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數字波形合成器的設計在結構上大致分三類方法。 方法一：直接數字查表法合成周期信號，結構見圖1。波形數據固化在EPROM或其它非易失性存儲器中，通過查表電路，再晶振時鐘控制下不斷地從EPROM中取出數據，通過DAC和低通濾波器(LPF)輸出。此結構的特點是能產生較高頻率的信號，但不便程控且產生信號類型有限。 方法二：利用單片機查表法合成周期信號，結構見圖2。波形數據固化在EPROM中，單片機不斷地從存儲器中取出數據，經并行口送出，在經DAC和LPF輸出。特點是便于程控，但不能產生較高頻率的信號。 方法三：利用單片機生成數據與查表相結合的方法合成周期信號，結構見圖3。 基本波形數據固化在EPROM中，輸出某種波形時，首先根據基本波形或公式算出波形數據送入RAM，然后由查表電路不斷地、周而復始地從RAM中取出數據，通過DAC和LPF輸出。特點是既便于程控，又能產生較高頻率的信號，但結構復雜。 本文所介紹的方案是根據用戶提出的主要性能技術指標和要求而設計的，是對方法三的一種改進、完善。本方案采用數字信號處理芯片DSP做主處理器，把波形數據的產生和波形的擬合相分離，從而可大大提高產生信號的頻率；并且本系統增設了高速數據采集模塊和液晶顯示器LCD，能實時顯示輸出波形及其主要參數。 1 硬件框圖及工作原理 本系統由三部分組成：任意周期信號產生模塊、高速數據采集模塊、處理系統及顯示部分。框圖見圖4。 1.1 任意周期信號產生模塊 該模塊由高頻晶振、頻率合成器、高速RAM、高速D/A轉換器、程控模擬信號放大器和濾波器組成，其主要任務是完成波形合成。存儲器的讀、寫信號分別由高頻晶振輸出fo和DSP的寫信號控制，信號切換由控制器ispLSI完成。其特點：(1)采用高頻晶振控制數據轉換，克服了數據轉換受CPU工作速度的限制。(2)采用高速RAM和高速D/A轉換器AD9720，數據轉換速度達400Msps，完全可以擬合20MHz信號。(3)頻率合成器主要由高速、高密度器件ispLSI2032設計完成，利用多位分頻器細化頻率設置，采用循環周期計數，產生高穩定度的合成波頻率，在0～20MHz范圍內頻率誤差＜0.1%，并克服了非周期采樣而產生的高次諧波，頻率設置可以程控。(4)程控高速寬帶運放可實現輸出信號的調整(放大、偏置)。 1.2 高速數據采集模塊 高速數據采集模塊是本信號發生器設計的特色，由高速A/D轉換器AD9283(8bit?100MHz)、RAM、鎖存器組成。A/D的時鐘信號由高頻晶振輸出fo經分頻得到。分頻器由控制器ispLSI實現程控。本模塊完成對輸出信號的實時采集，采集的數據同時送到LCD直接顯示和給DSP進行處理(計算頻率、幅值等參數)。并且可以采集外部輸入信號，與整個系統配合實現信號再現。 1.3 處理系統及顯示部分 它包括DSP芯片、控制器(ispLSI)、80C51芯片、外設接口、鍵盤和顯示器。 DSP芯片完成波形數據的產生并與控制器(ispLSI)、80C51對整個系統進行控制。對于不同的信號，采用不同的數據生成方式： (1)對于方波、矩形波、鋸齒波、三角波、梯形波、隨機信號、掃頻信號等，可簡單、方便地通過DSP直接計算得到波形數據； (2)對于正弦、指數、高斯、余弦的信號，不便通過直接計算得到其波形數據，而其波形用較少數據即可準確描述，可把其基本波形數據固化在EPROM中； (3)對于不便描述的信號，可通過數據采集得到波形數據或直接通過鍵盤輸入數據。 80C51作為輔助微處理器，主要控制鍵盤和液晶顯示器LCD。并和DSP進行通信。 鍵盤和顯示器實現人機對話。鍵盤為4×6小鍵盤，由專用集成電路82C79控制。顯示器采用圖形點陣式液晶顯示模塊MGLS-24064，由內藏T6963C控制器驅動，可顯示波形及其參數。 外設接口提供仿真接口和通信接口(RS232)，可以測試并遠地控制。 2 系統軟件設計 本儀器軟件設計采用了結構化系統設計與結構化程序設計的方法，整個軟件由頂向下分層分塊，每個模塊完成一項功能，并遵守上層模塊調用下層模塊、同層模塊不能相互調用的原則。軟件的模塊結構如圖5所示。 初始化模塊裝載每個模塊的入口、出口條件及地址，模塊的正常出口是回到鍵盤程序，等待按鍵：鍵盤處理模塊根據操作規則優先處理四個高級鍵："預置"、"功能"、"方式"、"自檢"，它們各自對應著儀器的一種工作模式。每一種工作模式劃為一個模塊，且這四個模塊處于同一層次，而在每一種工作模式下又各有多種功能，各種功能就形成了下一層的一個個模塊；處于最底層的是公用程序模塊，它們是一些獨立的公用子程序，可由上層模塊隨意調用。 本文所介紹的方案從結構設計上解決了通常任意波形信號發生器產生信號頻率受CPU工作頻率限制的問題，并采用DSP芯片做主處理器，從而大大提高了產生信號的頻率和處理速度。采用大規模現場可編程(ispLSI 器件代替MSI器件，大大簡化了系統結構，提高了性能和可靠性，降低了成本。系統采用鍵盤和LCD作為人機對話窗口，具有良好的人機界面，并能實時顯示輸出波形及其參數。筆者根據此方案研制開發的智能高頻率信號發生器EM-2000完全達到了用戶的要求，具有新穎、結構簡單、高性能、靈活的特點，具有很大的開發、應用前景。 |
