多功能智能函数信号发生器的设计

收稿日期:2002-09-27

作者简介:熊飞丽(1963)),女,讲师,主要研究方向为智能仪器与网上实验技术。

文章编号:1000-8829(2003)04-0009-04

多功能智能函数信号发生器的设计

Design of an Intelligent Sign al Generator With Multiple Functions

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073)

熊飞丽,王光明,刘国福

摘要:介绍了一种采用传统的信号发生器的原理结合直接数字波形合成(DDS)技术、高速D P A 、A P D 转换技术、数字信号处理(DSP)技术和智能仪器仪表技术而设计的一种多功能智能函数信号发生器。它不仅具有输出信号波形种类多、精度高、可程控等特点,并且具有实时显示输出信号波形及其主要参数的功能。关键词:信号发生器;DSP;DDS;高速A P D 转换;高速

D P A 转换

中图分类号:TP346文献标识码:B

Abstract :The article introduces the design of an intell-i

gentized generator with multiple func tions,which is based on the principle of the traditional signal generator integrated with the techniques on Direc-t digita-l frequency -synthesizer,

High speed A P D conversion,Digital signal processing and In -telligentized instrument.The generator has virtues of Gener -ating multiple sorts of signals,high precision and program -ming of output signals.The waveform and parameters of out -put signals are displayed timely on LC D screen.

Key words :signal generator;DSP;DDS;high speed A P D;

conversion;high speed;D P A conversion 信号发生器按工作原理[1,2]

可分为:调谐信号发生

器、锁相信号发生器和合成信号发生器。

(1)调谐信号发生器是由调谐振荡器构成。传统调谐信号发生器都是由调谐振荡器和统调的调幅放大器(输出放大器)加上一些指示电路构成。这种信号发生器结构复杂、频率范围窄,而且可靠性、稳定性较差,但其价格低廉。随着半导体器件的发展,其性能有所改善。

(2)锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的

方法获得输出信号频率的信号发生器。这种信号发生器频率精度和稳定度高,但快速、程控比较困难,同时输出信号的频率分辨率较差。

(3)合成信号发生器是采用频率合成的方法构成的信号发生器。由于合成信号发生器具有较高的频率稳定度,很容易实现数字显示频率,因此,频率分辨率高和频率的置定重复性好,以及能方便实现频率的程序控制是合成信号发生器的重要特点。然而,合成信号发生器本身在进行频率运算的过程中会产生寄生分量,将对信号正常处理过程产生干扰。

由于调谐信号发生器结构复杂,不易实现程控,且频率范围窄;而合成信号发生器最方便实现智能化,且有较高的综合性能。根据这些特点,本文介绍了一种采用传统的合成信号发生器的原理结合直接数字波形合成(DDS)技术、高速D P A 、A P D 转换技术、数字信号处理(DSP)技术和智能仪器仪表技术而设计的一种具有实时显示输出信号波形及其主要参数功能的新一代智能函数信号发生器。

1 方案设计

1.1 函数周期信号的产生

对于周期信号的产生有3方案可以实施。

方案一:采用波形数据的产生和波形的拟合相分离[5]

,利用数字信号处理器DSP 生成数据与查表相结合的方法合成高频周期信号,结构框图见图1。基本波形数据固化在EPROM 中,输出某种波形时,首先根据基本波形或公式算出波形数据送入RAM,然后再由查表电路不断地、周而复始地从RAM 中取出数据,通过高速DAC 和程控放大器输出,频率由控制器通过频率合成器设定。特点是既能产生任意的周期信号,又便于程控,但其控制器结构复杂,生成高频信号对器件性能和电路设计制作要求高,价格昂贵。例如产生20MHz 的信号,用20个点的数据进行拟合,则需要速度高达400MS P s 的DAC 转换器。

图3 系统原理硬件框图

图1 方案一结构框图

方案二:周期信号完全利用硬件电路的方法产生。随着半导体集成器件的迅速发展,出现了许多外围电路简单、调节方便、性能好、价格较低廉的单片集成精密函

数波形发生器[6]

