最新智能仪器设计实例PPT课件.ppt

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1、智能仪器设计实例一、背景和意义函数信号发生器是广泛应用于系统检测调试、自动测量控制和教学实验等领域的多波形信号源；可以产生正弦波、三角波、锯齿波、方波等多种波形，由于其输出的波形均可用数学函数描述，故命名为函数信号发生器；函数信号发生器在工业生产、产品开发、科学研究等实验测试中起着十分重要的作用，除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于生物医学等各个领域的测试。二、研究现状信号发生的主要实现方法有直接模拟法和直接数字法两种1、直接模拟法：采用模拟电子技术，由调谐振荡器和调幅放大器加上一些指示

2、电路构成，仅能产生正弦波、三角波、方波等几种简单的波形，其电路结构复杂、尺寸大且功耗大，并且频率不高，由于模拟电路温漂大而使得其波形稳定性差，且难以产生精准的频率信号，不易调试。2、基于相位累加器的直接数字合成法2、基于相位累加器的直接数字合成法核心是相位累加器，由一个加法器和一个相位寄存器组成，K是频率控制字，也是相位增量或步长；fclk是参考时钟的频率，N是相位累加器的位数，位宽是2N，数据存储器中存储的是一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0-360°范围的一个相位点，存储器共有

3、2N个地址空间，即把360分割成2N份。每来一个时钟fclk，相位累加器就把频率控制字K与相位寄存器输出的累加字相加，相加后得到的结果作为查询表（ROM存储器）的地址，同时把这个累加值再送到加法器作为下一次累加的输入。相位累加器的输出是一个等差数列，是相位累加器的初始值，n是参考时钟的个数。2、基于相位累加器的直接数字合成法相位增量（频率控制字）不同时,一个周期内的取样点数不同，相位寄存器每经过2N/K个fclk时钟后回到初始状态，输出信号的频率是频率控制字与输出信号频率和参考时钟频率之间的关系为：

4、通过改变相位累加器的频率控制字K或者参考时钟频率fclk来改变输出信号的频率。2、基于相位累加器的直接数字合成法工作原理：从连续信号的相位出发将信号取样、量化、编码,形成一个函数表,存在波形存储器中。基于相位与幅度的对应关系,通过改变频率控制字K来改变相位累加器的相位增量,然后在参考时钟的控制下取样,取样得到的相位值通过相位－幅度转换得到相位值对应的幅度序列,幅度序列再通过D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波器后便输出了光滑的合成信号。DDS相位码和幅度码的关

5、系高性能DDS单片电路三、技术指标电压输出范围：0～±10V精度：0.5%FS输出波形：正方波、负方波、正负方波、阶跃波、单三角波、连续三角波、锯齿波、指数波、半正弦波、正弦波、任意波形（包括再现用户实测采样波形）输出波形频率范围：0.12Hz～50kHz环境温度：-10～50℃相对湿度：＜80％电源要求：可在无市电电源场合使用，电源噪声小四、整体方案设计及工作原理1、整体设计方案：采用虚拟仪器技术、直接数字合成技术和计算机技术设计并研制低成本、高精度、人机界面友好的函数信号发生器。此方案硬件实现电

6、路简单，电路中省去了单片机、液晶显示以及按钮等，节省仪器成本。2、工作原理：仪器工作过程完全由计算机通过USB接口来控制；用户通过计算机软面板输入幅值、频率、基线和占空比等波形参数，计算机接收这些信息，分析后计算出地址计数器时钟信号的频率和一个周期的波形数据个数，再计算波形幅度量化数据，通过接口电路和控制器把波形数据顺序存储到波形存储器。利用可程控的时钟发生器推进地址计数器扫描地址，波形存储器中的数据被同步时钟循环地读出，同时启动D/A变换器，D/A变换器输出的模拟信号经过电压跟随器和低通滤波器即可

7、得到所需要的模拟信号波形。四、整体方案设计及工作原理采用标准函数法，是通过选取标准函数（如正弦函数，三角函数，方波函数，锯齿波函数等）来得到波形数据的。当波形的函数表达式已知时，利用软件编程产生波形数据；波形数据是信号波形幅值的数字量表示，是指在规定的同步时钟周期内用“1”或“0”数字状态来定义波形，即波形数字化。由于存储器存储容量有限，因此当系统连续的输出信号时，只能是周而复始地重复读出存储器中一部分或全部的波形抽样数据。为了保证波形质量，应该使一个周期内的存储点数足够多。五、波形数据的获取以正弦

8、波为例说明波形数据是如何产生的。正弦波的函数表达式是：式中：Amp—输出波形幅值，Base—输出波形的基线，N—波形在一个周期内的采样点数。其中Amp和Base是由用户设定的，Amp和Base应该满足：0＜Amp≤10，－10≤Base≤10。公式1五、波形数据的获取根据公式1，正弦波在一个周期内的采样点值是：再将f(i)按DAC的比特数取整，从而得到：式中：n—数模转换器DAC的位数，n=16，INT—取整函数五、波形数据的获取每个周期共有N个点，式中：fosc是时