于d a q 、g p i b 、p x i 、 v x i 、串口和以太网的虚拟仪器系统。这一开发方式结合了交互式、简单易用的 开发方式与a n s ic 代码的强大编写功能和灵活性。l a b w i n d o w s c v i 中的交互式 开发工具和函数库可以轻松实现自动化测试系统、实验室研发、数据采集监视 项目、验证测试和控制系统的设计。 1 2l a b w j n d o w s c v l 的应用范围 l a b w i n d o w s c v i 阶l 主要应用在各种测试控制故障分析及信息处理软件的 开发中，与n i 公司开发的另一虚拟仪器开发工具i 蝌1 1 】【”1 相比，其更适合中、大 型复杂测试软件的开发。基于l a b w i n d o w s c v i 设计的虚拟仪器，在无损检测电 力仪表系统、温控系统、流程控制系统、故障诊断和医疗等领域中发挥着重要 作用。l a b w i n d o w s c v i 已经成为测控领域最受欢迎的开发平台之一，并且已经 得到较为广泛的应用。 1 3 基于l a b w i n d o w s c v i 的虚拟仪器构成 基于l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器通常由通用仪器硬件平台和应用软件两大 部分构成。 1 3 1 仪器硬件平台 基于l a b w i n d o w s c v i 虚拟仪器硬件平台由计算机和i o 接口设各两部分完 成。 计算机一般为一台p c 或工作站，它是硬件平台的核心。 i 0 接口设备主要完成被测输入信号的采集、放大和a d 转换。根据采用不 同的总线及其相应的i o 接口硬件设备，如p c 总线的数据采集卡板( d a q ) 、g p i b 总线仪器模块、v x i 总线仪器模块和串口总线仪器等，虚拟仪器的构成方式主要 分为5 种类型，如图i - i 所示。 广_ 1 ii ，0 接口设备i 4 图1 - 1 虚拟仪器的构成框图 上述各种虚拟仪器系统，都是通过应用软件将仪器硬件与计算机相结合构 成的，其中，串口测试系统是构成虚拟仪器的最简单、最基本的方式。 1 3 2 虚拟仪器应用软件【”1 【1 4 1 【1 习 虚拟仪器软件由应用程序和i o 接口仪器驱动程序两大部分构成。 应用程序包含两个方面： 1 实现虚拟仪器面板功能的前面板软件程序。 2 定义测试功能的流程图软件程序。 i 0 接口仪器驱动程序完成特定的外部硬件设备的扩展、驱动和通信。 1 4 虚拟仪器的内部功能【1 6 1 虚拟仪器的内部功能可以化分为：输入信号的测量、数据分析处理和结果 显示三大部分。 输入信号的测量将模拟信号转变为数字信号并输入到计算机中。 数据分析处理充分利用了计算机的存储和运算功能，并通过软件实现对输 入信号数据的分析处理。处理内容包括数字信号处理、数字滤波、统计处理、 数值计算与分析等。 结果显示充分利用计算机资源，其测量结果数据的表达与输出方式有多种 方式。例如，虚拟仪器可以通过总线网络进行数据传输、通过文件将测试数据 存于硬盘内存中、计算机屏幕显示或图形用户接口。 1 5l a b w i n d o w s c v i 的运行环境 在l a b 讹d ，s 惯，l 软件平台中设计完成的虚拟仪器软件由四个文件组成，如图1 - 2 所示。 图卜2 用l a b w i n d o w s c v i 设计的虚拟仪器软件的组成框图 1 宰p r j 文件：工程文件，由木u i r 文件、 c 文件和串h 文件组成。 2 幸c 文件：源程序文件，此文件为标准的c 语言程序文件。文件由三部 分组成，即头文件( 书，h ) 、主程序文件( m a i n ) 和回调函数( c a l l b a c k ) ，其结构和 c 语言的结构一致。 3 书u i r 文件：用户界面文件，该文件为虚拟仪器的面板文件，类似v b 或v c 中的窗体文件。该文件中包含仪器面板中的各类控件，如按钮、开关等， 每个控件都有自己的属性，如按钮的名称，面板的标题、长度。位置等。同时， 5 控件还有事件，当有鼠标单击控件或用键盘改变控件时，将调用相应的回调函 数，完成相应的功能，如完成数据处理、存盘、显示、打印等功能。 4 奉h 文件：头文件，与c 中的木h 文件结构完全一致。在l a b w i n d o w s ；c v i 中，$ h 文件是自动生成的，当设计完 u i r 文件后，会自动生成术h 文件。 为设计完成上述4 个文件，l a b w i n d o w s c v i 开发环境提供了4 个主要的界 面窗口：工程文件编辑窗口( p r o j e c tw i n d o w ) 、用户界面编辑窗口( u s e r i n t e r f a c ee d i t o rw i n d o w ) 、源代码文件编辑窗口( s o u r c ew i n d o w ) 和函数面板 编辑窗口( f u n c t i o np a n e lw i n d o w ) 。 