微型虛擬任意信號發生器的設計與實現內容提綱研究意義及現狀系統設計方案硬件系統設計軟件系統設計任意信號發生器測試效果一、研究意義及現狀傳統信號發生器

正弦波信號源函數發生器脈沖發生器掃描發生器針對特定應用產生波形種類有限波形不可編程研究意義及現狀虛擬任意波形發生器綜合其他信號源產生波形能力產生波形可編程控制適用于各種仿真試驗、教學實驗等儀器發展歷史GPIB分立儀器虛擬儀器美國NI公司虛擬測試系統軟硬件產品目標——吉林大學虛擬實驗室LabViewCCURLCSCOPEWEBDAQAWG二、系統設計方案設計指標USB通信接口，實現即插即用無需外部電源，工作電流〈500mA

具有DDS模式和ARB模式；波形頻率0.01Hz(DC)~80KHz(ARB模式點數為8)0.01Hz(DC)~1MHz(DDS模式)。頻率分辨率：0.01HZ波形存貯容量：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作為上層軟件設計思想USB電纜VC軟件LabVIEW或LabScenePC或筆記本產生波形硬件系統設計框圖DDS波形產生模塊CPLD邏輯控制模塊USB接口通信模塊任意波形產生模塊微控制器89S52放大濾波模塊三、硬件系統開發DDS波形產生模塊設計任意波形產生模塊設計USB通信接口設計3.1DDS波形產生模塊設計直接頻率合成（DDS）原理DDS波形成產方案選擇DDS波形產生電路直接頻率合成(DDS)原理直接頻率合成技術（DDS）參考頻率源D/A轉換器正弦波形存儲器低通濾波器頻率累加器

根據奈奎斯特采樣定律將一個正弦信號取樣、量化、編碼，形成一個正弦函數表存于EPROM中，通過改變相位累加器的頻率控制字來改變相位增量，并將變化的相位/幅值量化的數字信號通過Ｄ/Ａ轉換器及低通濾波器即可得到合成的模擬信號。

信號輸出頻率控制字3.1.2DDS波形成產方案選擇方案一：根據DDS原理，用EEPROM存儲器、高精度D/A再配以CPLD的控制時序實現；

缺點：成本高、調試難度大、開發周期長方案二：根據系統需要，選擇合適的DDS芯片，配以簡單的外圍電路實現；可大大縮短開發周期3.1.3DDS波形產生電路AD公司提供的DDS芯片，內部包括32位相位累加器、正弦查詢表、高性能DAC、高速比較器和濾波器，能實現全數字編程控制的頻率合成器和時鐘發生器，其最高時鐘源可達125M；32bits頻率控制字,5bit相位調制,簡化的控制接口,并行或串行輸入形式。

W_CLK、FQ_UD控制信號由CPLD內部產生；

總線DATA在W_CLK上升沿將數據裝入寄存器，40位需重復5次。最后在FQ_UD上升沿把40位數據從輸入寄存器裝入到頻率、相位及控制數據寄存器控制數據寄存器。并行裝入方式的時序圖3.2任意波形產生模塊設計任意波形產生原理任意波形產生電路設計

D/A轉換控制電路

D/A基準電壓產生模塊 波形數據存取電路

CPLD控制電路 波形處理模塊

任意波形產生原理利用計算機產生所需信號的波形數據，存入波形數據存儲器，在CPLD的控制下同時選通存儲器和Ｄ/Ａ轉換器,在兩者之間建立直接的數據通道,使存儲器相應單元中的波形數據傳送給Ｄ/Ａ轉換器產生具有一定幅度、頻率、相位的模擬波形。波形頻率由CPLD的時鐘信號決定。CPLD的時鐘信號由AD9850提供。任意波形產生電路設計D/A轉換器的選擇

D/A轉換器是整個系統的核心器件，波形信號的質量取決于其分辨率和數據輸出速率。其制約關系為：

1.D/A的分辨率越高，則高次諧波的分量越小；

2.一周期的數據點數越多，模擬信號越平滑；

3.一周期數據點數多，則信號所能達到的最高頻率則降低；

4.D/A的輸出速率越高，波形平滑度越好，一般情況下并行D/A的輸出速率高，但是占用的I/O也多；綜合上述因素，本設計采用了MAXIM公司的MAX5541，它是16位D/A，電壓輸出，10MHz三線式串行總線接口，1us的信號建立時間。任意波形產生電路設計D/A轉換控制時序任意波形產生電路設計D/A轉換控制電路 由CPLD控制完成，包括：16位并行數據16位串行數據3線接口時序16位串行數據16位并行數據8位并行數據D/A轉換控制電路的具體實現1.采用狀態機機制(定義狀態ss：start,send16,over)2.定義16進制計數器counter163.counter16.clock=clk;ss.clk=clk;CPLD仿真——并串轉換及3線接口時序產生任意波形產生電路設計D/A基準電壓產生模塊 選擇美國國家半導體公司的LM4040-2.5作為MAX5541工作時的基準點壓（5V）；它采用小封裝TO-92，不需外接電容，電路連接簡單；任意波形產生電路設計波形數據存取電路地址發生器由15位計數器充當SRAM地址發生器AD[14..0]SRAM寫信號讀CLK單片機數據至D/A并/串電路clr任意波形產生電路設計CPLD控制電路

