实用信号源设计

实用信号源设计

一、实验目的                                                                                                                  返回

1．理解实用信号源设计的基本原理。
2．掌握实用信号源的软件设计方法。

二、实验内容

1．外接示波器观察数字合成信号源产生的波形，设定不同的幅度和频率，观察所得波形的变化。
2．用信号源高级设置设定波形输出。
3．使用键盘试验板上的按键，作为信号源的控制和数字按键。
4．输出要求的复杂组合波形的信号。

三、实验器材

1．计算机                               1台
2．SJ-8002B电子测量实验箱               1台
3．键盘实验板                           1块
4．数字示波器                           1台

四、实验原理

1.直接数字合成基本原理

（1）DDS组成原理

   直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。其完整的DDS原理框图如图1所示。

                            图1   DDS组成原理

   主要由：相位累加器、ROM波形存储器、DAC数模转换器以及低通滤波器组成。整体的工作原理如下：首先相位累加器根据输入的频率控制码输出相位序列，并作为波形存储器RAM的地址，RAM里面可以是预先存放的固定波形的一个周期的幅值编码，也可以是用户在使用过程中存入的任意波形的幅度编码，这样RAM的数据线上就产生了一系列的幅度编码数字信号，然后把该编码经过D/A转换得到模拟的阶梯电压，最后经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要的模拟波形。
   频率控制字和时钟频率共同决定着DDS输出信号的频率，频率分辨率正比于系统的时钟，而反比于相位累加器的位数。
它们之间的关系满足：                                 （公式1）
相应的，其频率分辨率为：                                （公式2）

  （2）相位累加器原理

   如果改变地址计数器计数步进值（即以值来进行累加），则在保持时钟频率和ROM数据不变的情况下，可以改变每周期采样点数，从而实现输出频率的改变。例如：设存储器中存储了个数据（一个周期的采样数据），则地址计数器步进为1时，输出频率，如果地址计数步进为，则每周期取样点数为，输出频率

  （3）DDS的性能

    DDS信号源输出的信号实际上是以时钟的速率对波形进行取样，从获得的样本值中恢复出来的。根据取样定理，所以。实际中一般取。当时，输出频率最小，。输出频率的分辨率由相位累加器的位数决定，即 。
    例如：参考时钟频率为1GHz，累加器相位为32位，则频率分辨力为0.233Hz。而改变时，其频率分辨力不会发生变化，因此DDS可以解决快捷变换与小步进之间的矛盾。由于D/A、存储器等器件的限制，DDS输出频率的上限不高，目前仍只能达到几十MHz。

   2.信号源硬件原理图

                                          图 2     硬件原理图

   3.程序中高级设置输出波形原理

   信号源高级设置包括波形，频率相关（时钟频率，步进），幅度相关（幅度初调，幅度微调）等几部分的设置。
   ①频率设置
   频率设置
              
  ——输出信号频率。
  ——时钟频率，可取值80M，40M，20M，10M，5M，1.25M，625K，156.25K。
   N——SJ—8002B主板的相位累加器是24位，故N＝24。
   K——频率控制字，其大小? 0≤K<2N－4 。
  
   H——步进高4位，取值范围0～15。
   M——步进中8位，取值范围0～255。
   L——步进低8位，取值范围0～255。????????? ????
   例如：选择“时钟频率”=80MHz，“步进高位”H=0，“步进中位”M=5，“步进低位”L=25，则可以得到频率控制字 ，再由公式得到。

  注意：设置的步进高位范围是0～15，步进中位范围是0～255，步进低位范围是0～255。

  ②幅度设置
   依据公式
   V——输出的峰值幅度。
   M——幅度初调（幅度分辨率），取值0.005，0.01，0.02，0.04。
   N——幅度微调，取值范围50～250。
   例如：“幅度初调”选择为0.01N，则幅度分辨率M=0.01；“幅度微调”设定N=150，则可得输出信号的峰值幅度   

  4．矩阵式键盘的原理

 （1）矩阵式键盘

   键盘是由若干按键组合而成的，常采用矩阵式连接，称为矩阵式键盘，即每条水平线和垂直线在交叉处通过一个按键加以连接。当需要的键数比较多时，采用矩阵连接可以减少I/O口的占用。

  （2）矩阵式键盘的编程

   矩阵式键盘连接可分为编码式和非编码式两种。对于非编码式连接的键盘，其应用编程可分为：判键、识键部分和键处理部分。
   ①判键和识键
   即指判断是否有键按下和确认所按下键的位置。确定矩阵式键盘上何键被按下采用一种“行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法。
   无键按下时，矩阵式键盘的行，列线通过上拉电阻均为高电平（见图4）。然后，依次将键盘逐行置低，同时取出输入列线状态，若此时输入不为全高（0xFF），则表明该行有键被按下。因为行线输出有低电平，一旦该行有键按下，则输入线就会被拉低。这样，就可得判断出是否有键按下了。同时，可根据置低的行线和读入的输入线的状态，找出被按下的键位置。
在判键过程中，还要加入按键去抖动处理。一次按键的完整过程如图3所示（按键按下时，键盘输入线上呈现的波形），按键的抖动

