微型虛擬任意信號(hào)發(fā)生器新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

微型虛擬任意信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)內(nèi)容提綱研究意義及現(xiàn)狀系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)任意信號(hào)發(fā)生器測(cè)試效果一、研究意義及現(xiàn)狀傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器

正弦波信號(hào)源函數(shù)發(fā)生器脈沖發(fā)生器掃描發(fā)生器針對(duì)特定應(yīng)用產(chǎn)生波形種類(lèi)有限波形不可編程研究意義及現(xiàn)狀虛擬任意波形發(fā)生器綜合其他信號(hào)源產(chǎn)生波形能力產(chǎn)生波形可編程控制適用于各種仿真試驗(yàn)、教學(xué)實(shí)驗(yàn)等儀器發(fā)展歷史GPIB分立儀器虛擬儀器美國(guó)NI公司虛擬測(cè)試系統(tǒng)軟硬件產(chǎn)品目標(biāo)——吉林大學(xué)虛擬實(shí)驗(yàn)室LabViewCCURLCSCOPEWEBDAQAWG二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)指標(biāo)USB通信接口，實(shí)現(xiàn)即插即用無(wú)需外部電源，工作電流〈500mA

具有DDS模式和ARB模式；波形頻率0.01Hz(DC)~80KHz(ARB模式點(diǎn)數(shù)為8)0.01Hz(DC)~1MHz(DDS模式)。頻率分辨率：0.01HZ波形存貯容量：32K

垂直分辨率：16位波形幅度：0~2.5Vpp微型，80mm*70mm采用LabVIEW或者LabScene作為上層軟件設(shè)計(jì)思想U(xiǎn)SB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(jì)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(kāi)發(fā)DDS波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)任意波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)USB通信接口設(shè)計(jì)3.1DDS波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)直接頻率合成（DDS）原理DDS波形成產(chǎn)方案選擇DDS波形產(chǎn)生電路直接頻率合成(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(chǔ)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(gè)正弦信號(hào)取樣、量化、編碼，形成一個(gè)正弦函數(shù)表存于EPROM中，通過(guò)改變相位累加器的頻率控制字來(lái)改變相位增量，并將變化的相位/幅值量化的數(shù)字信號(hào)通過(guò)Ｄ/Ａ轉(zhuǎn)換器及低通濾波器即可得到合成的模擬信號(hào)。

信號(hào)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(chǔ)器、高精度D/A再配以CPLD的控制時(shí)序?qū)崿F(xiàn)；

缺點(diǎn)：成本高、調(diào)試難度大、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)方案二：根據(jù)系統(tǒng)需要，選擇合適的DDS芯片，配以簡(jiǎn)單的外圍電路實(shí)現(xiàn)；可大大縮短開(kāi)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(xún)表、高性能DAC、高速比較器和濾波器，能實(shí)現(xiàn)全數(shù)字編程控制的頻率合成器和時(shí)鐘發(fā)生器，其最高時(shí)鐘源可達(dá)125M；32bits頻率控制字,5bit相位調(diào)制,簡(jiǎn)化的控制接口,并行或串行輸入形式。

W_CLK、FQ_UD控制信號(hào)由CPLD內(nèi)部產(chǎn)生；

總線DATA在W_CLK上升沿將數(shù)據(jù)裝入寄存器，40位需重復(fù)5次。最后在FQ_UD上升沿把40位數(shù)據(jù)從輸入寄存器裝入到頻率、相位及控制數(shù)據(jù)寄存器控制數(shù)據(jù)寄存器。并行裝入方式的時(shí)序圖3.2任意波形產(chǎn)生模塊設(shè)計(jì)任意波形產(chǎn)生原理任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)

D/A轉(zhuǎn)換控制電路

D/A基準(zhǔn)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

任意波形產(chǎn)生原理利用計(jì)算機(jī)產(chǎn)生所需信號(hào)的波形數(shù)據(jù)，存入波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，在CPLD的控制下同時(shí)選通存儲(chǔ)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(chǔ)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(shí)鐘信號(hào)決定。CPLD的時(shí)鐘信號(hào)由AD9850提供。任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換器的選擇

