（电力电子与电力传动专业论文）基于虚拟仪器技术的电气测试平台的研制.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a sc o m m o nt e s tt o o l s ，t e s t i n gi n s t r m n e n ti su s e dw i d e l yi nt h ef i e l d so fs c i e n t i f i cr e s e a r c h ， p r o d u c t i v ep r a c t i c e ，i n s t r u c t i o n a lp r a c t i c ea n ds o0 1 1 t h et e s t i n gi n s t r u m e n th a st w oc a t e g o r i e s ： m o t i v a t i o na n dd e t e c t i o n t h ee l e c t r i ct e s tp l a t f o r mi n t r o d u c e di nt h i st h e s i si sa p p l i e di n e x p e r i m e n t a ll a b o r a t o r y a st h et e s t i n gi n s t r u m e n t , t h ee l e c t r i ct e s tp l a t f o r mi sc o m p o s e do fa n 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 ) a n dal o g i ca n a l y z e r ( l a ) ，ad a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t v i r t u a li n s t r u m e n t ( v i ) t e c h n o l o g y , w h i c hi sd e v e l o p e du p o ni n s t r u m e n tt e c h n i q u e ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u e ，b u st e c h n i q u e ，d i g i t a lt e c h n i q u ea n dc o m p u t e rt e c h n i q u e ，i sc o n s i d e r e da st h ef u t u r e 讹n do fi n s t r u m e n tt e c h n o l o g y t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dt h ed e s i g no ft h ee l e c t r i c t e s tp l a t f o r mw h i c hi sb a s e do nt h ev i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g y v i r t u a li i l _ s t r u m e n tt e c h n o l o g ya n dd e s i g ns t a n d a r d sa 北i n t r o d u c e df i r s t l y a c c o r d i n gt ot h e a n a l y s i sa n dd e m o n s t r a t i o no ft h es y s t e mp r o j e e t , t h es c h e m eo f “p c + f p g a + u s b ”i sp u tf o r w a r d t h e n , t h er e a s o no fc h o o s i n gd d st e c h n o l o g yt oc o n t r o lt h ef r e q u e n c yo fa w gi sp r e s e n t e d t h e m e a n so fs e t t i n gw a v ep a t t e r n , f r e q u e n c ya n da m p l i t u d ea r ep r o v e d t h eh a r d w a r ed e s i g no f t h ee l e c t r i ct e s tp l a t f o r mi sd i s c u s s e db a s e d0 1 1i n s t r u m e n t a lf u n c t i o n a n dd e s i g ns t a n d a r d s 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 