智能儀器設(shè)計(jì)實(shí)例

內(nèi)容提要：一、背景和意義二、研究現(xiàn)狀三、技術(shù)指標(biāo)四、整體方案設(shè)計(jì)及工作原理五、波形數(shù)據(jù)的獲取六、硬件電路設(shè)計(jì)七、軟件設(shè)計(jì)一、背景和意義函數(shù)信號(hào)發(fā)生器是廣泛應(yīng)用于系統(tǒng)檢測(cè)調(diào)試、自動(dòng)測(cè)量控制和教學(xué)實(shí)驗(yàn)等領(lǐng)域的多波形信號(hào)源；可以產(chǎn)生正弦波、三角波、鋸齒波、方波等多種波形，由于其輸出的波形均可用數(shù)學(xué)函數(shù)描述，故命名為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器；函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在工業(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品開發(fā)、科學(xué)研究等實(shí)驗(yàn)測(cè)試中起著十分重要的作用，除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于生物醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域的測(cè)試。二、研究現(xiàn)狀信號(hào)發(fā)生的主要實(shí)現(xiàn)方法有直接模擬法和直接數(shù)字法兩種

1、直接模擬法：

采用模擬電子技術(shù)，由調(diào)諧振蕩器和調(diào)幅放大器加上一些指示電路構(gòu)成，僅能產(chǎn)生正弦波、三角波、方波等幾種簡(jiǎn)單的波形，其電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大且功耗大，并且頻率不高，由于模擬電路溫漂大而使得其波形穩(wěn)定性差，且難以產(chǎn)生精準(zhǔn)的頻率信號(hào)，不易調(diào)試。1、直接模擬法2、直接數(shù)字法

1971年，美國(guó)學(xué)者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold提出了以全數(shù)字技術(shù)，從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成原理。直接數(shù)字法是采用直接數(shù)字合成（DirectDigitalSynthesis）的方法實(shí)現(xiàn)信號(hào)產(chǎn)生。該技術(shù)具有頻率轉(zhuǎn)換速度快、頻率分辨率高、易于控制的突出優(yōu)點(diǎn)。直接數(shù)字合成技術(shù)近年來發(fā)展的很快，而要產(chǎn)生任意波形就必須采用直接數(shù)字合成技術(shù)。

2、直接數(shù)字合成法（2種直接數(shù)字合成結(jié)構(gòu)）1）、基于地址計(jì)數(shù)器的數(shù)字頻率合成法工作原理：將波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于存儲(chǔ)器中，而后用可程控的時(shí)鐘信號(hào)為存儲(chǔ)器提供掃描地址，波形數(shù)據(jù)被送至DAC，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換和低通濾波器后得到所需的模擬電壓波形。假定地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率為fosc，波形一周期內(nèi)有n個(gè)采樣值，那么合成的波形頻率為：如果改變地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率或存儲(chǔ)器的地址步進(jìn)大小，合成波形的頻率都會(huì)隨著改變。而要改變波形，只要在只讀存儲(chǔ)器中寫入不同的數(shù)據(jù)。2、基于相位累加器的直接數(shù)字合成法2、基于相位累加器的直接數(shù)字合成法核心是相位累加器，由一個(gè)加法器和一個(gè)相位寄存器組成，K是頻率控制字，也是相位增量或步長(zhǎng)；fclk是參考時(shí)鐘的頻率，N是相位累加器的位數(shù)，位寬是2N，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的是一個(gè)周期正弦波的數(shù)字幅度信息，每個(gè)地址對(duì)應(yīng)正弦波中0-360°范圍的一個(gè)相位點(diǎn)，存儲(chǔ)器共有2N個(gè)地址空間，即把360分割成2N份。每來一個(gè)時(shí)鐘fclk，相位累加器就把頻率控制字K與相位寄存器輸出的累加字相加，相加后得到的結(jié)果作為查詢表（ROM存儲(chǔ)器）的地址，同時(shí)把這個(gè)累加值再送到加法器作為下一次累加的輸入。相位累加器的輸出是一個(gè)等差數(shù)列，是相位累加器的初始值，n是參考時(shí)鐘的個(gè)數(shù)。2、基于相位累加器的直接數(shù)字合成法相位增量（頻率控制字）不同時(shí),一個(gè)周期內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)不同，相位寄存器每經(jīng)過2N/K個(gè)fclk時(shí)鐘后回到初始狀態(tài)，輸出信號(hào)的頻率是頻率控制字與輸出信號(hào)頻率和參考時(shí)鐘頻率之間的關(guān)系為：通過改變相位累加器的頻率控制字K或者參考時(shí)鐘頻率fclk來改變輸出信號(hào)的頻率。2、基于相位累加器的直接數(shù)字合成法工作原理：從連續(xù)信號(hào)的相位出發(fā)將信號(hào)取樣、量化、編碼,形成一個(gè)函數(shù)表,存在波形存儲(chǔ)器中。基于相位與幅度的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過改變頻率控制字K來改變相位累加器的相位增量,然后在參考時(shí)鐘的控制下取樣,取樣得到的相位值通過相位－幅度轉(zhuǎn)換得到相位值對(duì)應(yīng)的幅度序列,幅度序列再通過D/A轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電壓信號(hào)，D/A轉(zhuǎn)換器輸出的一系列的階梯電壓信號(hào)經(jīng)低通濾波器后便輸出了光滑的合成信號(hào)。