                     图3 按键抖动波形

包括前沿抖动（刚按下时）和后沿抖动（释放时）两个过程，抖动持续时间与按键弹簧的机械特性有关，通常为几ms至几十ms，可采用软件延时的办法进行处理。
    ②键处理
    键处理即在识别到某键按下后，作出不同的处理。在应用上，一般将键盘分为功能键和数字键（也可两者复用），功能键一般采用散转的办法，让程序执行不同的操作。
    实际上，键盘处理是很复杂的，它往往占到一个应用程序的大部份代码，但这种复杂不来自于设备的本身，而是来自于操作者的习惯等等问题。因此，在编写键盘处理程序之前，应先把它从逻辑上理清，然后用适当的算法表示出来，最后再编写代码。

   5．矩阵式键盘的实验电路

                                图4   矩阵式键盘连接图

    实验电路是采用2×8的矩阵键盘电路，键盘的行线通过由74LS273锁存器构成的输出接口（端口地址为70H）输出，列线通过74LS245总线接收器构成的输入接口（端口地址为74H）输入。键盘共16个键，定义了功能键：F1、F2、F3、F4、CR键共五个；数字键：0~9及小数点共十一个（如图4所示），使用者可以自己定义每个键功能和相应的处理。

                         图5 键盘端口地址

 右图5为判键和识键过程中所需要用到的键盘地址和控制字。 本实验共用到三个端口地址：70H：通过74LS273锁存器，控制扫描键盘的行线。 74H：通过74LS245总线接收器，读取控制扫描键盘的列线状态。73H：控制键盘面板上的LED指示灯。

五、设计指导

   1.信号源高级设置部分

   1）结构流程图

                          图6    高级设置部分结构流程图
    ２）树形图

                                    图7   高级设置部分调用结构
    3）功能与前面板设计

                                              图8   高级设置前面板

表1   高级设置控键及显示键汇总

编号	名称	功能	位置	备注
1	时钟频率		All controls>Ring&Enum>Enum
2	步进高位	步进值高4位	All controls>Numeric>Numeric Control	取值范围0~15
3	步进中位	步进值中8位	All controls>Numeric>Numeric Control	取值范围0~255
4	步进低位	步进值低8位	All controls>Numeric>Numeric Control	取值范围0~255
5	幅度微调		All controls>Numeric>Numeric Control	取值范围50~250
6	幅度初调		All controls>Ring&Enum>Enum
7	启动	依据参数启动信号	All controls>Boolean>OK Button	按下后依据面板上设定的值，启动相关信号源。
8	波形选择	选择输出的波形	All controls>Ring&Enum>Menu Ring	选择16种波形中1种。
9	图形框	显示所选波形示意图	All controls>Graph>Waveform Graph	设置参数：X轴：0～502，Y轴：－10～266。

    注：2通道的情况与1通道类似。

   4）动态调用链接
    本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。

                                   表2   高级设置中动态调用说明

fp函数	实现功能	输入参数	输出参数	参数说明	动态链接图标
void inti_wave1	初始化信号源,把波形数据写入SRAM	int DDS_channle unsigned char wave _data[] unsigned char shape	无
void profession_source	依据相关参数,启动信号源	int DDS_channle unsigned char clk_cw unsigned char fcw_L unsigned char fcw_M unsigned char fcw_H unsigned char shape unsigned char gain_cw unsigned char vef_cw unsigned char filter_cw	无	Clk_cw:时钟选择的控制字。 Fcw_L: 步进低8位。 Fcw_M: 步进中8位。 Fcw_H: 步进高4位。 Gain_cw:幅度增益控制字。 Vef_cw: 幅度微调控制字。 Filter_c：滤波频率选择控制字。

 

