微型虚拟任意信号发生器的设计与实现

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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GPIB分立仪器虚拟仪器美国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LabViewCCURLCSCOPEWEBDAQAWG二、系统设计方案

2、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〈500mA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：0~2.5Vpp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LabScenePC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

3、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波形产生模块设计任意波形产生模块设计USB通信接口设计3.1DDS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

4、/幅值量化的数字信号通过Ｄ/Ａ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3.1.2DDS波形成产方案选择方案一：根据DDS原理，用EEPROM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3.1.3DDS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

5、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_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

6、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Ｄ/Ａ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Ｄ/Ａ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

7、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

8、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counter163.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，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