微型虛擬任意信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)課件

微型虛擬任意信號發(fā)生器的設(shè)計與實現(xiàn)內(nèi)容提綱研究意義及現(xiàn)狀系統(tǒng)設(shè)計方案硬件系統(tǒng)設(shè)計軟件系統(tǒng)設(shè)計任意信號發(fā)生器測試效果一、研究意義及現(xiàn)狀傳統(tǒng)信號發(fā)生器

正弦波信號源函數(shù)發(fā)生器脈沖發(fā)生器掃描發(fā)生器針對特定應(yīng)用產(chǎn)生波形種類有限波形不可編程儀器發(fā)展歷史GPIB分立儀器虛擬儀器美國NI公司虛擬測試系統(tǒng)軟硬件產(chǎn)品目標——吉林大學虛擬實驗室LabViewCCURLCSCOPEWEBDAQAWG設(shè)計思想USB電纜VC軟件LabVIEW或LabScenePC或筆記本產(chǎn)生波形硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖DDS波形產(chǎn)生模塊CPLD邏輯控制模塊USB接口通信模塊任意波形產(chǎn)生模塊微控制器89S52放大濾波模塊三、硬件系統(tǒng)開發(fā)DDS波形產(chǎn)生模塊設(shè)計任意波形產(chǎn)生模塊設(shè)計USB通信接口設(shè)計3.1.1直接頻率合成(DDS)原理直接頻率合成技術(shù)（DDS）參考頻率源D/A轉(zhuǎn)換器正弦波形存儲器低通濾波器頻率累加器根據(jù)奈奎斯特采樣定律將一個正弦信號取樣、量化、編碼，形成一個正弦函數(shù)表存于EPROM中，通過改變相位累加器的頻率控制字來改變相位增量，并將變化的相位/幅值量化的數(shù)字信號通過Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換器及低通濾波器即可得到合成的模擬信號。

信號輸出頻率控制字3.1.2DDS波形成產(chǎn)方案選擇方案一：根據(jù)DDS原理，用EEPROM存儲器、高精度D/A再配以CPLD的控制時序?qū)崿F(xiàn)；

缺點：成本高、調(diào)試難度大、開發(fā)周期長方案二：根據(jù)系統(tǒng)需要，選擇合適的DDS芯片，配以簡單的外圍電路實現(xiàn)；可大大縮短開發(fā)周期3.1.3DDS波形產(chǎn)生電路AD公司提供的DDS芯片，內(nèi)部包括32位相位累加器、正弦查詢表、高性能DAC、高速比較器和濾波器，能實現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時鐘發(fā)生器，其最高時鐘源可達125M；32bits頻率控制字,5bit相位調(diào)制,簡化的控制接口,并行或串行輸入形式。3.2任意波形產(chǎn)生模塊設(shè)計任意波形產(chǎn)生原理任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計 D/A轉(zhuǎn)換控制電路 D/A基準電壓產(chǎn)生模塊 波形數(shù)據(jù)存取電路 CPLD控制電路 波形處理模塊

3.2.1任意波形產(chǎn)生原理利用計算機產(chǎn)生所需信號的波形數(shù)據(jù)，存入波形數(shù)據(jù)存儲器，在CPLD的控制下同時選通存儲器和Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換器,在兩者之間建立直接的數(shù)據(jù)通道,使存儲器相應(yīng)單元中的波形數(shù)據(jù)傳送給Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生具有一定幅度、頻率、相位的模擬波形。波形頻率由CPLD的時鐘信號決定。CPLD的時鐘信號由AD9850提供。3.2.2任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換器的選擇 D/A轉(zhuǎn)換器是整個系統(tǒng)的核心器件，波形信號的質(zhì)量取決于其分辨率和數(shù)據(jù)輸出速率。其制約關(guān)系為： 1.D/A的分辨率越高，則高次諧波的分量越?。?2.一周期的數(shù)據(jù)點數(shù)越多，模擬信號越平滑； 3.一周期數(shù)據(jù)點數(shù)多，則信號所能達到的最高頻率則降低； 4.D/A的輸出速率越高，波形平滑度越好，一般情況下并行D/A的輸出速率高，但是占用的I/O也多；綜合上述因素，本設(shè)計采用了MAXIM公司的MAX5541，它是16位D/A，電壓輸出，10MHz三線式串行總線接口，1us的信號建立時間。3.2.2任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計D/A轉(zhuǎn)換控制電路 由CPLD控制完成，包括：16位并行數(shù)據(jù)16位串行數(shù)據(jù)3線接口時序16位串行數(shù)據(jù)16位并行數(shù)據(jù)8位并行數(shù)據(jù)D/A轉(zhuǎn)換控制電路的具體實現(xiàn)1.采用狀態(tài)機機制(定義狀態(tài)ss：start,send16,over)2.定義16進制計數(shù)器counter163.counter16.clock=clk;ss.clk=clk;CPLD仿真——并串轉(zhuǎn)換及3線接口時序產(chǎn)生3.2.2任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計D/A基準電壓產(chǎn)生模塊 選擇美國國家半導(dǎo)體公司的LM4040-2.5作為MAX5541工作時的基準點壓（5V）；它采用小封裝TO-92，不需外接電容，電路連接簡單；3.2.2任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計CPLD控制電路