DDS相位碼和幅度碼的關(guān)系型

號(hào)最大工作(MHz)工作電壓（V）最大功耗（mw)備

注AD9832253.3/5120小型封裝，串行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。AD9831253.3/5120低電壓，經(jīng)濟(jì)，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。AD9833252.5～5.52010個(gè)管腳的uSOIC封裝。AD9834502.5～5.52520個(gè)管腳的TSSOP封裝并內(nèi)置比較器。AD9835505200經(jīng)濟(jì)，小型封裝，串行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。AD9830505300經(jīng)濟(jì)，并行輸入，內(nèi)置D/A轉(zhuǎn)換器。AD98501253.3/5480內(nèi)置比較器和D/A轉(zhuǎn)換器。AD98531653.3/51150可編程數(shù)字QPSK/16-QAM調(diào)制器。AD98511803/3.3/550內(nèi)置比較器、D/A轉(zhuǎn)換器和時(shí)鐘6倍頻器。AD98523003.31200內(nèi)置12位的D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器、線性調(diào)頻和可編程參考時(shí)鐘倍頻器。AD98543003.31200內(nèi)置12位兩路正交D/A轉(zhuǎn)換器、高速比較器和可編程參考時(shí)鐘倍頻器。AD985810003.32000內(nèi)置10位的D/A轉(zhuǎn)換器、150MHz相頻檢測(cè)器、充電汞和2GHz混頻器。高性能DDS單片電路三、技術(shù)指標(biāo)電壓輸出范圍：0～±10V精度：0.5%FS輸出波形：正方波、負(fù)方波、正負(fù)方波、階躍波、單三角波、連續(xù)三角波、鋸齒波、指數(shù)波、半正弦波、正弦波、任意波形（包括再現(xiàn)用戶實(shí)測(cè)采樣波形）輸出波形頻率范圍：0.12Hz～50kHz環(huán)境溫度：-10～50℃相對(duì)濕度：＜80％電源要求：可在無市電電源場(chǎng)合使用，電源噪聲小四、整體方案設(shè)計(jì)及工作原理1、整體設(shè)計(jì)方案：采用虛擬儀器技術(shù)、直接數(shù)字合成技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)設(shè)計(jì)并研制低成本、高精度、人機(jī)界面友好的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。此方案硬件實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單，電路中省去了單片機(jī)、液晶顯示以及按鈕等，節(jié)省儀器成本。2、工作原理：儀器工作過程完全由計(jì)算機(jī)通過USB接口來控制；用戶通過計(jì)算機(jī)軟面板輸入幅值、頻率、基線和占空比等波形參數(shù)，計(jì)算機(jī)接收這些信息，分析后計(jì)算出地址計(jì)數(shù)器時(shí)鐘信號(hào)的頻率和一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)，再計(jì)算波形幅度量化數(shù)據(jù)，通過接口電路和控制器把波形數(shù)據(jù)順序存儲(chǔ)到波形存儲(chǔ)器。利用可程控的時(shí)鐘發(fā)生器推進(jìn)地址計(jì)數(shù)器掃描地址，波形存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)被同步時(shí)鐘循環(huán)地讀出，同時(shí)啟動(dòng)D/A變換器，D/A變換器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過電壓跟隨器和低通濾波器即可得到所需要的模擬信號(hào)波形。四、整體方案設(shè)計(jì)及工作原理采用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)法，是通過選取標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)（如正弦函數(shù)，三角函數(shù)，方波函數(shù)，鋸齒波函數(shù)等）來得到波形數(shù)據(jù)的。當(dāng)波形的函數(shù)表達(dá)式已知時(shí)，利用軟件編程產(chǎn)生波形數(shù)據(jù)；波形數(shù)據(jù)是信號(hào)波形幅值的數(shù)字量表示，是指在規(guī)定的同步時(shí)鐘周期內(nèi)用“1”或“0”數(shù)字狀態(tài)來定義波形，即波形數(shù)字化。由于存儲(chǔ)器存儲(chǔ)容量有限，因此當(dāng)系統(tǒng)連續(xù)的輸出信號(hào)時(shí)，只能是周而復(fù)始地重復(fù)讀出存儲(chǔ)器中一部分或全部的波形抽樣數(shù)據(jù)。為了保證波形質(zhì)量，應(yīng)該使一個(gè)周期內(nèi)的存儲(chǔ)點(diǎn)數(shù)足夠多。