   2.信号源键盘控制部分

   1）结构流程图

图12 信号源键盘控制部分结构流程图

    ２）树形图

                                   图13  信号源键盘控制部分结构树形图

     3）功能与前面板设计

图14    信号源键盘控制部分前面板

表3   信号源键盘控制部分控键及显示键汇总

编号	名称	功能	位置	备注
1	波形选择	选择输出的波形	All controls>Ring&Enum>Menu Ring	选择16种波形中1种。
2	波形指示灯	显示正在通过键盘板设置波形	All controls>Boolean>Round LED
3	峰值幅度	设置波形幅度	All controls>Numeric>Numeric Control
4	幅度指示灯	显示正在通过键盘板设置幅度	All controls>Boolean>Round LED
5	信号频率	设置信号频率	All controls>Numeric>Numeric Control
6	频率指示灯	显示正在通过键盘板设置信号频率	All controls>Boolean>Round LED
7	启动	依据参数启动信号	All controls>Boolean>OK Button	按下后依据面板上设定的值，启动相关信号源。
8	频率按键输入	通过键盘板输入的字串，来给频率赋值。	All controls>string & path>String Indicator
9	启动指示灯	显示键盘板上启动键已经按下	All controls>Boolean>Round LED
10	幅度按键输入	通过键盘板输入的字串，来给幅度赋值。	All controls>string & path>String Indicator
11	图形框	显示所选波形示意图	All controls>Graph>Waveform Graph	设置参数：X轴：0～502，Y轴：－10～266。
12	退出	退出整个程序	All controls>Boolean>OK Button

   4）动态调用链接
   本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。

                            表4   信号源键盘控制部分使用的动态调用一览

fp函数	实现功能	输入参数	输出参数	参数说明	动态链接图标
void epp_init	初始化EPP接口	无	无
void epp_write_data	将数据data输出(写入)到sj8002的端口地址sj8002addr。	Unsigned char sj8002addr, unsigned char data		sj8002addr: sj8002的端口地址。 data:要写入sj8002的数据。
void easy_source	依据相关参数,启动信号源	int DDS_channle double amp double fr unsigned char shape unsigned char filter_cw	无	Amp:信号幅值,单位V。 Fr:信号频率，单位Hz。 Filter_cw:滤波频率选择控制字。

void inti_wave1

初始化信号源,把波形数据写入SRAM

int DDS_channle unsigned char wave _data[] unsigned char shape

无

   3.信号源公式输入部分

   1）结构流程图

        图22      信号源公式输入部分结构流程图

２）树形图

          图23  信号源公式输入部分结构树形图

   3）功能与前面板设计

图24    信号源公式输入部分前面板

表5   信号源公式输入部分控键及显示键汇总

编号	名称	功能	位置	备注
1	公式错指示灯	公式编辑窗口公式输入错误。	All controls>Boolean>Round LED
2	波形公式输入	通过键盘板输入的字串，来给幅度赋值。	All controls>string & path>String Control
3	频率f	设置信号频率	All controls>Numeric>Numeric Control
4	峰值幅度	设置波形幅度	All controls>Numeric>Numeric Control
5	频率系数k	设置频率系数	All controls>Numeric>Numeric Control	若公式为周期函数，则输出信号频率为“频率”ד频率系数”。否则输出信号频率就等于“频率”。
6	启动	依据参数启动信号	All controls>Boolean>OK Button	若公式输入正确，按下后依据相关参数，启动1通道信号源。
7	图形框	显示所选波形示意图	All controls>Graph>Waveform Graph	横坐标为时间t：0～1 纵坐标为归一化的Y值。

注：公式编辑器设定的采样频率FT=4096,采样点数为4096。

   4）动态调用链接
    本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。

                           表6   信号源键盘控制部分使用的动态调用一览

fp函数	实现功能	输入参数	输出参数	参数说明	动态链接图标
void double_to_int	归一化数组：double数据组变为 最大值为4000的int数组	double doublein[], int points,	int inout[]	doublein[]：输入的double型数组。 points ：doublein[] 数组的点数。 Inout：转化以后的int数组。
void easy_source	依据相关参数,启动信号源	int DDS_channle double amp double fr unsigned char shape unsigned char filter_cw	无	Amp:信号幅值,单位V。 Fr:信号频率，单位Hz。 Filter_cw:滤波频率选择控制字。
void inti_wave1	初始化信号源,把波形数据写入SRAM	int DDS_channle unsigned char wave _data[] unsigned char shape	无

 

   4.信号数据文件部分

   在执行过程中写入SRAM的文件为二进制文件形式。面板上显示所调用的文件是由数组生成的波形文件。其中，各写入SRAM的波形资料见下表：
                                   表7   波形存储一览

波形	存储编号	文件名
正弦波	1	写入波形文件1.bin
方波	2	写入波形文件1.bin
锯齿波	3	写入波形文件1.bin
全波整流	4	写入波形文件1.bin
调幅波	5	写入波形文件1.bin
调频波	6	写入波形文件1.bin
窄脉冲波	7	写入波形文件1.bin
台阶波	8	写入波形文件2.bin
三角波	1	写入波形文件2.bin
梯形波	2	写入波形文件2.bin
M波	3	写入波形文件2.bin
对数波	4	写入波形文件2.bin
钟形波	5	写入波形文件2.bin
辛克波	6	写入波形文件2.bin
高斯噪声	7	写入波形文件2.bin
直流	8	写入波形文件2.bin