1 6 虚拟仪器及测控技术 1 6 1 虚拟仪器的发展 虚拟仪器是计算机技术介入仪器领域所形成的一种新型的、富有生命力的 仪器种类。虚拟仪器的特点可概括如下： 1 增强了传统仪器的功能 2 突出了“软件就是仪器”的新概念 3 仪器由用户自定义 4 开放的工业标准 5 便于构成复杂的测试系统，经济性好 1 6 2 虚拟仪器技术应用o s l 1 9 1 虚拟仪器技术作为计算机与仪器技术结合的产物，应用前景十分广泛。总 体而畜，虚拟仪器是测量测试领域的一个创新概念，改变了人们对仪器的传统 观念，适应了现代测试系统的网络化、智能化发展趋势。虚拟仪器技术应用方 式多种多样，主要有如下几个方面： 1 工业自动化 虚拟仪器设计所采用的图形化编程语言，十分适合工程师应用，有利于提 高企业自主开发和管理项目的能力，降低工业自动化技术改造的成本。另一方 面，采用虚拟仪器技术，根据实际工艺和控制要求，将分布在企业不同位置的 各个测量仪器和控制装置连接为一个网络系统，通过计算机实施集中控制和 管理，可降低成本，提高工业自动化改造的经济效益。 2 仪器产业的改造 仪器制造业代表着一个国家科技和工业发展的水平。目前，像数字示波器、 频谱分析仪和逻辑分析仪等还主要依赖进口。而采用虚拟仪器技术，将过去仪 器中许多靠硬件实现的功能用软件实现，利用商品化的数据采集和p c 技术，完 全可以开发出各行各业急需的各种测量仪器。这是采用高新技术改造传统产业 的一个大有作为的领域【2 l ，。 3 实验室应用1 2 2 1 嘲 虚拟仪器是用户定义仪器，供应商提供软件平台。这种变化给实验教学带 6 来了新的教学理念。实验室平台将由硬件、界面友好的应用软件、虚拟原型模 型一起组成的实验系统。这种思想对从根本上改变传统实验教学方法，降低实 验室建设与管理成本，实现远程教学【纠具有重要的参考价值。 1 6 3 仪器与自动测试技术的展望 近年来，仪器与自动测试技术的发展十分迅速阐。一方面，人类的生产和 生活对现代佼器技术的要求越来越高。另一方面，现代光学、电子学、生物学、 物理学、微机械和计算机领域的一些最新研究成果被更加迅速的应用于仪器仪 表与自动化测试领域，使现代测试与仪器技术的发展出现一些新的特点，归纳 起来有以下几点： 1 应用范围的扩展 激光技术、超导技术、纳米技术、信号处理、图象处理、存储技术、生物 芯片、微传感和微制造技术的深入发展，必将直接影响现代仪器技术的发展及 其在生物、医学、生态、航天等领域的应用。 2 高速度 3 智能化 预计今后的虚拟仪器将对用户更加开放，自身也更加完善，且通常具有以 下功能：自定义功能( s e l f - d e f i n i n g ) 、自联想功能( s e l f - a s s o c i a t i n g ) 、自 组织功能( s e l f - o r g a n i z i n g ) 、自寻优功能( s e l f - o p t i m i z i n g ) 、自维修功能 ( s e l f - m a i n t a i n i n g ) 、自检测功能( s e l f d e t e c t i n g ) 、自适应功能 ( s e l f - a d a p t i n g ) 、自标定功能( s e l f - c a l i b r a t i n g ) 、自推理功能 ( s e l f - r e a s o n i n g ) 、自修正功能( s e l f c o m p e n s a t i n g ) 、自学习功能 ( s e l f - l e a r n i n g ) 和自更新功能( s e l f - u p d a t i n g ) 等。 4 集成化 a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i f i ci n t e g r a t e dc i r c u i t ) 技术将被普及应用于 仪器与自动测试系统中。 5 小型化和微型化 为适应野外溺试、现场监测等要求，测试与仪器系统的，j 、型化已经成为发 展的潮流。此外，纳密技术、微传感器和微制造技术的发展也使仪器与测试系 统的小型化成为可能。 6 网络化 网络技术的飞速发展已经使网络化的测控或仪器系统的应用越来越普及。 所谓虚拟仪器，就是在通用的计算机平台上定义和设计仪器的测试功能，使用 者操作这台计算机，就象是在使用一台专门设计的电子仪器。