五、波形數(shù)據(jù)的獲取以正弦波為例說明波形數(shù)據(jù)是如何產(chǎn)生的。正弦波的函數(shù)表達(dá)式是：式中：Amp—輸出波形幅值，Base—輸出波形的基線，N—波形在一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)。其中Amp和Base是由用戶設(shè)定的，Amp和Base應(yīng)該滿足：0＜Amp≤10，－10≤Base≤10。公式1五、波形數(shù)據(jù)的獲取根據(jù)公式1，正弦波在一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)值是：再將f(i)按DAC的比特?cái)?shù)取整，從而得到：式中：n—數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的位數(shù)，n=16，INT—

取整函數(shù)五、波形數(shù)據(jù)的獲取每個(gè)周期共有N個(gè)點(diǎn)，式中：fosc是時(shí)鐘發(fā)生器頻率，fout是輸出波形頻率，由用戶設(shè)定，是已知量。雙極性工作方式五、波形數(shù)據(jù)的獲取把數(shù)值轉(zhuǎn)換成十六進(jìn)制數(shù)，依次寫入數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器中。當(dāng)?shù)刂酚?jì)數(shù)器在可程控時(shí)鐘發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)下開始計(jì)數(shù)時(shí)，就會(huì)依次選中存儲(chǔ)器中的0單元、1單元、……、N-1單元地址，從而將其中數(shù)據(jù)依次取出送到D/A變換器的數(shù)據(jù)線上，經(jīng)過轉(zhuǎn)換后，就能得到相應(yīng)幅值的模擬信號(hào)。五、波形數(shù)據(jù)的獲取當(dāng)?shù)刂酚?jì)數(shù)器計(jì)滿N個(gè)數(shù)時(shí)，就得到一個(gè)周期的正弦信號(hào)。然后計(jì)數(shù)器自動(dòng)清零，再?gòu)拇鎯?chǔ)器的0單元讀出數(shù)據(jù)送至D/A變換器，計(jì)數(shù)器循環(huán)往復(fù)不斷計(jì)數(shù)，即可得到連續(xù)的正弦波信號(hào)。為了保證波形質(zhì)量，應(yīng)該使一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)足夠多，所以電路中地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘頻率應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于用戶所需信號(hào)頻率。五、波形數(shù)據(jù)的獲取1、接口電路的設(shè)計(jì)2、控制器電路的設(shè)計(jì)3、波形發(fā)生電路的設(shè)計(jì)3.1時(shí)鐘電路3.2地址計(jì)數(shù)器電路3.3地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)清零電路3.4波形數(shù)據(jù)存取電路的設(shè)計(jì)3.5DA轉(zhuǎn)換電路3.6DAC的基準(zhǔn)電源電路4、模擬濾波器組電路5、電源管理電路六、硬件電路設(shè)計(jì)六、硬件電路設(shè)計(jì)1、接口電路的設(shè)計(jì)接口電路是計(jì)算機(jī)和函數(shù)信號(hào)發(fā)生器之間進(jìn)行信息交換的中轉(zhuǎn)站。接口電路具備執(zhí)行計(jì)算機(jī)命令的功能和電平匹配的功能。USB接口芯片選用的是CYPRESS公司的CY7C68013，它內(nèi)部集成了增強(qiáng)型8051內(nèi)核、智能USB串行接口引擎、USB數(shù)據(jù)收發(fā)器、通用串行接口、3個(gè)8位I/O口、16位地址線、8.5kBRAM和4kBFIFO等。接口電路由計(jì)算機(jī)的USB接口供電。接口電路輸出12個(gè)控制信號(hào)給后續(xù)電路。2、控制器電路的設(shè)計(jì)控制器電路實(shí)際上也是并行口的端口擴(kuò)展電路。電路中所需要的控制信號(hào)共有70多個(gè)，而USB接口芯片的I/O口有限，不能滿足電路的需要，因此需要將端口進(jìn)行擴(kuò)展。端口擴(kuò)展方法：用4/16譯碼器4514和鎖存器74HC373擴(kuò)展端口用控制信號(hào)作為譯碼器的輸出選擇信號(hào)，譯碼器的輸出作為鎖存器的選通信號(hào)。數(shù)據(jù)線連接到鎖存器電路的輸入端，作為共用的數(shù)據(jù)總線，鎖存器把數(shù)據(jù)端口發(fā)出的數(shù)據(jù)鎖存，當(dāng)鎖存器的選通信號(hào)被選中時(shí)，鎖存器的輸出管腳讀取鎖存的數(shù)據(jù)，這樣就產(chǎn)生了電路中所需的控制信號(hào)，控制信號(hào)同時(shí)被寫入控制點(diǎn)。