da n a l y s e s t h er e a l i z a t i o no fd d s t e c h n o l o g ya n du s bc o m m u n i c a t i o ni nf p g a t h ep ca p p l i c a t i o ns o r w a r ea d o p t sl a b v i e w 8 2o fn ic o m p a n ya st h ed e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t t h em a i nw 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 e d r i v e ro fu s bc o m m u n i c a t i o ni 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 m e 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 e l e c t r i ct e s tp l a t f o r m ，a r b i t r a r yw a v e f o r mg e n e r a t o r , l o g i ca n a l y z e r , d a t aa c q u i s i t i o ni n s t r u m e n t , v i r t u a li n s t r u m e n t , d d s ，u s b ，l a b v i e w i i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，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，也不包含为获得东南大学或其它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了 谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。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。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 第一章绪论 1 1 电气测试平台的定义 第一章绪论 本文设计的电气测试平台主要使用于高校电工电子实验室内，由三大块构成：任意波形 发生器、逻辑分析仪和数据采集仪。学生通过此电气测试平台可以获取实验中常需的一些规 则波形信号以及任意波形，同时使用电气测试平台的逻辑分析仪和数据采集仪对实验输出的 数字信号和模拟波形信号进行测试和存储。因而，对本电气测试平台技术指标的要求无需非 常高，价位、仪器开发周期、仪器使用的便捷度等也是设计过程中需要考量的因素。故本电 气测试平台采用虚拟仪器技术，充分利用计算机资源，大大降低仪器的制造成本，同时将传 统仪器的部分模块上移至p c 机完成，可以缩短设计周期，便于仪器功能升级。 1 2 虚拟仪器技术的概述 根据测试仪器的发展历程，仪器分为以下凡类： 1 、传统仪器。传统测试仪器主要结构由硬件构成，并以相对固定形式确定下来。 2 、智能仪器。智能仪器是现代测试技术与计算机技术相结合的产物。它是含有微计算机或 微处理器的测试仪器，测试结果具有存储、运算、逻辑判断及自动操作、自动控制等功能。 3 、虚拟仪器。虚拟仪器技术是仪器技术、通信技术、总线技术、数字化技术、计算机技术 等有机结合的产物【l j 。 虚拟仪器的雏形是以a p p l ei i 为基础的数字存储示波器，美国仪器公司1 9 8 6 年推出的 编程环境l a b v i e w 标志着虚拟仪器基本成型。虚拟仪器就是用户在通用计算机上，根据自 身需求定义和设计仪器的测试功能，对使用者而言，操作该计算机时犹如在操作一台他自己 设计的测试仪器。可见，虚拟仪器的出现，打破了传统仪器由厂家定义，用户无法改变的工 作特性。在测试系统和仪器设计中使用软件来替代硬件，充分利用计算机技术实现和扩展传 统测试系统和仪器的功能。虚拟仪器技术最本质的表述为“软件即仪器，【2 1 。 虚拟仪器技术仅是一种功能意义上的仪器，是具有仪器功能的软硬件组合。虚拟仪器技 术相对于传统仪器的优势主要表现在五个方面：( 1 ) 丰富和增加了传统仪器的功能；( 2 ) 突出 “软件即仪器”的新概念：( 3 ) 仪器由用户定义；( 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 3 本论文研究的内容 本文研究的内容是基于虚拟仪器技术进行电气测试平台的研制。本文设计的电气测试平 台按照生成波形和测试波形的两种功能，分为两大功能模块：任意波形发生器模块和逻辑分 析仪数据采集仪模块。这两个模块实现的整体设计思路相近，限于篇幅，本文针对任意波 形发生器的设计过程进行了详细的介绍，对逻辑分析仪数据采集仪的设计只做概述说明。 