  注：各种波形存储位置：4096×（存储编号－1）～ 4095×存储编号。

六、调试与测试

   1、信号源高级设置部分
    ①按如图方式，进行硬件连线。

                    
                         

                             图28  信号源高级设置实验时的硬件连线

   ②依据前面描述的原理，分别设定1通道各参数，点击启动，观察示波器显示的值是否与计算的一致。
   ③对于2通道，重做②描述的过程。
   ④完成下面的表格

                                    表8   信号源高级设置的数据观察记录表

要求信号频率 （Hz）	信号幅度（峰值）V	选择 时钟 频率	步进 H	步进 M	步进 L	测试输出信号频率（KHz）	幅度初调	幅度微调	输出信号幅度峰值（V）
100	1	1．25M
2K	2.5	20M
2K	4	5M
80K	6	20M

   2、键盘控制部分
   键盘板在控制波形产生时的格键含义

表9   键盘各键复用一览

按键名称	复用功能	备注
F1	波形设置
F2	幅度设置
F3	频率设置
F4	启动信号源
CR	输入确认	表明幅度，频率输入结束或波形已经选定。
。	小数点	频率或幅度输入时代表小数点
0	数字0和正弦波	波形设置时代表选取正弦波
1	数字1和方波	波形设置时代表选取方波
2	数字2和锯齿波	波形设置时代表选取锯齿波
3	数字3和全波整流	波形设置时代表选取全波整流
4	数字4和窄脉冲波	波形设置时代表选取窄脉冲波
5	数字5和三角波	波形设置时代表选取三角波
6	数字6和梯形波	波形设置时代表选取梯形波
7	数字7和M波	波形设置时代表选取M波
8	数字8和钟形波	波形设置时代表选取钟形波
9	数字9和辛克波	波形设置时代表选取辛克波

      
1. 按如图方式，进行硬件连线。

                       图29   键盘输入实验时的硬件连线

   ②按下F1键选择波形，观察“波形设置”灯亮后，通过按键选择波形，确定后，按下CR键，灯熄灭，表示波形选择结束。
   ③按下F2键准备输入幅度，观察“幅度设置”灯亮后，通过按键输入幅度值，此时输入显示在“幅度按键输入”框，并同时由字串转化为数字，显示在“峰值幅度”框（注意字串不要输错）。若输入结束，按下CR键，灯熄灭，表示幅度设定。
   ④按下F3键准备输入频率，观察“频率设置”灯亮后，通过按键输入幅度值，此时输入显示在“频率按键输入”框，并同时由字串转化为数字，显示在“频率”框（注意字串不要输错）。若输入结束，按下CR键，灯熄灭，表示频率设定。
   ⑤按下F4键启动信号源，此时“启动指示”灯亮，然后熄灭，观察此时波形显示框的波形是否与选定波形一致，同时观察外部的示波器，检查频率、幅度、波形是否与设定的值相同。
   ⑥直接在程序面板上输入波形、幅度、频率，然后点击启动按键，观察此时波形显示框的波形是否与选定波形一致，同时观察外部的示波器，检查频率、幅度、波形是否与设定的值相同。
   ⑦完成下表

                                  表10  键盘控制波形输出的数据观察记录表

输出波形	设定信号幅度（V）	设定信号频率（kHz）	输出是否正确
正弦波	2	100
三角波	3	40
钟形波	5	50
辛克波	4	60

   3、公式输入部分
    ①按如图方式，进行硬件连线。

                           

                                        图30   公式输入实验时的硬件连线

   ②在波形公式框输入任意周期信号，例如cos(w×t)，设置峰值幅度、频率和频率系数，，按下启动按键，观察示波器的频率是否为频率×频率系数，峰值幅度，波形是否与设定的一致。
   ③在波形公式框输入任意周期信号，例如t+t^2，设置峰值幅度、频率和频率系数，，按下启动按键，观察示波器的频率、峰值幅度、波形是否与设定的一致。
   ④完成下表。
                                  表11   通过公式产生波形的数据观察记录表

设定的波形	设定信号幅度（V）	设定信号频率（kHz）	设定的频率系数	输出信号频率（KHZ）	输出是否正确
Sin(w*t)	2	10	2	20
cos(3*w*t)	3	4	5	60
sin(w*t)*sin(2*pi(1)*t)	4	3	20	60
T+t^4	1	60	1	60

七、备注

   注意：数字合成信号源的输出信号频率范围：正弦在1Hz~2MHz，方波在1Hz~500KHz，其它波形在1Hz~200KHz范围内。峰值幅度范围0.1V~8V，设定各参数时需保证输出信号在此范围内。同时调幅波载波频率为输入频率的16倍，调频波载波频率为输入频率的7~25倍。