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
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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
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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
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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。
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(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。
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·21· 《测控技术》2003 年第 22 卷第 4 期
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