论文第二章进行了系统整体方案的制定。指出了本文设计的系统的基本功能和技术指 标，阐述了采用d d s 直接数字合成技术的原因，对波形发生器具体波形的实现方法、频率 和幅度的控制方式进行了论证。 论文第三章介绍了仪器的硬件电路结构，讨论了各个模块实现的功能以及芯片选型原 东南大学硕士学位论文 则。 论文第四章进行了系统的逻辑设计，主要是使用v e r i l o gh d l 硬件描述语言对f p g a 内 的数字电路进行代码编写。分析了d d s 技术以及u s b 接口控制在f p g a 中的编程实现，并 进行了系统工作状态的分析。 论文第五章介绍了基于通用计算机的仪器的应用软件的设计。其是在n i 公司 l a b v i e w 8 2 编程环境下开发完成的。首先介绍了应用软件的操作界面和底层u s b 驱动程 序的设计过程，而后分析了应用软件的工作状态。 最后结论部分，进行了论文成果总结，对系统存在的不足之处以及需要改进之处提出了 建议。 2 第二章系统整体方案的分析与论证 第二章系统整体方案的分析与论证 2 1 电气测试平台的基本功能和设计指标 2 1 1 基本功能 本论文设计的电气测试平台按照生成波形和测试波形的两种功能，分成两个模块：任意 波形发生器、逻辑分析仪，数据采集仪。 任意波形发生器的基本功能为： l 、输出波形种类：正弦波、方波、脉冲波、锯齿波、三角波、高斯、直流、噪声、任意波。 2 、单通道输出，波形的幅度、频率、直流偏置可调。 3 、波形具有三种输出方式：参数设定、公式输入、手工绘制。 逻辑分析仪和数据采集仪的基本功能为： 1 、逻辑分析仪实现对数字信号的采样、存储和显示。采样时钟、电平标准、存储深度可调。 具有多种触发模式，包含基本触发、序列触发等。另外，触发通道可选，具备三种触发 位置。 2 、文件操作功能。逻辑分析仪的采样波形数据可另存为二进制文本，便于以后调用观测。 波形图可存储为j p e g 文件类型。 3 、数据采集仪实现对模拟信号的采样、存储和显示。输入信号衰减放大可调，具有直流和 交流耦合方式，触发电平可调。 2 1 2 设计指标 任意波形发生器： 1 、最高采样率：2 0 0 m s a s 2 、输出波形：正弦波、方波、脉冲波、锯齿波、三角波、高斯、直流、噪声、任意波 3 、输出频率范围：正弦波o 1 h z - 4 0 m h z ，其它波形0 1 h z i m h z 4 、频率分辨力：0 1 h z 5 、通道数：1 6 、波形存储深度为8 k 7 、幅度范围：0 2 v p p 至1 0 v p p ，输出至5 0 q ；0 2 v p p 至2 0 v p p ，输出至1 m q 8 、幅值分辨率为0 5 9 、偏置：5 交流+ 直流，输出至5 0 f 2 ；1 0 交流+ 直流，输出至1 朋q 1 0 、偏置分辨率：8 位 1 1 、u s b 通信接口 逻辑分析仪： 1 、信号采样频率可调，最大1 0 0 m h z 2 、通道数：1 6 位 3 、每路存储深度可调，最大2 5 6 k b i t s 4 、输入阻抗：1 朋q 3 东南火学硕士学位论文 触发电平：0 v 到5 v 间可调 输入信号范围：0 2 v - 5 7 v 触发方式：基本触发、序列触发等。 数据采集仪： 通道数：2 模拟通道带宽：1 0 m h z 采样率可调，最大为每通道3 0 m h z a d 转换精度：8 b i t s 输入信号范围：2 0 v 2 0 v 输入阻抗：1 朋q 每通道存储深度：4 0 k b i t s ( m a x ) 2 2 系统整体方案设计 本电气测试平台的两大模块任意波形发生器、逻辑分析仪数据采集仪分别实现波 形的产生和测量，为提高仪器精度和测量速度，将任意波形发生器和逻辑分析仪数据采集 仪分在两块硬件电路板上实现，p c 机上的用户操作界面则分别编写两套应用程序实现，将 波形的产生和测试分开。因本设计仪器功能复杂，设计任务繁多，限于篇幅，作者将对任意 波形发生器的实现进行详细介绍，逻辑分析仪数据采集仪实现的整体方案与波形发生器在 多方面相似，因此本文只做简要概述。 系统总体结构图如下： p c 机上软件 l 卜 通信接口 ，1卜 仪器硬件系统广叫厂叫 图2 1系统总体结构框图 任意波形发生器和逻辑分析t 义数据采集仪的总体结构相同，如图2 1 所示。p c 机上的 应用软件作为一个人机交互的平台，其包含图形化的人机界面，根据用户对应用软件的操作 实现波形数据的产生、波形幅值和直流偏置的调节、波形测试结果的显示及状态分析，同时 将用户对仪器的操作转换成硬件系统可识别的命令代码，驱动通信接口进行命令即数据的传 输。仪器硬件系统用于产生或采样、存储波形，在后面的章节中将给予详细介绍。 2 。3 任意波形发生器实现方案制定 2 3 1 发生器频率产生方案比较 任意波形发生器作为一个信号源，同时也是一个频率源，频率的产生及控制至关重要， 性能卓越的频率源均通过频率合成技术来实现【3 】。频率合成技术从上世纪7 0 年代开始，先 后经历了直接模拟式( d a s ) 、间接锁相式、直接数字式( d d s ) 三个阶段。 