選擇ALTERA公司的EPM7128。采用MAXPLUS-2的圖形語言和AHDL語言相結(jié)合的方式對其編程實現(xiàn)控制邏輯。

CPLDAD9850控制模塊波形數(shù)據(jù)存取模塊DA轉(zhuǎn)換控制模塊譯碼模塊其他模塊3.2.2任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計CPLD關(guān)鍵電路仿真時序Clk：DDS提供的時基信號；frame_start為轉(zhuǎn)換控制門信號；da_ram_nrd：SRAM讀信號有效；m_addr_frame：地址發(fā)生器讀數(shù)據(jù)階段的時鐘信號；Start：預(yù)備態(tài)r0h、r0l：從SRAM讀出數(shù)據(jù)wait_da：進行D/A轉(zhuǎn)換3.2.3波形處理模塊模擬開關(guān)運放運放ARB波形DDS波形信號輸出考慮到任意波形發(fā)生器產(chǎn)生信號的可變性，本模塊沒有設(shè)計濾波電路；3.3.1USB接口介紹USB是英文UniversalSerialBus的縮寫，中文含意是：通用串行總線。特點：即插即用低功耗總線供電多種速度模式多種設(shè)備類價格低廉3.3.2USB硬件開發(fā)USB接口控制電路設(shè)計

帶微控制器的USB接口芯片

（EZ-USB）

方案選擇

不帶微控制器的USB接口芯片 （PDIUSBD12）

USB固件程序開發(fā)選用PDIUSBD12+MCU89S52

PDIUSBD12特點符合串行總線(USB)1.1版協(xié)議規(guī)范集成了SIE、FIFO存儲器、收發(fā)器與任何外部微控制器實現(xiàn)高速并行接口具有良好的EMI特性的總線供電能力在掛起時可控制LazyClock輸出可通過軟件控制與USB的連接符合ACPI、OnNOW和USB電源管理要求內(nèi)部上電復(fù)位和低壓復(fù)位電路雙電源操作主端點的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)傳輸USB設(shè)計硬件原理圖3.3.3USB固件程序開發(fā)固件框架采用模塊化結(jié)構(gòu)，由KeilC開發(fā)主循環(huán)：發(fā)送USB請求、處理USB總線事件和用戶功能處理等中斷服務(wù)程序協(xié)議請求處理底層命令接口硬件提取層主循環(huán)保持的讀指針

前臺主循環(huán)程序后臺中斷服務(wù)程序保持的寫指針循環(huán)數(shù)據(jù)區(qū)前后臺工作原理固件采用前后臺工作的編程思想，D12每發(fā)生一次中斷，后臺中斷服務(wù)程序改變相應(yīng)的事件標志位，前臺主程序不斷檢測事件標志位狀態(tài)，完成相應(yīng)功能。開始初始化資源循環(huán)DDS模式Y(jié)NNNY主程序流程DDS波形產(chǎn)生ARB波形產(chǎn)生處理命令RAM寫數(shù)據(jù)ARB模式其他命令Y四、軟件系統(tǒng)設(shè)計PC驅(qū)動程序開發(fā)USB應(yīng)用程序設(shè)計思想DLL動態(tài)連接庫的開發(fā)LabVIEW設(shè)備節(jié)點的開發(fā)4.1PC驅(qū)動程序開發(fā)驅(qū)動程序工作在核心態(tài)下，介于應(yīng)用軟件和設(shè)備硬件之間驅(qū)動程序作用驅(qū)動程序

