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多功能智能函数信号发生器的设计

2010-03-13 4页 pdf 174KB 78阅读

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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 De sign of an Intelligent Signal 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...
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 De sign of an Intelligent Signal 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 DΠA、AΠD 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 AΠD 转换 ;高速 DΠA 转换 中图分类号 :TP346 文献标识码 :B Abstract : The article introduces the design of an intelli2 gentized generator with multiple functions ,which is based on the principle of the traditional signal generator integrated with the techniques on Direct2digital2frequency2synthesizer , High speed AΠD conversion ,Digital signal processing and In2 telligentized instrument . The generator has virtues of Gener2 ating multiple sorts of signals , high precision and program2 ming of output signals. The waveform and parameters of out2 put signals are displayed timely on LCD screen. Key words : signal generator ; DSP ; DDS ; high speed AΠD ; conversion ;high speed ;DΠA 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 DΠA、AΠD 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  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 20 MHz 的信号 ,用 20 个点的数据进行拟合 ,则需要速度 高达 400MSΠs 的 DAC转换器。 ·9·多功能智能函数信号发生器的设计 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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 MAXIM 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 ICL8038) ,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 2 MHz 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 ,CPU 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 MCS251 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 ,MCS251 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 LCD。 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 LCD 直接显示和送给 DSP 进行 处理、 (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 ·01· 《测控技术》2003 年第 22 卷第 4 期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 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 ; ②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 ; ③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 IΠO 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 (ACM12864) ,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 (J TAG) 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 , ·11·多功能智能函数信号发生器的设计 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 5  模块化功能子程序结构 降低了成本。系统采用键盘和 LCD 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。 参考文献 : [1 ]  赵茂泰. 智能仪器原理及应用[M] . 北京 :电子工业出版社 ,1999. [2 ]  常新华 ,林春勋等. 高频信号发生器原理、维修与鉴定 [ M] . 北京 : 电子工业出版社 ,1996. [3 ]  TMS320C2XX高速数字信号处理原理与应用[ Z] . 北京闻亭科技发 展有限公司 ,1998. [4 ]  张积东等. 单片机 51Π98 开发与应用[M] . 北京 :电子工业出版社 , 1994. [5 ]  王光明 ,张 ⊥ ,刘国福. 智能高频任意波形发生器的研究[J ] . 电子 技术应用 ,2001 , (3) :52 - 53. [6 ]  沙占友等. 新编实用数字化测量技术[M] . 北京 :国防工业出版社 , 1998. [7 ]  庞晓晖等. 高速数据采集系统的设计与实现 [J ] . 仪器仪表学报 , 2000 , (6) :440 - 443 [8 ]  杨欣荣 ,凌玉华等. 现代测控技术与智能仪器[M] . 湖南 :湖南科学 技术出版社 ,1995. □ (上接第 8 页) 传感器要大得多 ,一般为 2 ms 以上。而最快的传统流 量计可以达到 0. 1 ms。而为了提高反应时间 ,必须减 少热容。 ②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。 ③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。 ④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”,因此开发新的封装结 构显得尤为必要。 参考文献 : [1 ]  Van Putten ,Middelheok S. Integrated silicon anemometer [J ] . Electronic Letters ,1974 , (10) . [2 ]  张昭勇 ,秦明 ,黄庆安. 硅热流量传感器的研究与发展[J ] . 电子器 件 ,2001 ,24 (1) . [3 ]  Elwenspoek M. Thermal flow micro sensors[A] . Semiconductor Conference [ C] . 1999 - 02. [4 ]  Kaltsas G,Nassiopoulou A G. Novel C2MOS compatible monolithic silicon gas flow sensor with porous silicon thermal isolation[J ] . Sensor and Actua2 tor A ,1999 , (76) . [5 ]  Van Herwaarden A W ,Van Duyn D C ,Van Oudheusden B W ,et al . Inte2 grated thermopile sensors[J ] . Sensors and Actuators A ,1990 , (22) . [6 ]  Tong Q Y,Huang J B. A novel CMOS flow sensor with constant chip tem2 perature operation [J ] . Sensors and Actuators A ,1987 , (12) . [7 ]  Yu D ,Hsich H Y and Zemel J N. Microchannel pyroelectric anemometer [J ] . Sensors and Actuator A ,1993 , (39) . [8 ]  Joshi S G. Fow sensors based on surface acoustic wave[J ] . Sensor and Ac2 tuators A ,1994 , (44) . [9 ]  Bedrich , Hosticka J . CMOS sensor systems [J ] . Sensor and Actuator A , 1998 , (66) . [10 ]  Huang Q T ,Menolf C ,Hammerschmied C. A MOSFET2only interface for integrated flow sensor [J ] . Circuits and Systems ,1996 , (4) . [11 ]  Mayer F ,Haberli A ,Jacobs H ,et al . Single2chip CMOS anemometer[A] . Electron Devices Meeting[ C] . 1997. [12 ]  Makinwa K,Huijsing J H. A wind2sensor with integrated electronics[J ] . Circuits and Systems ,2001 ,1 (6 - 9) . [13 ]  Yoon E , Wise K D. A multi2element monolithic mass flowmeter with on2 chip CMOS readout electronics [ J ] . Solid2State Sensor and Actuator Workshop ,1990 ,39 (6) . [14 ]  Baltes H ,Brand O. CMOS2based microsensors and packing [J ] . Sensor and Actuator A ,2001 , (92) . [15 ]  Baltes H , Paul O ,Brand O. Micromachined thermally based CMOS mi2 crosensors[J ] . Proceedings of the IEEE ,1998 , (8) . [16 ]  Yan G Z ,Chan P , Hsing I ,et al . An improved TMAH si2etch solution without attacking exposed aluminum[A] . The Thirteenth Annual Interna2 tional Conference on Micro Electro Mechanical Systems[ C] . 20001 [17 ]  Munch V ,Brand O ,Paul O ,et al . Mental film protection of CMOS wafer against KOH[J ] . Micro Electro Machanical System ,2000 , (23 - 27) . [18 ]  Stemme G. Micro fluid sensors and actuators[A] . Sixth International Sym2 posium on Micro Machine and Human Science[ C] . 1995. □ ·21· 《测控技术》2003 年第 22 卷第 4 期 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
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