選擇ALTERA公司的EPM7128。采用MAXPLUS-2的圖形語言和AHDL語言相結合的方式對其編程實現控制邏輯。

CPLDAD9850控制模塊波形數據存取模塊DA轉換控制模塊譯碼模塊其他模塊任意波形產生電路設計CPLD關鍵電路仿真時序Clk：DDS提供的時基信號；frame_start為轉換控制門信號；da_ram_nrd：SRAM讀信號有效；m_addr_frame：地址發生器讀數據階段的時鐘信號；Start：預備態r0h、r0l：從SRAM讀出數據wait_da：進行D/A轉換3.2.3波形處理模塊模擬開關運放運放ARB波形DDS波形信號輸出考慮到任意波形發生器產生信號的可變性，本模塊沒有設計濾波電路；3.3USB通信接口設計USB接口介紹USB硬件開發USB固件程序開發3.3.1USB接口介紹USB是英文UniversalSerialBus的縮寫，中文含意是：通用串行總線。特點：即插即用低功耗總線供電多種速度模式多種設備類價格低廉3.3.2USB硬件開發USB接口控制電路設計

帶微控制器的USB接口芯片 （EZ-USB）

方案選擇

不帶微控制器的USB接口芯片 （PDIUSBD12）

USB固件程序開發選用PDIUSBD12+MCU89S52

PDIUSBD12特點符合串行總線(USB)1.1版協議規范集成了SIE、FIFO存儲器、收發器與任何外部微控制器實現高速并行接口具有良好的EMI特性的總線供電能力在掛起時可控制LazyClock輸出可通過軟件控制與USB的連接符合ACPI、OnNOW和USB電源管理要求內部上電復位和低壓復位電路雙電源操作主端點的雙緩沖配置增加了數據吞吐量并輕松實現實時數據傳輸USB設計硬件原理圖3.3.3USB固件程序開發固件框架采用模塊化結構，由KeilC開發主循環：發送USB請求、處理USB總線事件和用戶功能處理等中斷服務程序協議請求處理底層命令接口硬件提取層主循環保持的讀指針

前臺主循環程序后臺中斷服務程序保持的寫指針循環數據區前后臺工作原理固件采用前后臺工作的編程思想，D12每發生一次中斷，后臺中斷服務程序改變相應的事件標志位，前臺主程序不斷檢測事件標志位狀態，完成相應功能。開始初始化資源循環DDS模式YNNNY主程序流程DDS波形產生ARB波形產生處理命令RAM寫數據ARB模式其他命令Y四、軟件系統設計PC驅動程序開發USB應用程序設計思想DLL動態連接庫的開發LabVIEW設備節點的開發4.1PC驅動程序開發驅動程序工作在核心態下，介于應用軟件和設備硬件之間驅動程序作用

驅動程序

應用軟件WDMVXD驅動程序模型VXDWDMNT

改進Win98WinNT98/NT/2000/XP支持PNP、電源管理、WMI1、即插即用查找設備INF安裝驅動程序2、適合Win98Win2000/xp1、驅動程序查找設備，安裝程序。2、適合于Win98/NT1、IRP結構2、電源管理3、分層驅動模型4、Windows管理診斷(WMI)WDM驅動程序NT驅動程序WDM驅動模型特點UserApplicationsWin32APICallSystemServicesI/OManagerIRPDRIVERHardwareAbstractionLayer核心態分層用戶態WDM模型介紹驅動程序開發工具介紹VisualC++DDKDRIVERSTUDIOWINDRIVER

難！方法二方法一

寄生USB設備驅動程序四大例程事務即插即用例程，完成自動識別USB設備，實現硬件資源分配和再分配，主要包括I/O端口、硬件中斷號等。電源管理例程，完成電源策略管理，決定什么時候應該采用何種電源策略。設備控制例程，負責設備的控制，主要是指對設備的一些操作命令的發送或者一些標志的讀取。用戶自己定義功能碼，上層應用軟件功能碼必須和驅動程序保持一致。數據讀寫例程，完成上層應用軟件API函數所對應的打開設備、關閉設備、讀設備和寫設備等例程函數。4.2USB應用軟件設計思想采用Win32API函數和驅動程序建立聯系。實現上層應用軟件的相應功能。常用訪問硬件的API函數有：

CreatFile()：打開驅動程序，獲取設備句柄

ReadFile()：獲取數據

WriteFile()：向設備寫數據

ControlIoDevice()：實現與外圍設備之間的讀寫操作

CloseFile()：關閉設備應用軟件開發工具選擇MFC+APIGraphicalProgrammingLabWindows/CVI

發展方向虛擬儀器軟件平臺應用軟件功能框圖模式選擇USB讀寫用戶界面波形選擇頻率設定波形選擇頻率設定讀取USB數據發送USB數據識別USB設備幅度設定模式選擇模式選擇點數設定波形顯示基于VC++6.0平臺開發VC開發環境使用相對復雜，需要花大量時間開發應用程序界面，界面開發遠不如Labview便捷、美觀，但是對于理解應用程序工作機理大有好處。MFC類庫Win32API基于LabVIEW平臺開發應用程序軟件NI軟硬件產品自定義設備LabVIEW不支持，用戶需要開發LabVIEW驅動融入DLL

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