。例如美国MAXI M 公司研制的单片高频精密函数波形发生器MAX038,美国Harris 公司生产的单片精密函数波形发生器IC L8038),可选用单片集成函数波形发生器,通过DAC 将数字信号转化为模拟信号对其参数进行程控,产生波形经程控放大器输出,结构框图如图2所示。特点是产生信号的频率范围宽,电路结构简单,价格便宜,但产生的周期信号波形受限,仅能生成正弦波、方波、矩形波、锯齿波、三角波这几种函数的波形,对于梯形波、指数信号、高斯信号、随机信号、扫频信号等特殊测试信号则无能为力。

图2 方案二结构框图

方案三:利用方案一与方案二相结合的方法,即常用周期信号(如正弦波、方波、三角波等)的生成采用方案二的方法,而对于频率小于2MHz 的特殊测试信号采用方案一的方法生成。由于采用直接数字合成的波形频率较低,对DAC 的要求很容易满足,且DSP 可对其直接控制进行波形拟合,从而可大大简化频率合成器和控制器的结构。特点是产生的波形精度高、稳定性好、电路结构简单、能产生任意的周期信号,但产生的特殊测试信号频率范围不够宽。1.2 控制系统及显示部分

控制系统采用双微处理器方法实现,CP U 选用易于快速实现各种数字

信号处理算法的DSP 芯片[3]

和控制能力强、编程灵活、价格便宜、应用技术

成熟的MCS -51系列单片机[4]

。DSP 作为主微处理器,主要进行数据处理和控制函数波形的产生,MC S -51单片机作为辅助微处理器,主要控制人机

对话,进行对键盘与显示器的管理和控制。显示器选用具有体积小、外型薄、耗能小、无辐射、显示信息量大等优点的液晶显示器LC D 。1.3 数据采集系统

在系统中对于函数波形信号的测试和处理需经过高速数据采集模块对函数波形信号进行实时采集,采集的数据可同时送到LC D 直接显示和送给DSP 进行处理、分析(计算频率、幅值等参数)。并且,高速数据采集模块可以采集系统外部输入信号,与整个系统配合实现外部输入信号的测试和再现。

在为某电子仪器仪表公司研制开发的智能函数信号发生器中,采用了方案三的方法设计了一种具有较高性能价格比的多功能智能函数信号发生器。下面对其系统整体方案作具体阐述。

2 系统硬件总体框图及原理

系统原理硬件框图如图3所示,由3部分组成:任意周期信号产生模块,高速数据采集模块,处理系统及显示部分。

2.1 任意周期信号产生模块

主要完成常用周期信号的产生与任意周期波形的合成,由控制器、多路DAC 、MAX038、高速DAC 、程控模拟信号放大器和低通滤波器组成。特点:

(1)对于正弦波、方波、矩形波、锯齿波、三角波等常用信号采用基于高频精密函数波形产生器件

MAX038[6]

为核心的硬件电路产生。MAX038不仅具有

高频特性好、频率范围宽、稳定度高、外围电路简单、易于制作等优点,而且还具有频率与占空比能单独调节、功能全、调节方式灵活等优点,易于智能化的实现。主微处理器(DSP)通过多路DAC 对其产生波形进行控制和调节。

(2)对于梯形波、指数信号、高斯信号、随机信号、扫频信号等特殊测试信号采用DDS 技术,通过高速DAC 拟合产生。DSP 芯片完成波形数据的产生,对于不同特性的信号,可采用不同的数据生成方法:

1对于梯形波、随机信号、扫频信号等波形,可简单、方便地通过DSP 直接计算得到波形数据;

o对于指数、高斯、半余弦等信号,不便通过直接计算得到其波形数据,而其波形用较少数据即可准确描述,可把其基本波形数据固化在EPROM 中;

?对于不便描述的信号,可通过数据采集得到波形数据或直接通过键盘输入波形数据。

(3)程控模拟放大电路和低通滤波电路实现对输出信号的调整(放大、偏置)。程控放大器可采用高速宽带放大器和数字电位器构成,以实现多量程输出信号的高分辨率和高的控制精度。

(4)控制器由多路模拟开关、数据锁存器和频率合成器组成,在DSP 的控制下实现对波形产生和信号输出的程控。

2.2 高速数据采集模块

该模块是本信号发生器设计的特色,由分频控制

器、高速ADC 、FIFO 和RAM 组成[7]

。ADC 的时钟信号由高频晶振输出经分频器控制器切换得到。本模块完成对输出信号的实时采集,采集的数据同时送到LCD 直接显示和给DSP 进行处理(计算频率、幅值等参数)。并且可以采集外部输入信号,与整个系统配合实现信号测量和再现。