传统台式仪器是 由仪器厂家设计并定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，每种仪器实现一类特定的测量功能，并以确定的方式提供给用户。 从一般的仪器设计模型看，一种仪器无非是由数据采集、分析处理、人机交互 和显示等几部分功能模块组成的整体。因此，我们可以设想在必要的数据采集 7 硬件和通用计算机支持下，通过软件设计实现仪器的全部功能，这就是虚拟仪 器设计的核心。与传统仪器相比，虚拟仪器除了在性能、易用性、用户可定制 性等方面具有更多优点外，在工程应用和社会经济效益方面也具有突出优势。 一方面，目前我国高档台式仪器如数字示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪等还 主要依赖进口，这些仪器加工工艺复杂、对制造水平要求高，生产突破有困难， 采用虚拟仪器技术可以通过只采购必要的通用数据采集硬件来设计自己的仪器 系统；另一方面，用户可以将一些先进的数字信号处理算法应用于虚拟仪器设 计，提供传统台式仪器不具备的功能，而且完全可以通过软件配置实现多功能 集成的仪器设计。因此，可以说虚拟仪器代表了未来测量仪器设计发展的方向。 8 第二章直接数字频率合成技术d d s 2 1 肋s 介绍 1 9 7 1 年，美国学者j t i e r n e y 等人撰写的“ad 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 ”一文首次提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波 形的一种新合成原理。限于当时的技术和器件生产水平，它的性能指标尚不能 与已有的技术相比，故未受到重视。近几年年间，随着微电子技术的迅速发展， 直接数字频率合成器( 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 s 简称d d s 或d d f s ) 闭锝到了飞速的发展，它以有别于其它频率合成方法的优越性能和特点成为现 代频率合成技术中的姣姣者。d d s 技术是继直接频率合成( d s ) 和间接频率合成 ( i s ) 之后，随着数字集成电路和微电子技术的发展而迅速发展起来的第三代 频率合成技术。 直接数字频率合成器是现代电子系统的重要组成部分，在通信、雷达、电子 对抗、导航、广播电视、遥测遥控、仪器仪表等许多领域中被广泛应用。例如， 在雷达设备中，它为发射机的调制器提供载频信号，也为接收机的混频器提供本 振信号：在测试仪器中，它可单独作为标准信号源。随着电子技术的不断发展，各 类电子系统对频率合成器的要求越来越高，对相位噪声、频率转换时间、频率分 辨力、相对工作带宽、体积及功耗等多种指标提出了更高的要求。直接频率合 成( 叻s ) 技术因有突出的特点，如输出波形灵活且相位连续、频率稳定度高、 输出频率分辨率高、频率转换速度快、输出相位噪声低、集成度高、功耗低、 体积小等，d d s 技术具有相对带宽宽、频率转换时间短、频率分辨率高等优点， 输出相位连续，频率、相位和幅度均可实现程控，常用于高精度频率合成和任 意信号发生器，但d d s 合成频率比较低且输出频谱杂散较大，又限制了其应用。 美国a d 公司推出的高集成度频率合成器a d 9 8 5 0 和a d 9 8 5 2 便是采用d d s 技 术的典型产品。 2 ，2d d s 的工作原理 d d s 技术”是一种把一系列数字量形式的信号通过d a c 转换成模拟量形式 的信号的合成技术。正弦输出的d d s 的原理框图如图2 - 1 所示。相位累加器由n 位加法器与n 位累加寄存器级联构成。每来一个时钟脉冲f s ，加法器将控制字 k 与累加寄存器输出的累加相位数据相加，把相加后的结果送到累加寄存器的数 据输入端，以使加法器在下一个时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加。这 样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位加累加。由此 可以看出，相位累加器在每一个时钟输入时，把频率控制字累加一次，相位累 加器输出的数据就是合成信号的相位，相位累加器的出频率就是d d s 输出的信 9 号频率。用相位累加器输出的数据作为波形存储器( r 伽) 的相位取样地址。这 样就可把存储在波形存储器内的波形抽样值( 二进制编码) 经查找表查出，完 成相位到幅值转换。波形存储器的输出送到d a 转换器，d a 转换器将数字量形 式的波形幅值转换成所要求合成频率的模拟量形式信号。低通滤波器用于滤除 不需要的取样分量，以便输出频谱纯净的正弦波信号。 相位累加器在a 位频率控制字f c w 的控制下，以参考时钟频率f c 为采样率， 产生待合成信号相位的数字线性序列。