應(yīng)用軟件

WDMVXD驅(qū)動程序模型VXDWDMNT

改進

Win98WinNT98/NT/2000/XP支持PNP、電源管理、WMI1、即插即用查找設(shè)備INF安裝驅(qū)動程序2、適合Win98Win2000/xp1、驅(qū)動程序查找設(shè)備，安裝程序。2、適合于Win98/NT1、IRP結(jié)構(gòu)2、電源管理3、分層驅(qū)動模型4、Windows管理診斷(WMI)WDM驅(qū)動程序NT驅(qū)動程序WDM驅(qū)動模型特點UserApplicationsWin32APICallSystemServicesI/OManagerIRPDRIVERHardwareAbstractionLayer核心態(tài)分層用戶態(tài)WDM模型介紹驅(qū)動程序開發(fā)工具介紹VisualC++DDKDRIVERSTUDIOWINDRIVER難！方法二方法一寄生USB設(shè)備驅(qū)動程序四大例程事務(wù)即插即用例程，完成自動識別USB設(shè)備，實現(xiàn)硬件資源分配和再分配，主要包括I/O端口、硬件中斷號等。電源管理例程，完成電源策略管理，決定什么時候應(yīng)該采用何種電源策略。設(shè)備控制例程，負責設(shè)備的控制，主要是指對設(shè)備的一些操作命令的發(fā)送或者一些標志的讀取。用戶自己定義功能碼，上層應(yīng)用軟件功能碼必須和驅(qū)動程序保持一致。數(shù)據(jù)讀寫例程，完成上層應(yīng)用軟件API函數(shù)所對應(yīng)的打開設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、讀設(shè)備和寫設(shè)備等例程函數(shù)。4.2USB應(yīng)用軟件設(shè)計思想采用Win32API函數(shù)和驅(qū)動程序建立聯(lián)系。實現(xiàn)上層應(yīng)用軟件的相應(yīng)功能。常用訪問硬件的API函數(shù)有：CreatFile()：打開驅(qū)動程序，獲取設(shè)備句柄ReadFile()：獲取數(shù)據(jù)WriteFile()：向設(shè)備寫數(shù)據(jù)ControlIoDevice()：實現(xiàn)與外圍設(shè)備之間的讀寫操作CloseFile()：關(guān)閉設(shè)備應(yīng)用軟件開發(fā)工具選擇MFC+APIGraphicalProgrammingLabWindows/CVI發(fā)展方向虛擬儀器軟件平臺應(yīng)用軟件功能框圖模式選擇USB讀寫用戶界面波形選擇頻率設(shè)定波形選擇頻率設(shè)定讀取USB數(shù)據(jù)發(fā)送USB數(shù)據(jù)識別USB設(shè)備幅度設(shè)定模式選擇模式選擇點數(shù)設(shè)定波形顯示基于VC++6.0平臺開發(fā)VC開發(fā)環(huán)境使用相對復(fù)雜，需要花大量時間開發(fā)應(yīng)用程序界面，界面開發(fā)遠不如Labview便捷、美觀，但是對于理解應(yīng)用程序工作機理大有好處。MFC類庫Win32API基于LabVIEW平臺開發(fā)應(yīng)用程序軟件NI軟硬件產(chǎn)品自定義設(shè)備LabVIEW不支持，用戶需要開發(fā)LabVIEW驅(qū)動融入DLL調(diào)用訪問驅(qū)動用戶態(tài)核心態(tài)LabviewCLF接口控件設(shè)備LABVIEW編程基于LabVIEW平臺的虛擬任意波形發(fā)生器4.3DLL動態(tài)連接庫的開發(fā)開發(fā)動態(tài)連接庫是開發(fā)基于VC或者基于LabVIEW應(yīng)用軟件的首要任務(wù)?？梢圆捎肰C++6.0DLL動態(tài)連接庫向?qū)ч_發(fā)。USBDLL動態(tài)連接庫開發(fā)的USBDLL動態(tài)連接庫包括三個文件：SignalUsb.DLLSignalUsb.LIB其主要函數(shù)有如下4個：UINTModeSelect(BOOLmodeflag,floatf_freq,UINTf_number);用來選擇波形的模式UINTWaveGenerate(unsignedchar*pcIoBuffer,UINTf_number);用來向usb寫波形數(shù)據(jù)，以產(chǎn)生波形；UINTFreqChang(floatfreq,UINTf_number);用來改變波形頻率UINTStopWave();用來停止波形

4.4LabVIEW節(jié)點開發(fā)通過動態(tài)連接庫調(diào)用節(jié)點訪問設(shè)備的動態(tài)連接庫，實現(xiàn)設(shè)備的訪問。CLF節(jié)點的使用USB節(jié)點程序生成的USB節(jié)點五、示波器測試結(jié)果任意波形發(fā)生器板卡實物圖任意波形發(fā)生器實測指標波形頻率： ARB模式：0.01Hz(DC)~160KHz（點數(shù)為8） DDS模式