直接模拟式频率合成是最早出现的一种频率合成器类型，其工作原理就是用倍频、混频 电路对一个或几个基准频率进行加、减、乘和除运算，从而产生要求的频率信号。直接模拟 式频率合成器的优点是频率转换快( 一般可以做到1 - - - 2 坤) 、分辨率高、相噪低、输出频率 高：缺点是合成结构复杂、尺寸及重量大，其输出谐波、噪声及寄生频率难以抑制，适于频 4 又民入 k厶又钆又文入 第二章系统整体方案的分析与论证 率步进大、点频数不多的电子系统1 4 】。 基于锁相环的间接频率合成技术，又称为锁相式频率合成技术，它利用锁相技术实现频 率的加、减、乘、除，即把一个或是多个基准频率源，通过谐波发生器、混频和分频等一系 列非线性器件，产生大量的谐波或组合频率，然后用锁相环把压控振荡器的频率锁定在某一 个组合频率上，由压控振荡器间接产生所需要的频率输出。锁相式频率合成技术的优点是结 构简单、体积小、易于集成、调试方便、杂散低，所以应用非常广泛，缺点是频率转换时间 相对较长，难以满足对跳频时间要求快的电子系统。 频率控制 图2 - 2 直接数字合成( d d s ) 原理框图 直接数字合成技术( d d s ) 是一种全数字化的频率合成技术，其基本原理见图2 2 所示， 由相位累加器、加法器、波形存储器r o m 、d a 转换器以及低通滤波器( l p f ) 构成。 图中k 代表频率控制字( f c w ) 、p 表示相位控制字、w 表示波形控制字、，二为参考 时钟频率、n 表示相位累加器的字长、l 表示r o m 的地址位数、d 表示r o m 的数据位数 以及d a 转换器的字长【5 l 。其工作原理是：相位累加器以参考时钟f 的频率进行步长为k 的累加，将所得n 位的二进制代码，加上相位控制字p 和波形控制字w ，取其高l 位作为 r o m 的地址，将地址的相应数字信号通过d 位的d a c 进行数模转换，再将模拟信号通过 低通滤波器平滑之后即是所合成的波形信号。设输山信号的频率为疋，n 位累加器的高l ( l n ) 作为存储器的地址位，则有以下相关参数关系式： 厂 每周期的最高采样点数：m = 丛 无 波形数据存储器的点数最长为：2 l 累加器最小相位增量： c 2 万 6 2 歹 对应频率控制字k 的相位增量：k 筹( r a d ) z ￥f 输出信号频率无：无= 言，工 z 可见，时钟频率疋给定后，输出信号的频率取决于频率控制字k ，频率分辨率取决于 累加器位数n ，相位分辨率取决于波形存储器的地址线位数l ，幅度量化噪声取决于波形存 储器的数据位字长d 和d a 转换器的位数，这样合成信号的三个参量( 频率、相位和幅度) 便均可由数字信号精确控制，从而达到了全数字化合成的目的。d d s 具有众多突出优点： 极高的频率稳定度，极高的频率分辨率，超高速的频率转换时间，变频相位连续，相位噪声 低，全数字自动化控制，可以合成任何波形，集成度高，容易实现小型化 3 1 。 综合上述比较，为了满足本设计的任意波形发生器的技术指标，直接数字合成技术 ( d d s ) 无疑是最佳方案。 5 东南人学硕一i 二学位论文 2 3 2 控制电路实现方案制定 由于d d s 技术是一个全数字化的合成，因而需采用数字系统来完成波形的产生及精度 控制。数字系统的设计可以分为通用集成电路芯片、可编程逻辑器件和设计专用集成电路( 单 片系统) 三个层次。通用集成电路设计为早期的设计方案，因各分立器件之间互连，可靠性 不高，另外体积大，功耗大，速度慢。目前各火芯片制造厂商都相继推出了高性能和多功能 的d d s 芯片，例如a d 公司的a d 9 8 5 x 系列。然而d d s 芯片都是全定制集成芯片，其内 部结构已经l 占i 定，一般只能产生固定的波形。对于任意波形的输出要求，可编程逻辑器件 f p g a 可以满足要求，本设计采用的f p g a 采用a l t e r a 公司c y c l o n e1 1 系列的e p 2 c s q 2 ：0 8 c 8 芯片。 可编程逻辑器件e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 具有以下优点： l 、 逻辑资源丰富，f p g a 器件及其系统软件是开发大规模数字集成电路的最新技术。采用 f p g a 设计a s i c 电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片。它编程的灵活性是a s i c 电路中设计周期展短、开发费j l j 最低、风险最小的器件之一。 2 、相较于c p l d 适合完成各种算法和组合逻辑，f p g a 更适合于完成时序逻辑 6 1 。对于本 设计，时序的控制、状态机的切换是主要任务，因而选用f p g a 优于c p l d 。另外f p g a 比 c p l d 具有更大的灵活性。 3 、 f p g a 内部具有丰富的连线资源和i o 口，改变引脚输出很灵活。 4 、工作时钟频率高， e p 2 c s q 2 0 8 c 8 含有两个锁相环，频率最高可达i g h z ，可以产生 d d s 所需的极高频率的参考时钟疋，大大提高了仪器的精度。 