智能函数波形发生器的设计与实现.doc

智能函数波形发生器专业名称： 电子信息工程 学生姓名： 檀丽 班级学号： 9312110116 指导教师： 王宽 王枫 实习日期： 2013年9月23日至12月3日 智能函数波形发生器的设计与实现檀丽（河北科技师范学院 电子信息工程1101）摘要：波形发生器是电子技术领域中常见的信号源之一，在测量、自动控制、通信、广播和热处理等很多技术领域有着广泛的应用。波形发生器有产生三种或多种波形的波形发生器，使用的器件可以是分立器件，也可以采用集成电路。 波形发生器可以产生方波、三角波、正弦波、负向锯齿波和正向锯齿波。在电路中，我们采用了成运放，从而是波形的质量、幅值和频率的稳定性等性能指标有了很大的改善。电路的震荡频率在014.7KH之间连续可调，并且通过改变电路中的电位器，可以改变方波信号发生器的频率。近年来，自动控制技术的发展十分迅速，自动控制的普及率越来越高，在各行各业中得到了广泛的应用。在自动控制系统中，经常需要进行性能的测试以及信息的传送。这些都离不开一定的波形作为测试和传送的依据。而在模拟系统中，经常用到的波形除了正弦波震荡电路外，还有矩形波，锯齿波和三角波等。关键词:智能/函数波形发生器/多功能/多时域1、 波形发生器发展史信号波形发生器是一种最悠久的测量仪器，早在20年代电子设备刚出现时它就产生了。随着通信和雷达技术的发展，40年代出现了主要用于测试各种接收机的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器发展成定量分析的测量仪器。同时还出现了可用来测量脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。由于早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单，因此发展速度比较慢。直1964年才出现第一台全晶体管的信号发生器。自60年代以来信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器，这个时期的信号发生器多采用模拟电子技术，由分立元件或模拟集成电路构成，其电路结构复杂，且仅能产生正弦波、方波、锯齿波和三角波等几种简单波形，由于模拟电路的漂移较大，使其输出的波形的幅度稳定性差，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价格贵、功耗大等缺点，并且要产生较为复杂的信号波形则电路结构非常复杂。自从70年代微处理器出现以后，利用微处理器、模数转换器和数模转换器，硬件和软件使信号发生器的功能扩大，产生比较复杂的波形。这时期的信号发生器多以软件为主，实质是采用微处理器对DAC的程序控制，就可以得到各种简单的波形。软件控制波形的一个最大缺点就是输出波形的频率低，这主要是由CPU的工作速度决定的，如果想提高频率可以改进软件程序减少其执行周期时间或提高CPU的时钟周期，但这些办法是有限度的，根本的办法还是要改进硬件电路。随着现代电子、计算机和信号处理等技术的发展，极大促进了数字化技术在电子测量仪器中的应用，使原有的模拟信号处理逐步被数字信号处理所代替，从而扩充了仪器信号的处理能力，号发生器随之发展起来。2、 波形的获取观察电信号随时间变化的示波器最初完全是模拟式仪器，模拟示波器接受模拟信号的输入，并以模拟形式显示信息。这种模拟示波器曾经广泛应用与各个领域。随着半导体器件的发展和数字处理技术的发展，数字示波器成为了主流。3、 从并行到串行过去的嵌入式设计通常采用并体式结构，这意味着每个总线组成部分都有自己的路径。因此，只要您可以使用码型触发或状态触发找出感兴趣的事件，就可以直观的解码总线上的数据。4、 多时域测量在多媒体、网络及机械电子等相关设备的开发中，被测量的信号不再是简单重复的波形，而且常常包含着连续的信。这种信号的实例包括光盘信号，二以及各种其他串行总线信号。多数情况下这种信号属于多时域信号。信号具有多种不同周期的成分，具有多重时间轴。5、 便携性以往，性能高的示波器体积都比较庞大，便于携带的示波器又性能不高，而用户只能选择二者其一。且通常情况下，闪速转换器用于高速A/D转换，但原理上也要求比较器也具有同样多的位数，这就出现了电路规模大功率消耗高的缺点。