2.3 处理系统及显示部分

该部分是本系统的核心,包括DSP 芯片、89C51芯片、外设接口、键盘和显示器。

DSP 芯片不仅具有快速的运行速度,丰富快捷的指令,易于实现数学运算,而且具有低开销或无开销循环及跳转的硬件支持,快速的中断处理和硬件I P O 支持,便于控制的实现。本系统选用美国TI 公司的TMS320系列DSP 芯片F2XX 作为主微处理器,主要完成波形数据的产生及进行数据处理,并与控制器、89C51一起实现对整个系统的控制。

辅助微处理器选用89C51,其主要进行对键盘与液晶显示器LCD 的管理和控制,并与DSP 进行通信,交换信息数据。键盘和显示器实现人机对话。键盘采用结构简单、按键识别容易、经济、灵活的非编码矩阵

式键盘。显示器采用具有体积小、外型薄、重量轻、耗

能小、无辐射、显示信息量大等优点的图形点阵式液晶

显示模块(AC M12864),其内藏控制器驱动,控制操作方便,不仅可显示数字、字符和符号等,而且可显示任意图形和汉字,能达到图文并茂的效果。

外设接口提供仿真接口(JTAG )和通信接口(RS232),便于软件的在线仿真、修改和错误查取,可以远地测试和控制。

3 系统软件总体设计

在仪器的整个软件设计中,对系统软件的设计采

用模块化设计的方法[1,5,8]

,把仪器软件按功能分成一个个功能模块,然后分别进行独立设计、编程、测试、查错工作,最终配置在一起,由主模块控制形成系统软件。系统软件由主监控软件、键盘显示器管理模块、外设中断管理处理模块、各功能模块和数据表模块构成。其组成框图如图4所示。其中监控主程序是系统软件的主程序,是整个仪器软件的核心,上电复位后仪器首先进入监控主程序。它的任务是识别命令、解释命令,并获得完成该命令的相应模块的入口,起着引导仪器进入正常工作状态,协调各部分软件有条不紊地工作的重要作用。系统中,人机对话、机机对话、实时测量、实时数据处理及显示等功能的管理和实现,均由系统软件来完成。对于功能模块的设计则采用由上向下设计的方法,它的优点是比较符合人的日常思维分析习惯,能够按照真实系统环境直接进行设计和方便实施中断。本系统中应用的功能模块结构见图5所示,由控制算法、算术逻辑运算、测量算法、人机对话等模块组成,各功能模块又有子功能模块组成。

图4 系统软件组成框图

4 结束语

本信号发生器研制方案从设计原理上综合了传统的硬件电路产生函数信号波形和采用直接数字合成技术产生函数信号波形的优点,增加了仪器输出信号的波形种类,输出信号性能也明显改善。采用DSP 芯片做主处理器,可提高产生信号的频率和处理速度。采用大规模集成器件和集成模块代替MSI 器件和分离元件电路,简化系统结构,提高了系统性能和可靠性,

图5模块化功能子程序结构

降低了成本。系统采用键盘和LC D作为人机对话窗口,具有良好的人机界面,并能实时显示输出波形及其参数,方便操作,增强了操作者和微处理器之间的对话能力。系统具有自检、自诊断功能,能够及时和准确地确知仪器故障发生的部位和特征,不仅方便了维修,而且保证了输出的可靠性。系统配有标准接口,具有远地输入输出能力,可纳入自动测试系统中工作。据此方案为某电子仪器仪表公司所研制开发的多功能智能函数信号发生器,具有新颖、结构简单、高性能、操作控制灵活的特点,具有很大的市场开发、应用前景。

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(上接第8页)

传感器要大得多,一般为2ms以上。而最快的传统流量计可以达到0.1ms。而为了提高反应时间,必须减少热容。

o将更多的电路集成在传感器芯片上,实现输出数字化。将自测试电路和自校电路集成到芯片上,从而提高芯片的稳定性。

?工艺上实现与CMOS兼容,从而降低成本、提高重复性和传感器性能。并重点解决微机械加工时互连线的保护问题。

?进一步解决封装问题,微传感器封装问题一直是微传感器进入市场的/瓶颈0,因此开发新的封装结构显得尤为必要。

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