4個(gè)控制信號(hào)8個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)3、波形發(fā)生電路的設(shè)計(jì)時(shí)鐘發(fā)生電路為地址計(jì)數(shù)器提供時(shí)鐘信號(hào)。地址計(jì)數(shù)器產(chǎn)生波形存儲(chǔ)器的地址信號(hào)。波形存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)波形的量化數(shù)據(jù)；計(jì)算機(jī)通過控制器將波形量化數(shù)據(jù)寫入存儲(chǔ)器，再控制存儲(chǔ)器將存儲(chǔ)的波形數(shù)據(jù)經(jīng)地址掃描讀出，送到D/A轉(zhuǎn)換器，獲得輸出波形。3.1時(shí)鐘電路可編程的集成晶體振蕩器EXO3提供時(shí)鐘信號(hào)，F(xiàn)0=16MHz,EN高電平有效，第2腳輸出頻率3.2地址計(jì)數(shù)器電路5片4位二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74HC163組成片間快速進(jìn)位的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，512K的存儲(chǔ)器，512K=219

，19根地址線，A0-A18，3.3地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)清零電路波形存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的只是一個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)，波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在從零地址開始的存儲(chǔ)單元里。為了產(chǎn)生連續(xù)的完整的周期信號(hào)，需要存儲(chǔ)器地址推進(jìn)到波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元對(duì)應(yīng)的最后一個(gè)地址時(shí)，地址計(jì)數(shù)器自動(dòng)清零，再?gòu)牧愕刂烽_始重新讀出存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)，這樣波形數(shù)據(jù)被循環(huán)讀出，才能得到完整的連續(xù)的周期波形。3.4波形數(shù)據(jù)存取電路采用RAM作為波形存儲(chǔ)器是最方便的。波形存儲(chǔ)器用來存儲(chǔ)波形的量化數(shù)據(jù)。512K×8的高速CMOS靜態(tài)RAM,一片存儲(chǔ)高8位數(shù)據(jù)，另一片存儲(chǔ)低8位數(shù)據(jù)，地址線共用。該存儲(chǔ)器功耗低，單電源供電，讀寫時(shí)序簡(jiǎn)單，易于程序控制。