将其高p 位作为地址码，通过查询正弦 表r o m ，产生s 位对应信号波形的数字序列s ( n ) ，再由数模转换器( d a c ) 将 其转化为阶梯模拟电压波形s ( t ) ，最后由低通滤波器l p f 平滑为正弦波输出。 频率控制字o p 位s位一f秘 图2 1 正弦输出的d d s 的原理框图 频率控制字f c w 和时钟频率f c 共同决定了d d s 输出信号的频率f 。，它们之 间的关系满足： f o = ( f c w 2 a ) f c( 1 ) 所以，在d d s 结构及f c 确定的前提下，通过f c w 的控制就可以方便地控制 输出频率f 0 。其频率分辨率为： f = f o m t n = f c 2 ” ( 2 ) 其中n 为相位累加器长度。按照n a q u i s t 准则，最高输出频率可达0 5 f c 。 但考虑到实际低通滤波器的限制，最高输出频率一般为0 4 f c 。 由于d a c 非线性作用的存在，使得查表所得的幅度序列从d a c 的输入到输 出要经过一个非线性过程。于就会产生输出信号f o 的谐波分量。又因为d d s 是 一个采样系统，所以这些谐波会f c 为周期搬移，即： f = p f c - + v f o( 3 ) 其中，u 、v 为任意整数。它们落到n y q u i s t 带宽内就形成了有害的杂散频 率，频率的位置可以确定，但幅度难以确定。所以在工程设计过程中要充分考 虑输出频带，注意避免上述杂散分量落入其中，以此来获得较好的杂散指标。 2 3d d s 性能特点 1 0 2 3 1d d s 优点 d d s 在相对带宽、频率转换时间，相位连续性、正交输出以及集成化等一系 列性能指标方面远远超过了传统频率合成技术所能达到的水平，为系统提供了 优于模拟信号源的性能。 1 输出频率相对带宽较宽 输出频率带宽为5 0 f s ( 理论值) 。但考虑到低通滤波器的特性和设计难度 以及对输出信号杂散的抑制，实际的输出频率带宽仍能达到4 0 f s 。 2 频率转换时间短 d d s 是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得d d s 的频率转换时间 极短。事实上，在d d s 的频率控制字改变之后，需经过一个时钟周期之后按照 新的相位增量累加，才能实现频率的转换。因此，频率时间等于频率控制字的 传输，也就是一个时钟周期的时间。时钟频率越高，转换时间越短。d d s 的频率 转换时间可达纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要短数个数量级。 3 频率分辨率极高 若时钟f s 的频率不变，d d s 的频率分辨率就是则相位累加器的位数n 决定。 只要增加相位累加器的位数n 即可获得任意小的频率分辨率。目前，大多数d d s 的分辨率在i h z 数量级，许多小于l m h z 甚至更小。 4 相位变化连续 改变d d s 输出频率，实际上改变的每一个时钟周期的相位增量，相位函数 的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号 相位的连续性。 5 输出波形的灵活性 只要在d d s 内部加上相应控制如调频控制f m 、调相控制p m 和调幅控制a m ， 即可以方便灵活地实现调频，调相和调幅功能，产生f s k 、p s k 、a s k 和m s k 等 信号。另外，只要在d d s 的波形存储器存放不同波形数据，就可以实现各种波 形输出，如三角波、锯齿波和矩形波甚至是任意的波形。当d d s 的波形存储器 分别存放正弦和余弦函数表时，既可得到正交的两路输出。 6 其它优点 由于d d s 中几乎所有部件都属于数字电路，易于集成，功耗低、体积小、 重量轻、可靠性高，且易于程控，使用相当灵活，因此性价比极高。 2 3 2d d s 局限性 d d s 也有局限性，主要表现在： 1 输出频带范围有限 由于d d s 内部d a c 和波形存储器( r o m ) 的工作速度限制，使得d d s 输出的 最高频有限。目前市场上采用c m o s 、t t l 、e c lt 艺制作的d d s 工习片，工作频 率一般在几十m h z 至4 0 0 m h z 左右。采用g a a s - r 艺的d d s 芯片工作频率可达2 g h z 左右。 l l 2 输出杂散大 由于d o s 采用全数字结构，不可避免地引入了杂散。其来源主要有三个： 相位累加器相位舍位误差造成的杂散；幅度量化误差( 由存储器有限字长引起) 造成的杂散和d a c 非理想特性造成的杂散。 