A/D转换器是决定波形测量仪器产品规格的重要因素。开发低功耗的高速A/D转换器一直是人民多年来的梦想。随着级联式结构的A/D转换器的开发，梦想终于成真。6、 数据处理功能在追求波形获取仪器的便携性的同时，强大的数据处理功能也是未来发展的一大主流趋势。为实现这一功能，需要使用强大的数据处理电路，这也依靠于半导体技术的进步以及在结构方面的改进。7、 实用性随着智能化的普及，示波器也需要多种智能功能。比如数学函数，波形放大，滚动，数据存储和加载功能。从这个角度来讲，数字示波器还有很多的发展空间。对于前述的多时域测量，不仅提供大内存的波形捕获功能，而且允许用户再不丢失整体和部分的波形关系的情况下滚动显示数据，并使滚动操作和显示更新的响应时间尽可能短。8、 波形的产生由于受DAC转换速度和固有特性的限制，采用数字采样技术产生波形的最高频率和频谱纯度都较低，其应用收到一定的限制。但由于传统信号的产生方式难以穷尽测试所需的千差万别的复杂波形，数字取样技术在任意波形产生过程中成为不可替代的选择，其核心是数字直接频率合成（DDS）技术。基于DDS技术产生任意波形产生技术具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换是保持联系等特点，在通信、雷达及对抗等领域得到了广泛的应用。高性能任意波形发生器能够生成或复制理想的、无失真现实信号，产生具有噪声和抖动、预加重、高电平、宽带RF和快速变化等特性的信号，在设计和测试流程中至关重要。为了在保证信号质量的前提下降低查找表的规格，针对正弦信号的产生，各国学者广泛研究了各种波形压缩算法，如Nicholas提出来基于数字化的方法、CODRIC算法、泰勒级数近似、双三角形近似等。在大容量波形存储技术方面，由于SRAM速度和容量限制，SDRAM成为一种有效的选择，但对高速应用存储控制的复杂度将大幅提高。波形存储容量的扩大对某些特殊波形而言始终是有限的，而且要折衷考虑实现代价。因此，如何在存储能量有限的情况下有效扩展波形深度（时间）成为任意波形发生器中一项重要的实现技术，这就是波形序列合成技术。在任意波形调制方面，幅度和频率调制传统上都采用模拟方法实现，但是数字调制具有调制精度高，控制灵活等特点。而且DDS技术本身就是一种基于数字化的技术，具有实现数字调制的先天优势。现在以微处理器为基础的任意波形发生器可通过键盘输入方程式或从图形板描绘曲线来建立复杂的波形是一种有代表性的任意波形发生器的方块图，用户键入描述波形的数据样点或方程式，或者从外部的源装数据。CPU把方程式或数据存储器，然后CPU计算波形样点并传送样点数据刊输出波形输出存储器。9、 任意波形发生器波形发生器的发展趋势是更高取样率，更高分辨率和更大存储量。目前实时宽带超过1GHz的产品比较少，而且分辨率只有8位，不能满足快速发展的移动通讯和高速网络的潮流需要。与数字示波器相比，任意波形发生器的全面指标存在明显差异，前者的取样率达到20GS/s和宽带6GHz，后者的取样率是4.8GS/s，和宽带2GHz，任意波形发生器首先要赶上数字存储示波器，然后再往前发展，因为在电路构成方面，任意波形发生器的核心部件是告诉数/模转换器，它的工艺潜力还很大，显然缺少的市场需求。10、 输出频率波形的提高较新的波形发生器已能提供MHz频率的波形，从而打来了诸如通讯、计算机和显示等应用领域。提高任意波形发生器的输出频率，需要高速的存储器和高速的D/A转换器。11、 更方便的波形输入任意波形发生器软件技术的开发正使任意波形的输入变得更加方便和容易。AWGs通常用一系列的点、直线，或固定的函数段把波形数据输入存储器。任意波形发生器可以用这些方法，同时可以用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的复合成V=f（t）形式的波形方程的数学表达式产生。12、 总结以高速数字取样为核心的时域测试正在成为现代电子测试技术的主流方向，波形的产生与获取也不例外。但由于受原理、器件等因素的限制，基于采样的波形的产生与获取技术面临着如何不断提高采样率和采样精度，如何可能提高波形质量，如何进行高速波形大容量存储等诸多难题。13、 参考文献【1】 许庆山等编 电路、信号与系统【M】 北京：航空工业出版社，2002,22-56【2】 相迎军，李兴成，李传军 基于AT89C