讀時(shí)序?qū)憰r(shí)序3.4波形數(shù)據(jù)存取電路3.5DA轉(zhuǎn)換電路采用16bit的DAC：AD669。該DAC的輸出電壓范圍可編程設(shè)定，單極性輸出范圍是0～10V,雙極性是-10～+10V。內(nèi)帶兩級(jí)緩沖寄存器，這樣可以消除數(shù)據(jù)抖動(dòng)誤差。波形數(shù)據(jù)的二進(jìn)制代碼以16位并行方式寫入，雙極性輸出時(shí)，數(shù)據(jù)代碼為0000H，對(duì)應(yīng)的模擬輸出為-10V,輸入代碼為8000H，模擬輸出為0V，輸入代碼為FFFFH，模擬輸出為+10V。該芯片溫漂小，工作溫度范圍是－40～＋85℃。D/A轉(zhuǎn)換電路中它是雙極性輸出，由另一片單極性輸出的DAC為其提供精密參考電壓，以實(shí)現(xiàn)輸出波形的幅值控制。3.5DA轉(zhuǎn)換電路3.6DAC的基準(zhǔn)電源電路采用一片DAC的輸出作為波形DAC的基準(zhǔn)電壓，是單極性輸出，輸出電壓可編程設(shè)定，輸出范圍是0～10V，輸出電壓可以微調(diào)。如果信號(hào)輸出幅值是5V，則波形DAC的基準(zhǔn)電壓就是5V，利用軟件調(diào)整基準(zhǔn)電壓來實(shí)現(xiàn)輸出波形的幅值控制。采用雙DAC結(jié)構(gòu)能夠保證DAC的16位分辨率，提高儀器的精度。

4、模擬濾波器組電路設(shè)計(jì)采用3個(gè)濾波器組成的濾波器組完成輸出頻率范圍內(nèi)周期性信號(hào)的濾波。輸出頻率小于1kHz的周期信號(hào)由濾波器1濾波，1kHz到10kHz頻率范圍的周期信號(hào)由濾波器2濾波，10kHz到50kHz頻率范圍的周期信號(hào)由濾波器3濾波，其它信號(hào)直接輸出。采用的是四階低通濾波器，由兩個(gè)二階無限增益多路反饋低通濾波器串聯(lián)起來構(gòu)成。四階低通濾波器的放大倍數(shù)是1倍。當(dāng)用戶設(shè)定了輸出波形的頻率后，計(jì)算機(jī)控制開關(guān)自動(dòng)選擇一組濾波器濾波。

OPA2132是供電范圍是-15V～+15V的雙運(yùn)放5、電源管理電路+15V——7815；-15V——7915；+5V——7805，LP2985七、軟件設(shè)計(jì)開發(fā)環(huán)境：以VisualBasic6.0作為軟件開發(fā)平臺(tái)。VisualBasic引用了Windows的三大核心技術(shù),即可視化技術(shù)、面向?qū)ο蟮姆椒ê褪录?qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)。它具有可視性、方便性及較強(qiáng)的交互能力，是一種完全面向?qū)ο?、功能?qiáng)大的開發(fā)工具，它還是一個(gè)功能強(qiáng)大的集成開發(fā)環(huán)境，應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)、調(diào)試、編譯以及幫助的獲得都可以在VisualBasic環(huán)境中完成。軟面板設(shè)計(jì)謝謝！附錄資料：不需要的可以自行刪除防曬霜生產(chǎn)工藝配方油相

A

硬脂酸5％十八醇2.5％棕櫚酸異丙酯1.5％凡士林5％防腐劑適量B石蠟油6％硅油Gy-2603.5％防曬劑POS-21％VE適量ME-40適量水相A鈦白粉3.5％丙二醇3％B三乙醇胺1％二氧化鈦其透過率小于氧化鋅。對(duì)紫外線有散射作用,能減小紫外線對(duì)人體皮膚的幅射。覆蓋力優(yōu)良,增白皮膚。但涂抹性與透氣性均差。加入量大于等于５％時(shí),增白色澤不自然,固選用百分3.5。丙二醇丙二醇在化妝品中作濕潤(rùn)劑、保濕劑。三乙醇胺三乙醇胺在化妝品中還具有中和劑的作用，從而達(dá)到增稠和保濕的作用。硬脂酸

硬脂酸用于護(hù)膚品中起乳化作用，從而使其變成穩(wěn)定潔白的膏體。十八醇化妝品中作為基質(zhì)原料中的乳化劑、增稠劑應(yīng)用棕櫚酸異丙酯具有優(yōu)良的保濕和滋潤(rùn)皮膚作用。皮膚對(duì)本品的吸收性很好，能在皮層內(nèi)與毛囊有效接觸，滲入皮層深處，并將化妝品中的活性組分帶入，充分發(fā)揮有效成分的作用。作為化妝品溶劑及皮膚保濕劑、滲透劑。凡士林凡士林作為一種傳統(tǒng)的化妝品原料,它在皮膚角質(zhì)層表面形成一種隔離膜,具有防止皮膚表面水份減少的作用