2 4d d s 芯片介绍 随着微电子技术的飞速发展，目前高超性能优良的d d s 产品不断推出，主要有 q u a l c o m m 、a d 、s c i t e g 和s t a n f o r d 等公司单片电路( m o n o l i t h i c ) 。q u a l c o m m 公司推出了 d d s 系列0 2 2 2 0 、0 2 2 3 0 、0 2 3 3 4 、0 2 2 4 0 、0 2 3 6 8 ，其中q 2 3 6 8 的时钟频率为1 3 0 m h z ， 分辨率为0 0 3 h z ，杂散控制为- 7 6 d b c ，变频时间为o 1l ls ；美国a d 公司也相继推出了他们 的d d s 系列：a d 9 8 5 0 、a d 9 8 5 1 、可以实现线性调频的a d 9 8 5 2 、两路正交输出的a d 9 8 5 4 以及以d d s 为核心盼q p s k 调制器a d 9 8 5 3 、数字上变频器a d 9 8 5 6 和a d 9 8 5 7 a d 公司的d d s 系列产品以其较高的性能价格比，目前取得了极为广泛的应用。a d 公司的常用d d s 芯片选用列表见表2 - 1 。在本设计中采用a d 公司的两款性价比较高的d d s 芯片为a d 9 8 5 0 和a d 9 8 5 2 。 表2 - 1a d 公司的常用d d s 芯片选用列表 型号最大工作频率工作电压备注 ( u n z ) ( v ) a d 9 8 3 22 5 3 3 5 串行输入，内置d a 转换器 a d 9 8 3 12 53 3 5 低电压，经济，内置d a 转换器 a d 9 8 3 3 2 52 5 5 5 1 0 个管脚的u s o i c 封装 a d 9 8 3 45 0 2 5 5 5 2 0 个管脚的t s s o p 封装并内置比较器 a d 9 8 3 5 5 03 3 ，5 串行输入，内置d a 转换器 a d 9 8 3 05 03 3 5 经济，并行输入，内置d a 转换器 a d 9 8 5 0 1 2 53 3 3 5 内置比较器和d ，a 转换器 a d 9 8 5 31 6 53 3 可编程数字q p s k 1 6 - q a m 调制器 a d 9 8 5 1 1 8 0 3 3 内置比较器、d a 转换器和时钟6 倍频器 3 0 03 3 内置1 2 位的d ，a 转换器、高速比较器、 a d 9 8 5 2 线性调频和可编程参考时钟倍频器 3 0 03 3 内置1 2 位两路正交d a 转换器、高速比 a d 9 8 5 4 较器和可编程参考时钟倍频器 1 0 0 0 3 3 内置1 0 位的d a 转换器、1 5 0 m h z 相频 a d 9 8 5 8 检测器、充电汞和2 g h z 混频器 第三章虚拟函数信号发生器与数字信号处理器的硬件设计 本文以c y g n a lc 8 0 5 1 f 系列单片机c 8 0 5 1 f 0 2 0 和a d 公司的d d s 芯片a d 9 8 5 0 和a d 9 8 5 2 为核心组建系统硬件电路，并提出了基于t c p i p 协议的网络测控和 信号处理。通过网络或上位机发送命令信号控制m c uc 8 0 5 1 f 0 2 0 ，从而控制d d s 产生一定信号频率、幅度和相位连续可调的函数波形。通过网络或上位机发送 命令信号控制m c u c 8 0 5 1 f 0 2 0 ，利用m c u 自带的a d + 信号调理电路进行数据采集， 并将采集到的模拟信号通过m c u 送到上位机进行信号的处理和显示。 3 1 增强型单片机c 8 0 5 0 f 0 2 0 c 8 0 5 1 f 0 2 0 是集成的混合信号片上系统s o c 闭( s y s t e mo nc h i p ) ，具有与 m c s - 5 1 内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8 0 5 1 的数字外设部件 之外。片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及 功能部件。c 8 0 5 1 f 0 2 0 单片机目前广泛应用在智能家居控制、工业控制、通信 产品和医疗设备等领域。c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部模块图和原理框图嗍分别如图3 - 1 和 图3 - 2 所示。 图3 - 1c 8 0 5 1 f 0 2 0 内部模块图 图3 - 2c 8 0 5 1 f 0 2 0 原理框图 c y g n a lc 8 0 5 1 f 系列单片机的功能部件包括模拟多路选择器、可编程增益放 大器、a