5 、e p 2 c 5 q 2 0 8 c 8 内嵌11 9 ，8 0 8 b i t s 存储器，可以根据需要方便的设计成各种容量和配置方 式的双口或单口r o m ，r a m 和f i f o 缓冲器。其晟大二i ：作频率为2 5 0 m h z ，性能大大优于 专用集成电路的r a m ，可以满足最高采样率为2 0 0 m s a s 的设计要求。 6 、f p g a 器件的开发一般都是利用先进的e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 工具进行 电子系统设计和产品开发。开发工具的通用性、设计语言的标准化以及设计过程儿乎与所有 器件硬件结构的无关联使得设计成功的各类逻辑功能块软件具有良好的兼容性和可移植性， 从而使产品的设计效率大幅度提高。 2 3 3 波形产生方案 本设计对正弦波的频率要求较高，需达到4 0 m h z ，为产生较高质量的止弦波信号，本 设计采h j 高性能和多功能的专用d d s 集成芯片a d 9 8 5 1 来实现。 a d 9 8 5 1 数字合成器是采用先进d d s 技术的高集成芯片，芯片内部集成了高速、高性 能的d a 转换器和比较器，可以形成一个数字可编程的频率合成器以及时钟产生器。如果 使用一个精密的时钟源，a d 9 8 5 1 可产生一个频率非常稳定的、相位可编程的正弦波模拟信 号输出，输出模拟正弦波可以直接用作频率源，或通过a d 9 8 5 1 内部转换成方波作为灵活的 时钟产生器。 任意波形的不确定性使其不能通过专用集成芯片产生，因此任意波形的实现部分，本设 计通过编程在f p g a 内构造时钟控制模块、累加器模块以及存储器单元，将产生的波形数字 信号输出至电路板上的d a c 转换成模拟波形。 a d 9 8 5 1 的时钟信号可由晶振通过f p g a 内的时钟模块输出提供。同时，在输出波形为 6 第二章系统整体方案的分析与论证 非正弦波时，a d 9 8 5 1 又可以作为一个时钟源，反馈同f p g a 控制其内部的累加器计数、r a m 的读取以及外部的数模转换。 关于波形的具体实现过程，将在下一章硬件电路的设计中，结合d d s 的实现原理、电 路的硬什构造来进行详细介绍。 2 3 4 幅值控制方式的制定 任意波形发生器输出波形的幅值范围以及幅值的分辨率均是要考虑的重要技术指标。通 过相关资料的查阅，笔者发现很多d d s 任意波形发生器模块的幅值调，仃采用两级d a c 的 控制方式实现。但本设计采用可变增益放人器( v g a ) 构造幅值调控电路，本节将就两种 方案的实现进行说明与比较。 l 、采用两级d a c 的幅值控制方法 先从一级d a c 的方法进行介绍。将d d s 输出的数字信号转换成模拟信号的d a c 转换 通道的分辨率为2 ，其取决于d a c 的字长l 。通道的分辨力为f f 2 ，坏f f 为d a c 的参考电压。一旦d a c 型号选定，通道的分辨率被固定，输出信号幅值的分辨率k 。为： f 一望道分辨力一 x 2 屯 一石萌霸丽一石萌前丽 ( 2 1 ) 其中： l 为d a c 的字长；f f 为d a c 的参考电压。 由式2 1 可知，输出信号幅值的分辨率受信号的最人幅值以及d a c 参考电压f f 的影 响。输出小信号时，假设输出信号的最火幅值仅为f ，的o 1 ，则分辨率为1 0 x 2 。为 使小信号输出时仍然有较好的幅值分辨率，令参考电压随之降低，与信号的最人幅值保持一 致。则无论信号的最大幅值如何变化，输出信号的分辨率在全量程的范围内都保持为2 。 因此采用级联d a c 的方法，第一级d a c 作为第二级d a c 的参考电压，从而在保证精 度的情况下控制输出信号的幅值；第二级d a c 用于转换波形存储器中的波形数据1 7 i 。 2 、采用可变增益放大器( v g a ) 的幅值调控方式 将d d s 输出的数字信号通过d a c 芯片产生一个幅值l 古i 定为圪的基准波形，这与两级 d a c 幅值控制方式中d a c 芯片输出波形幅值可变不同，通过对此基准电压的可变增益放大 实现幅值的控制。 v g a 模块选用a d 8 3 3 7 芯片。a d 8 3 3 7 是美国a d ( a n a l o g d e v i c e si n c ) 公司推出的一 种高频带宽度、低功耗、采用直流耦合的模拟控制可变增益放大器。该放大器的增益以分贝 为单位线性变化，增益控制范围为0 - - 一2 4 d b ，a d 8 3 3 7 增益运算公式如下： , d r g a i n ( d b ) = 【1 9 7 詈圳 + i c p t ( d b ) ( 2 2 ) y 其中，额定j c p r 为1 2 6 5 d b ，。，为增益控制电压，在一o 6 o 6 v 范嗣内变动【8 j 。 电压。， ，由参考电压为o 6 v 的d a c 产生，d a c 以单极性输出，同时结合反相器、数字开 关，的分辨率为0 6 2 一，其中l 为d a c 的字长。 a d 8 3 3 7 在负载电阻r ，5 0 0 t 2 以及双端供电埃= + 5 v 的条件下，输出电压范围为 - 3 8 v - - 3 8 v 。