微型虚拟任意信号发生器的设计与实现.ppt

1、微型虚拟任意信号发生器的设计与实现,内容提纲,研究意义及现状 系统设计方案 硬件系统设计 软件系统设计 任意信号发生器测试效果,一、研究意义及现状,传统信号发生器,正弦波信号源,函数发生器,脉冲发生器,扫描发生器,针对特定应用 产生波形种类有限 波形不可编程,研究意义及现状,虚拟任意波形发生器 综合其他信号源产生波形能力 产生波形可编程控制 适用于各种仿真试验、教学实验等,仪器发展历史,美国NI公司虚拟测试系统软硬件产品,目标吉林大学虚拟实验室,LabView,CCU,RLC,SCOPE,WEB,DAQ,AWG,二、系统设计方案,设计指标 USB通信接口，实现即插即用 无需外部电源，工作电流5

2、00mA 具有DDS模式和ARB模式； 波形频率 0.01Hz(DC)80KHz(ARB模式点数为8 ) 0.01Hz(DC)1MHz(DDS模式)。 频率分辨率 ：0.01HZ 波形存贮容量 ：32K 垂直分辨率 ：16位 波形幅度 ：02.5 Vpp 微型，80mm*70mm 采用LabVIEW或者LabScene作为上层软件,设计思想,USB电缆,VC软件,LabVIEW或LabScene,PC或笔记本,产生波形,硬件系统设计框图,DDS波形产生模块,CPLD 逻辑控制模块,USB接口通信模块,任意波形产生模块,微控制器 89S52,放大 滤波 模块,三、硬件系统开发,DDS波形产生模块

3、设计 任意波形产生模块设计 USB通信接口设计,3.1 DDS波形产生模块设计,直接频率合成（DDS）原理 DDS波形成产方案选择 DDS波形产生电路,3.1.1直接频率合成(DDS)原理,直接频率合成技术（DDS）,参考 频率源,D/A 转换器,正弦波形存储器,低通 滤波器,频率 累加器,根据奈奎斯特采样定律将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表存于EPROM中，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量，并将变化的相位/幅值量化的数字信号通过/转换器及低通滤波器即可得到合成的模拟信号。,信号 输出,频率 控制字,3.1.2 DDS波形成产方案选择,方案一：根据DDS原理，用E

4、EPROM存储器、高精度D/A再配以CPLD的控制时序实现； 缺点：成本高、调试难度大、开发周期长 方案二：根据系统需要，选择合适的DDS芯片，配以简单的外围电路实现；可大大缩短开发周期,3.1.3 DDS波形产生电路,AD公司提供的DDS芯片 ，内部包括32位相位累加器、正弦查询表、高性能DAC、高速比较器和滤波器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器，其最高时钟源可达125M；32bits频率控制字,5bit相位调制,简化的控制接口,并行或串行输入形式。,W_CLK、FQ_UD控制信号由CPLD内部产生；总线DATA在W_CLK上升沿将数据装入寄存器，40位需重复5次。最后在FQ_

5、UD上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率、相位及控制数据寄存器控制数据寄存器。,并行装入方式的时序图,3.2 任意波形产生模块设计,任意波形产生原理 任意波形产生电路设计 D/A转换控制电路 D/A基准电压产生模块 波形数据存取电路 CPLD控制电路 波形处理模块,3.2.1任意波形产生原理,利用计算机产生所需信号的波形数据，存入波形数据存储器，在CPLD的控制下同时选通存储器和/转换器,在两者之间建立直接的数据通道,使存储器相应单元中的波形数据传送给/转换器产生具有一定幅度、频率、相位的模拟波形。 波形频率由CPLD的时钟信号决定。 CPLD的时钟信号由AD9850提供。,3.2.2任意

6、波形产生电路设计,D/A转换器的选择 D/A转换器是整个系统的核心器件，波形信号的质量取决于其分辨率和数据输出速率。其制约关系为： 1. D/A的分辨率越高，则高次谐波的分量越小； 2. 一周期的数据点数越多，模拟信号越平滑； 3. 一周期数据点数多，则信号所能达到的最高频率则降低； 4. D/A的输出速率越高，波形平滑度越好，一般情况下并行D/A的输出速率高，但是占用的I/O也多；,综合上述因素，本设计采用了MAXIM公司的MAX5541， 它是16位D/A，电压输出，10MHz三线式串行总线接口， 1us的信号建立时间。,3.2.2任意波形产生电路设计,D/A转换控制时序,3.2.2任意波

7、形产生电路设计,D/A转换控制电路 由CPLD控制完成，包括：,16位并行数据,16位串行数据,3线接口时序,16位串行数据,16位并行数据,8位并行数据,D/A转换控制电路的具体实现,1. 采用状态机机制(定义状态ss：start,send16,over) 2. 定义16进制计数器counter16 3. counter16.clock=clk; ss.clk=clk;,CPLD仿真并串转换及3线接口时序产生,3.2.2任意波形产生电路设计,D/A基准电压产生模块 选择美国国家半导体公司的LM4040-2.5作为 MAX5541工作时的基准点压（5V）； 它采用小封装TO-92，不需外接电容