D/A轉(zhuǎn)換器是整個(gè)系統(tǒng)的核心器件，波形信號(hào)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(diǎn)數(shù)越多，模擬信號(hào)越平滑；

3.一周期數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)多，則信號(hào)所能達(dá)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(jì)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(hào)建立時(shí)間。任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)D/A轉(zhuǎn)換控制時(shí)序任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)1.采用狀態(tài)機(jī)機(jī)制(定義狀態(tài)ss：start,send16,over)2.定義16進(jìn)制計(jì)數(shù)器counter163.counter16.clock=clk;ss.clk=clk;CPLD仿真——并串轉(zhuǎn)換及3線接口時(shí)序產(chǎn)生任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)D/A基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生模塊 選擇美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的LM4040-2.5作為MAX5541工作時(shí)的基準(zhǔn)點(diǎn)壓（5V）；它采用小封裝TO-92，不需外接電容，電路連接簡(jiǎn)單；任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)波形數(shù)據(jù)存取電路地址發(fā)生器由15位計(jì)數(shù)器充當(dāng)SRAM地址發(fā)生器AD[14..0]SRAM寫(xiě)信號(hào)讀CLK單片機(jī)數(shù)據(jù)至D/A并/串電路clr任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)CPLD控制電路

選擇ALTERA公司的EPM7128。采用MAXPLUS-2的圖形語(yǔ)言和AHDL語(yǔ)言相結(jié)合的方式對(duì)其編程實(shí)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任意波形產(chǎn)生電路設(shè)計(jì)CPLD關(guān)鍵電路仿真時(shí)序Clk：DDS提供的時(shí)基信號(hào)；frame_start為轉(zhuǎn)換控制門(mén)信號(hào)；da_ram_nrd：SRAM讀信號(hào)有效；m_addr_frame：地址發(fā)生器讀數(shù)據(jù)階段的時(shí)鐘信號(hào)；Start：預(yù)備態(tài)r0h、r0l：從SRAM讀出數(shù)據(jù)wait_da：進(jìn)行D/A轉(zhuǎn)換3.2.3波形處理模塊模擬開(kāi)關(guān)運(yùn)放運(yùn)放ARB波形DDS波形信號(hào)輸出考慮到任意波形發(fā)生器產(chǎn)生信號(hào)的可變性，本模塊沒(méi)有設(shè)計(jì)濾波電路；3.3USB通信接口設(shè)計(jì)USB接口介紹USB硬件開(kāi)發(fā)USB固件程序開(kāi)發(fā)3.3.1USB接口介紹USB是英文UniversalSerialBus的縮寫(xiě)，中文含意是：通用串行總線。特點(diǎn)：即插即用低功耗總線供電多種速度模式多種設(shè)備類(lèi)價(jià)格低廉3.3.2USB硬件開(kāi)發(fā)USB接口控制電路設(shè)計(jì)

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(kāi)發(fā)選用PDIUSBD12+MCU89S52

PDIUSBD12特點(diǎn)符合串行總線(USB)1.1版協(xié)議規(guī)范集成了SIE、FIFO存儲(chǔ)器、收發(fā)器與任何外部微控制器實(shí)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(shí)可控制LazyClock輸出可通過(guò)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(diǎn)的雙緩沖配置增加了數(shù)據(jù)吞吐量并輕松實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸U(kuò)SB設(shè)計(jì)硬件原理圖3.3.3USB固件程序開(kāi)發(fā)固件框架采用模塊化結(jié)構(gòu)，由KeilC開(kāi)發(fā)主循環(huán)：發(fā)送USB請(qǐng)求、處理USB總線事件和用戶(hù)功能處理等中斷服務(wù)程序協(xié)議請(qǐng)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(tái)主循環(huán)程序后臺(tái)中斷服務(wù)程序保持的寫(xiě)指針循環(huán)數(shù)據(jù)區(qū)前后臺(tái)工作原理固件采用前后臺(tái)工作的編程思想，D12每發(fā)生一次中斷，后臺(tái)中斷服務(wù)程序改變相應(yīng)的事件標(biāo)志位，前臺(tái)主程序不斷檢測(cè)事件標(biāo)志位狀態(tài)，完成相應(yīng)功能。開(kāi)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(xiě)數(shù)據(jù)ARB模式其他命令Y四、軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)PC驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)USB應(yīng)用程序設(shè)計(jì)思想DLL動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的開(kāi)發(fā)LabVIEW設(shè)備節(jié)點(diǎn)的開(kāi)發(fā)4.1PC驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)驅(qū)動(dòng)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(dòng)程序作用