为获得较大幅值信号，需在a d 8 3 3 7 后接放大电路，设放大电路的放大倍数 为a m p ( d b ) ，电路总的增益为： j r g a i n ( d b ) = 【l9 7 詈 + i c p t ( d b ) + a m p ( d b ) ( 2 3 ) 7 东南大学硕j ：学位论文 被放大的基准波形幅值为咋，对应某的输出信号幅值为巧吲，则满足下式： 2 0 l g 簪= 【1 9 7 害】+ 御丁( 拈) + 爿m p ( d b ) ( 2 4 ) 当圪圳增加最小步进o 6 2 屯时，设输出信号幅值为嘭一倒，关系式为： 2 0 l g 簪= 【1 9 7 等( + 0 6 x 2 - j ! ) 】+ 御丁( 扭) + 彳m e ( a s ) ( 2 5 ) 式2 5 减式2 4 得： 矿 2 0 x l g # 型= 1 9 7 x 0 6 x 2 - l 】( 招) ( 2 6 ) yp 一删 矿- 1 9 7 x 0 6 x 2 - t 业= 1 0 2 0 ( 2 7 ) v p 一咖 输出信号幅值的分辨力为： 型! ! ：坠兰 巧一倒一一砌= ( 1 1 0 2 0 ) 巧一叫 ( 2 8 ) 可j j l ! - 输出信号幅值的分辨力是随着输出信号的变化而变化的。 输出信号幅值的分辨率k 。为： k ：挚- 1 - 1 0 一竿 ( 2 9 ) y ， 一。删 不难看出，输出信号幅值的分辨率是一个定值，只与d a c 的l 有关，若采用l = 8 的 d a c ，分辨率k 。0 5 3 0 2 。 综上所述，两级d a c 控制方法的幅值分辨率受输出信号最大幅值影响，小信号输入时 分辨率较低。虽可通过第一级d a c 调节第二级d a c 参考电压的方法来弥补，但当输出信 号幅值的最大值过大时，因第一级d a c 的参考电压要求至少为信号的最人幅值，造成在小 信号输出时第一级d a c 的分辨率过低，仍然会影响总的分辨率。而采用可变增益放大器的 方案，信号幅值的分辨率为定值。另外，由于非正弦波信号的产生需通过d a c 进行数模转 换，故可以采用两级d a c 级联的方式进行幅值调节，但由a d 9 8 5 1 产生的正弦波信号幅值 为定值，要实现幅值调一1 了不能采用两级d a c 级联的方法，而采用可变增益放人器( v g a ) 的幅值调控方式对非正弦波和正弦波信号均适用，令a d 9 8 5 1 和非正弦波产生模块输出幅值 为儿的基准波形，就可以非常方便简单的通过继电器和v g a 芯片实现幅值的调节，而无 需分开进行控制，这样不仅减少了芯片个数，降低了成本，也节约了f p g a 的资源以及i o 口个数。 2 3 5 通信接口方案比较 虚拟仪器系统的通信实现可以考虑两种总线方式：通用仪器总线g p i b 、v x i 、p x i 结 构和u s b 通用串行通信总线结构。 g p i b 是通用接口总线的简称。g p i b 总线是一种并行方式的外总线，包括8 条数据线、 5 条控制线、3 条挂钩线和8 条地线，采用比特并行、字节串行的双向异步通信方式。总线 上传递消息的逻辑电平为负逻辑的r r l 电平，数据传输速率一般为2 5 0k b p s 一5 0 0 k b p s ，最 高可达1 m b p s 。受发送器负载能力的限制，接口系统内仪器数目最多不能超过1 5 台。一个 g p i b 总线系统所使用的电缆总长度不能大于2 0 m ，或者系统中的器件数乘以2 m 的值不能 8 第二章系统整体方案的分析与论证 大于2 0 。 v x i 总线被称为先进仪器总线，由h p 等公司于1 9 8 7 年提出，1 9 9 2 年成为i e e e1 1 5 5 标准。在v x i 总线标准中围绕机械、电气、控制方式、通信协议、电磁兼容、软面板、驱 动程序、i o 控制乃至机箱、印制电路板的结构、通风散热等都做了详细的规定，使不同厂 家的v x i 总线产品相互兼容。v x i 系统综合了计算机技术、g p i b 技术、p c 仪器技术、接 口技术、v m e 总线和模块化结构技术的成果，具有小型便携、高速数据传输、模块式结构、 系统组建灵活等特点1 9 1 。 p x i 总线是c o m p a c tp c i 总线在仪器领域的扩展，是n i 于1 9 9 7 年公开发布的一种开放 式工业规范，目前尚朱成为国际标准。其最主要的电气规范由p c i 总线发展而来，同时对电 源、空气冷切装置、抗电磁干扰和恶劣环境的结构等做了规范，在底板上定义了多种仪器专 用线，包括用于多板同步的触发总线和1 0 m h z 参考时钟、用于进行精确定时的星形触发总 线以及用于相邻模块间高速通讯的局部总线，从而满足测试用户的更高要求【l o l 。 虽然这些测控系统总线的性能比较好，并且已经有一套t 业规范，但仪器测控系统需要 配备专用接口控制卡，或是n i 公司的数据采集卡，因而用户在组装系统时需打开机箱，使 用不便。 u s b 通用串行总线是由康柏等7 家大厂商共同开发的一种外设接口标准，1 9 9 6 年公布 了u s b l 0 版本。