8、，电路连接简单；,3.2.2任意波形产生电路设计,波形数据存取电路,地址发生器由15位计数器充当,3.2.2任意波形产生电路设计,CPLD控制电路 选择ALTERA公司的EPM7128。采用MAXPLUS-2的图形语言和AHDL语言相结合的方式对其编程实现控制逻辑。,CPLD,AD9850 控制模块,波形数据 存取模块,DA转换 控制模块,译码 模块,其他 模块,3.2.2任意波形产生电路设计,CPLD关键电路仿真时序,Clk：DDS提供的时基信号； frame_start为转换控制门信号； da_ram_nrd ：SRAM读信号有效； m_addr_frame：地址发生器读数据阶段的时钟信号

9、；,Start：预备态 r0h、r0l：从SRAM读出数据 wait_da：进行D/A转换,3.2.3 波形处理模块,考虑到任意波形发生器产生信号的可变性，本模块没有设计滤波电路；,3.3 USB通信接口设计,USB接口介绍 USB硬件开发 USB固件程序开发,3.3 .1 USB接口介绍,USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含意是：通用串行总线。 特点：,3.3.2 USB硬件开发,USB接口控制电路设计 带微控制器的USB接口芯片 （ EZ-USB ） 方案选择 不带微控制器的USB接口芯片（ PDIUSBD12 ） USB固件程序开发,选用PDIUSBD12+

10、MCU 89S52,PDIUSBD12特点,符合串行总线(USB)1.1版协议规范 集成了SIE、FIFO存储器、收发器 与任何外部微控制器实现高速并行接口 具有良好的EMI特性的总线供电能力 在挂起时可控制LazyClock输出 可通过软件控制与USB的连接 符合ACPI、OnNOW和USB电源管理要求 内部上电复位和低压复位电路 双电源操作 主端点的双缓冲配置增加了数据吞吐量并 轻松实现实时数据传输,USB设计硬件原理图,3.3.3 USB固件程序开发,固件框架采用模块化结构，由KeilC开发,主循环：发送USB请求、处理USB总线事件和用户功能处理等,中断服务程序,协议请求处理,底层命令

11、接口,硬件提取层,前后台工作原理,固件采用前后台工作的编程思想，D12每发生 一次中断，后台中断服务程序改变相应的事件 标志位，前台主程序不断检测事件标志位状态， 完成相应功能。,开始,初始化资源,循环,DDS模式,Y,N,N,N,Y,主程序流程,DDS 波形产生,ARB 波形产生,处理 命令,RAM 写数据,ARB模式,其他命令,Y,四、软件系统设计,PC驱动程序开发 USB应用程序设计思想 DLL动态连接库的开发 LabVIEW设备节点的开发,4.1 PC驱动程序开发,驱动程序工作在核心态下，介于应用软件和设备硬件之间,驱动程序作用,驱动程序模型,WDM驱动模型特点,W D M 模 型 介

12、 绍,驱动程序开发工具介绍,USB设备驱动程序四大例程事务,即插即用例程，完成自动识别USB设备，实现硬件资源分配和再分配，主要包括I/O端口、硬件中断号等。 电源管理例程，完成电源策略管理，决定什么时候应该采用何种电源策略。 设备控制例程，负责设备的控制，主要是指对设备的一些操作命令的发送或者一些标志的读取。用户自己定义功能码，上层应用软件功能码必须和驱动程序保持一致。 数据读写例程，完成上层应用软件API函数所对应的打开设备、关闭设备、读设备和写设备等例程函数。,4.2 USB应用软件设计思想,采用Win32 API函数和驱动程序建立联系。 实现上层应用软件的相应功能。常用访问硬件 的AP

13、I函数有： CreatFile( )：打开驱动程序，获取设备句柄 ReadFile( )：获取数据 WriteFile( )：向设备写数据 ControlIoDevice( )：实现与外围设备之间的读写操作 CloseFile( )：关闭设备,应用软件开发工具选择,发展方向,虚拟仪器 软件平台,应用软件功能框图,模式 选择,USB 读写,用 户 界 面,波形选择,频率设定,波形选择,频率设定,读取USB数据,发送USB数据,识别USB设备,幅度设定,模式 选择,模式 选择,点数设定,波形显示,基于VC+6.0平台开发,VC开发环境使用相对复杂，需要花大量时间开发应用程序界面，界面开发远不如La

14、bview便捷、美观，但是对于理解应用程序工作机理大有好处。,基于LabVIEW平台开发应用程序软件,自定义设备,LabVIEW不支持，用户 需要开发LabVIEW驱动,融入,DLL,调用,访问,驱 动,用户态,核心态,Labview,CLF接口,控件,设备,LABVIEW编程,基于LabVIEW平台的虚拟任意波形发生器,4.3 DLL动态连接库的开发,开发动态连接库是开发基于VC或者基于LabVIEW应用软件的首要任务。可以采用VC+6.0 DLL动态连接库向导开发。,USB DLL动态连接库,开发的USB DLL动态连接库包括三个文件： SignalUsb.DLL SignalUsb.LI

15、B 其主要函数有如下4个： UINT ModeSelect(BOOL modeflag,float f_freq,UINT f_number);用来选择波形的模式 UINT WaveGenerate(unsigned char * pcIoBuffer,UINT f_number);用来向usb写波形数据，以产生波形； UINT FreqChang(float freq,UINT f_number);用来改变波形频率 UINT StopWave();用来停止波形,4.4 LabVIEW节点开发,通过动态连接库调用节点访问设备的动态连接库，实现设备的访问。,CLF节点的使用,USB节点程序,生成的USB节点,五、 示波器测试结果,任意波形发生器板卡实物图,任意波形发生器实测指标,波形频率： ARB模式 ：0.01Hz(DC)1