驅(qū)動(dòng)程序

應(yīng)用軟件WDMVXD驅(qū)動(dòng)程序模型VXDWDMNT

改進(jìn)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(dòng)程序2、適合Win98Win2000/xp1、驅(qū)動(dòng)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(dòng)模型4、Windows管理診斷(WMI)WDM驅(qū)動(dòng)程序NT驅(qū)動(dòng)程序WDM驅(qū)動(dòng)模型特點(diǎn)UserApplicationsWin32APICallSystemServicesI/OManagerIRPDRIVERHardwareAbstractionLayer核心態(tài)分層用戶(hù)態(tài)WDM模型介紹驅(qū)動(dòng)程序開(kāi)發(fā)工具介紹VisualC++DDKDRIVERSTUDIOWINDRIVER

難！方法二方法一

寄生USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序四大例程事務(wù)即插即用例程，完成自動(dòng)識(shí)別USB設(shè)備，實(shí)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(hào)等。電源管理例程，完成電源策略管理，決定什么時(shí)候應(yīng)該采用何種電源策略。設(shè)備控制例程，負(fù)責(zé)設(shè)備的控制，主要是指對(duì)設(shè)備的一些操作命令的發(fā)送或者一些標(biāo)志的讀取。用戶(hù)自己定義功能碼，上層應(yīng)用軟件功能碼必須和驅(qū)動(dòng)程序保持一致。數(shù)據(jù)讀寫(xiě)例程，完成上層應(yīng)用軟件API函數(shù)所對(duì)應(yīng)的打開(kāi)設(shè)備、關(guān)閉設(shè)備、讀設(shè)備和寫(xiě)設(shè)備等例程函數(shù)。4.2USB應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)思想采用Win32API函數(shù)和驅(qū)動(dòng)程序建立聯(lián)系。實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用軟件的相應(yīng)功能。常用訪問(wèn)硬件的API函數(shù)有：

CreatFile()：打開(kāi)驅(qū)動(dòng)程序，獲取設(shè)備句柄

ReadFile()：獲取數(shù)據(jù)

WriteFile()：向設(shè)備寫(xiě)數(shù)據(jù)

ControlIoDevice()：實(shí)現(xiàn)與外圍設(shè)備之間的讀寫(xiě)操作

CloseFile()：關(guān)閉設(shè)備應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)工具選擇MFC+APIGraphicalProgrammingLabWindows/CVI

發(fā)展方向虛擬儀器軟件平臺(tái)應(yīng)用軟件功能框圖模式選擇USB讀寫(xiě)用戶(hù)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(shí)別USB設(shè)備幅度設(shè)定模式選擇模式選擇點(diǎn)數(shù)設(shè)定波形顯示基于VC++6.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)VC開(kāi)發(fā)環(huán)境使用相對(duì)復(fù)雜，需要花大量時(shí)間開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序界面，界面開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)不如Labview便捷、美觀，但是對(duì)于理解應(yīng)用程序工作機(jī)理大有好處。MFC類(lèi)庫(kù)Win32API基于LabVIEW平臺(tái)開(kāi)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(hù)需要開(kāi)發(fā)LabVIEW驅(qū)動(dòng)融入DLL

調(diào)用