u s b 总线规范推出后，这种接口适合于多种设备，不仅具有快速、即插即 用、支持热插拔等优点，还能同时连接多达1 2 7 个设备，解决了如资源冲突、中断请求( i r q s ) 和直接数据通道( d m a s ) 等问题。 考虑到以后的电脑标准配置上将逐渐取消p c i 接口( 很多笔记本电脑上已经取消了p c i 接口) ，以及u s b 接口的传输速度快、操作简单、支持多个设备、价钱较低等优点，任意波 形发生器采用u s b 接口通信方案。 2 3 6 软件开发平台比较 常用于虚拟仪器设计的软件开发环境有两大类：一类是基于文本的编程语言，如c 、 v i s u a lc + + 、l a b w i n d o w s c v l ；另一类是图形化编程语言，即g 语言，代表性的有l a b v i e w 、 h p v e e 等。其中l a b w i n d o w s d c v i 、l a b v i e w 、h p v e e 是针对虚拟仪器和测控领域专门设 计的。 l a b v i e w 作为美国国家仪器( n m i o n a li n s t r u m e n t ，简称n i 公司) 推出的虚拟仪器开发平 台，以其直观简单的编程方式，众多的源码级的设备驱动程序，各种对分析和表达功能的 支持，为用户快捷的构建自己在实际生产中所需仪器创造了良好的环境。 l a b v i e w 异于v i s u a lb a s i c 、v i s u a lc 抖、d e l p h i 、p e r i 等基于文本型程序代码的编程方 式，它是一种图形化的编程语言，因而使用l a b v i e w 基本上不用写程序代码，取而代之的 是用图标、连线构成的流程图，它是一个面向最终用户的工具。它可以增强用户构建自己 的： 程系统的能力，提供实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、 设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。 l a b v i e w 是一个工业标准的图形化开发环境，功能强大，它是带有可扩展函数库和子 程序库的通用程序设计系统，不仅可以用于一般的w i n d o w s 桌面应用程序设计，而且还提 供了用于g p i b 设备控制、v x i 总线控制、串行口设备控制，以及数据分析、显示和存储等 应用程序模块，其强大的专用函数库使得它非常适合编写用于测试、测量以及工业控制的 9 东南大学硕上学位论文 应用程序。 l a b v i e w 的程序是数据流驱动的。数据流程序设计规定，一个目标只有当它的所有输 入有效时才能执行；而目标的输出，只有当它的功能完全时才是有效的，因而l a b v i e w 的 程序不像文本程序受到行顺序执行的约束，从而可以通过相互连接功能方框图快速简洁的 开发应用程序，甚至还可以有多个数据通道同步运行i 1 1 j 。 综上所述，l a b v i e w 作为本虚拟仪器的开发平台，无疑是一个最佳的选择。 2 4 逻辑分析仪数据采集仪实现方案设计 逻辑分析仪，数据采集仪和任意波形发生器一样，集结了模拟和数字信号的操作，因此 在设计方案的选择上可以套用任意波形发生器的设计思路。 逻辑分析仪，数据采集仪硬件电路的主要任务是对输入的1 6 路数字逻辑信号和2 路模拟 信号进行采样、存储，再将存储的波形数据通过u s b 接口上传至p c 机上的应用软件。因 而，其必须具备较强的时序控制能力来协调波形的采样存储操作。和任意波形发生器一样选 用适于时序逻辑控制的f p g a 作为硬件电路板的控制单元，逻辑分析仪和数据采集仪共用一 片f p g a 芯片，由于控制信号较多，选用具有2 4 0 个i 0 口的c y c l o n ei 系列的e p i c 6 p q 2 4 0 c 8 芯片。 由于数字逻辑的电平标准多种多样，为提高仪器的兼容性，必须先对外部输入的数字信 号的l i i 平标准进行转换，以匹配f p g a 怕口的电平标准。 目前常用的电平标准主要有t t l 、l ，v t t l 、c m o s 、l v c m o s 、r s 2 3 2 等。本文设计的 逻辑分析仪主要用于对r r l 、l v t t l 、c m o s 和l v c m o s 等这类低电压信号的测量。不同 电平标准的输入输出高低阂值各不相同。例如，对于t t l 电平，其输入阈值分别是0 8 v 和 2 0 v ，即输入高电平范围是2 0 v - - 一5 v ，低电平范围是0 - 0 8 v ，同样对于输出，高低电平 标准分别是2 4 v 5 v ，0 o 4 v 。i ，、，t t i ，即l o w v o l t a g e l r l ，是低电平标准的t t l ， 其有3 3 vl ，v t t l ，2 5 v l v t t l 等。其中最常用的是3 3 v 的l ，v t t l ，其阈值和n l 完全相 同，即输入高低电平范围分别是2 o v 3 3 v ，0 0 8 v ，输出高低电平范围分别是2 4 v 3 3 v ，0 o 4 v 。