《智能仪器设计实例》课件.ppt

智能仪器设计实例 ——基于虚拟仪器技术及DDS技术的函数信号发生器的设计 内容提要： 一、背景和意义 二、研究现状 三、技术指标 四、整体方案设计及工作原理 五、波形数据的获取 六、硬件电路设计 七、软件设计 一、背景和意义 函数信号发生器是广泛应用于系统检测调试、自动测量控制和教学实验等领域的多波形信号源； 可以产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形，由于其输出的波形均可用数学函数描述，故命名为函数信号发生器； 函数信号发生器在工业生产、产品开发、科学研究等实验测试中起着十分重要的作用，除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于生物医学等各个领域的测试。 二、研究现状 信号发生的主要实现方法有直接模拟法和直接 数字法两种 1、直接模拟法： 采用模拟电子技术，由调谐振荡器和调幅放大器加上一些指示电路构成，仅能产生正弦波、三角波、方波等几种简单的波形，其电路结构复杂、尺寸大且功耗大，并且频率不高，由于模拟电路温漂大而使得其波形稳定性差，且难以产生精准的频率信号，不易调试。 1、直接模拟法 2、直接数字法 1971年，美国学者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。 直接数字法是采用直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的方法实现信号产生。 该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出优点。直接数字合成技术近年来发展的很快，而要产生任意波形就必须采用直接数字合成技术。 2、直接数字合成法（2种直接数字合成结构） 1）、基于地址计数器的数字频率合成法 工作原理：将波形数据存储于存储器中，而后用可程控的时钟信号为存储器提供扫描地址，波形数据被送至DAC，经数模转换和低通滤波器后得到所需的模拟电压波形。 假定地址计数器的时钟频率为fosc，波形一周期内有n个采样值，那么合成的 波形频率为： 如果改变地址计数器的时钟频率或存储器的地址步进大小，合成波形的频率都会随着改变。而要改变波形，只要在只读存储器中写入不同的数据。 2、基于相位累加器的直接数字合成法 核心是相位累加器，由一个加法器和一个相位寄存器组成，K是频率控制字，也是相位增量或步长；fclk是参考时钟的频率，N是相位累加器的位数，位宽是2N ， 数据存储器中存储的是一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中 0-360°范围的一个相位点，存储器共有2N个地址空间，即把360分割成2N 份。 每来一个时钟fclk ，相位累加器就把频率控制字K与相位寄存器输出的累加字相加，相加后得到的结果作为查询表（ROM存储器）的地址，同时把这个累加值再送到加法器作为下一次累加的输入。相位累加器的输出是一个等差数列， 是相位累加器的初始 值，n是参考时钟的个数。 2、基于相位累加器的直接数字合成法 相位增量（频率控制字）不同时, 一个周期内的取样点数不同，相位寄存器每经过2N/K 个 fclk 时钟后回到初始状态，输出信号的频率是 频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为： 通过改变相位累加器的频率控制字K或者参考时钟频率fclk来改变输出信号的频率。 2、基于相位累加器的直接数字合成法 工作原理：从连续信号的相位出发将信号取样、量化、编码, 形成一个 函数表, 存在波形存储器中。基于相位与幅度的对应关系, 通过改变频率 控制字K来改变相位累加器的相位增量, 然后在参考时钟的控制下取样, 取样得到的相位值通过相位－幅度转换得到相位值对应的幅度序列, 幅度 序列再通过D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电 压信号经低通滤波器后便输出了光滑的合成信号。 三、技术指标 电压输出范围：0～±10V 精 度：0.5%FS 输出波形：正方波、负方波、正负方波、阶跃波、单三角波、连续三角波、锯齿波、指数波、半正弦波、正弦波、任意波形（包括再现用户实测采样波形） 输出波形频率范围：0.12Hz～50kHz 环境温度：-10～50℃ 相对湿度：＜80％ 电源要求：可在无市电电源场合使用，电源噪声小 四、整体方案设计及工作原理 四、整体方案设计及工作原理 2、工作原理： 仪器工作过程完全由计算机通过USB接口来控制； 用户通过计算机软面板输入幅值、频率、基线和占空比等波形参数，计算机接收这些信息，分析后计算出地址计数器时钟信号的频率和一个周期的波形数据个数，再计算波形幅度量化数据，通过接口电路和控制器把波形数据顺序存储到波形存储器。 利用可程控的时钟发生器推进地址计数器扫描地址，波形存储器中的数据被同步时钟循环地读出，同时启动D/A变换器，D/