2 5 vl ，v 1 y r l ，其输入高低电平范围分别是1 7 v 2 5 v ，0 o 7 v ，输出高 低电平范围分别是2 v 2 5 v ，o o 2 v 。本设计选用比较器芯片稳定、精确的实现电平标准 的转换。 为使得数据采集仪一方面可以测试较大电压的波形信号，同时对小信号也能够实现准确 测量，被测模拟信号必须要经过一系列的衰减放大至模数转换器允许的输入范围，以便转换 成数字信号上传至p c 机上的应用软件。由电阻、电容、运放构建信号的衰减放大电路网， 使用继电器实现衰减放大电路的组合和切换。 逻辑分析仪和数据采集仪都需要将采样的数据经过存储之后再输出。由于逻辑分析仪的 采样深度为2 5 6 k 个字，因此采用外置的s r a m 芯片存储波形。而数据采集仪所需存储单元 不多，因而将其存储模块放在f p g a 内完成。 和任意波形发生器一样，逻辑分析仪，数据采集仪采用u s b 通信方式，p c 机上应用软 件基于l a b v i e w 平台开发。 1 0 第二章系统整体方案的分析i 论证 2 5 本章小结 本章详细叙述了任意波形发生器的设计方案的制定原理，主要对波形的发生方式选择、 幅值的控制方案、可编稃器件的选择、通信接口的选择以及软件编程环境的选择进行了详细 的介绍。另外，对逻辑分析仪数据采集仪的方案设计进行了简要的说明。 东南大学硕| 二学位论文 第三章电气测试平台的硬件系统结构 3 1 任意波形发生器整体结构框图 图3 1 为任意波形发生器的硬件整体结构框图。 一 i 电源模块卜 l u e s b i 一 i ( f l s b ；i 。i ”软件l 毗 a d 9 8 5 l - a d 9 8 5 1 恼 控制 晶振 i i 石甭；石一 1 缫电器h ，二= ：一h 信号调理i 2 0 m h z 7 l ，_ 旦睾型厂 芒_ 1 ( a d 8 3 3 7 ) ii 一1 一i i 垂 逮卧- 。嬲8 斗刮 f l 幅值摔制 磐望坠s i 偏置控制 lj l l ，) z 5 j 图3 。1任意波形发生器整体结构框图 由图3 1 可见，任意波形发生器在硬件电路上主要由电源模块、f p g a 控制模块、a d 9 8 5 1 正弦波发生模块、d a c 模块、滤波器模块、可变增益放大器模块、信号输出调理模块以及 u s b 通信模块构成，其电路原理图可见附录一。 f p g a 控制模块是整个仪器的指挥中心，用于指挥各模块协调运作，它由硬什描述语言 编程完成，这一部分的实现将在第四章进行详细介绍。 下面将结合芯片的指标和性能、硬件电路图等就各个模块的硬件实现及功能进行介绍。 3 2 任意波形发生器硬件模块详细介绍 3 2 1f p g a 硬件模块 由图3 1 ，在电路连接上，e p 2 c 5 q 2 0 8 与电源模块、晶振、a d 9 8 5 1 、d a c 模块、u s b 通信模块以及一些继电器相连。为了使e p 2 c 5 q 2 0 8 能够正常工作，必须要以e p 2 c 5 q 2 0 8 的供电系统、时钟管理、i o 电平标准等相关参数为指导进行线路设计。 1 、e p 2 c 5 q 2 0 8 的时钟管理相关参数 e p 2 c 5 q 2 0 8 内有两个锁相环( p l l s ) ，用来为芯片的时钟管理单元提供时钟处理与合成， 同时也可进行外部系统时钟的管理。这些p l l s 用于倍频、分频、相位移动以及可编程的占 空比控制。图3 - 2c y c l o n ei i 设备p l l 的位置图展示了e p 2 c 1 5 至e p 2 c 7 0 设备的锁相环位 置以及时钟信号的输入，本设计选用的e p 2 c 5 q 2 0 8 芯片只有8 个全局时钟( c l k 0 3 】和 c l k 4 7 1 ) 以及p l l s1 和2 两个锁相环。每一个p l l 时钟可来源于四个单端输入或是两个 双端差分输入的一个。如果选择差分i o 标准，则需两个时钟管脚。例如c l k 0 和c l k l 脚 第一个功能是单端方式的时钟输入，而c l k 0 的第二个功能是差分时钟的l v d s c l k l p ，对 应c l k l 脚的第二功能是l v d s c l k ! n i l2 。本设计时钟的管理模块全部在f p g a 芯片内部完 1 2 第三章电气测试平台的硬件系统结构 成，为使外部时钟电路简单，故仅由一个2 0 m h z 的品振以单端输入方式提供工作所需基准 时钟信号。2 0 m h z 品振选用有源晶振，电源脚为3 3 v 。 包啦1 i i 圈 三三 三三 圉 o o r 1 t i b c u 唾o 3 ，o o i o d7 l o o 叩2 爿 i 甲il i v o 1 。1 1 t 8 il 吣峨， ll 刿 o x i t 2 。句 图3 2 c y c l o n ei i 设备p l l 位置图 在硬件电路板的设计上，由于基于数字电路的p l l 电路同时含有模拟成分，这些模拟 部分的电源v c c 和地必须与数字部分的分隔开，