新品類攝譜儀器理念多樣波形產(chǎn)生裝置研發(fā)
分析這些設計方案，盡管有成本低、實用等優(yōu)點，但也存在一些不足：（1）由于常用EPROM和非易失性存儲器的數(shù)據(jù)存取時間大多在60ns以上，所以不能產(chǎn)生頻率較高的波形；頻率上限值只有幾十千赫茲。這是多年來任意波形發(fā)生器的設計未能突破的“瓶頸”，因此實際應用范圍受到一定限制；（2）要實現(xiàn)波形類型可選、參數(shù)可控、系統(tǒng)帶幾種常規(guī)波形，則硬件結(jié)構復雜，設計難度大；（3）波形數(shù)據(jù)的寫入需要另外的技術，寫入過程也不方便，因此不能快速響應不常見的波形；（4）設置幅值、頻率、選擇波形等操作不夠直接和方便。
隨著計算機技術的發(fā)展，將數(shù)字波形合成技術應用于設計以PC機軟硬件系統(tǒng)為平臺、帶有虛擬儀器概念的任意波形發(fā)生器已有可能且很有必要。本文設計的任意波形發(fā)生器有以下特點：采用高速靜態(tài)雙端口RAM取代傳統(tǒng)設計方法中的EPROM和非易失性存儲器，結(jié)合計算機的分析、計算和對硬件電路控制的能力，配以高速D/A，完成任意波形的產(chǎn)生。由于雙口RAM的采用，大大簡化了任意波形發(fā)生器設計中用來對波形數(shù)據(jù)讀寫存儲器的兩套尋址和控制電路，降低了系統(tǒng)結(jié)構的復雜性。設計中采用常用數(shù)字電路和通用軟件平臺，可靠性高、人機界面友好、性能好、成本低。
性能指標（1）頻率：調(diào)節(jié)范圍0101Hz～12MHz（20點）（2）幅度：調(diào)節(jié)范圍±10V調(diào)節(jié)細度：80mV（3）垂直分辨率：8位（4）頻率穩(wěn)定度：0101%/min（5）非線性失真度：<2%采用ISA總線接口，帶多種常規(guī)波形，能接受用戶文本輸入函數(shù)式表示的任意波形，頻率、幅度等參數(shù)可控，波形產(chǎn)生后能脫機工作。
幅值調(diào)節(jié)電路假定要求該儀器系統(tǒng)產(chǎn)生一個任意周期波形函數(shù)F（x），其頻率為fout，可先對F（x）進行幅值歸一化處理，使其成為幅值為1的函數(shù)f（x），在一個周期（1/fout）內(nèi)按等距滿幅值為256采樣m個點，然后進行離散化函數(shù)求值D（i）=256f（2π×i/m）再將D（i）按一定的方式取整，得到Dint（i）=INT<256f（2π×i/m）>若將這m個波形數(shù)據(jù)從雙端口RAM的一個端口依次送入它的連續(xù)m個存儲單元，在另一個端口用一個高速2～256可編程任意進制計數(shù)器（設為m進制）組成的地址發(fā)生器循環(huán)依次掃描這m個地址單元，讀出的數(shù)據(jù)送入MDAC，再經(jīng)濾波放大，則產(chǎn)生了該波形。
實驗表明，一個周期內(nèi)由20個采樣點構成的還原信號是相當光滑的。設計中按采樣點數(shù)m盡量多（不少于20）取用是一個基本的原則，也達到了低通信號采樣定理的要求。
晶振及分頻選頻電路選用24MHz有源晶體振蕩器輸出的高穩(wěn)定度的脈沖信號，經(jīng)分頻電路逐級分頻為24種頻率的脈沖信號，經(jīng)數(shù)據(jù)選擇器選用其中的一種。PC機根據(jù)所需產(chǎn)生的波形參數(shù)計算出合適的地址發(fā)生器驅(qū)動時鐘，經(jīng)由ISA總線向分頻選擇端口發(fā)送二進制編碼至鎖存器選取這一時鐘頻率，產(chǎn)生驅(qū)動高速地址發(fā)生器的時鐘信號。
地址發(fā)生器電路地址發(fā)生器電路是由兩片4位二進制同步計數(shù)器74F161組成的片間快速進位的二進制計數(shù)器。為了實現(xiàn)任意波形的算法，將它設計成2～256可編程任意進制計數(shù)器。
波形數(shù)據(jù)存取電路IDT7130LA35P為1024×8的高性能靜態(tài)雙端口RAM，具有兩組獨立的數(shù)據(jù)、地址和控制線，每個端口獨立操作，都可以獨立地讀寫同一存儲體中的任意單元。PC機可以通過上端口完成波形數(shù)據(jù)的寫入，通過右端口讀出電路（高速地址發(fā)生器電路）可將存儲好的波形數(shù)據(jù)經(jīng)地址掃描讀出，送至高速D/A轉(zhuǎn)換器。由于軟件設計中總是先寫完波形數(shù)據(jù)再發(fā)送指令啟動地址發(fā)生器掃描，不會出現(xiàn)讀和寫同一單元的問題，因此勿需設計硬件仲裁電路。
數(shù)字調(diào)幅電路如圖3所示，通過幅值設置端口的鎖存器，可以設定精密運放OP-07輸出電壓的大小，由于它提供截止頻率為2MHz的四階巴特沃斯低通濾波器DAC0800的參考電壓，這樣就實現(xiàn)了波形幅值的程控。輸出電壓范圍為±10V，故幅值調(diào)節(jié)細度為：20V÷28=01078125V≈80mV。接口及控制電路接口及控制電路由總線驅(qū)動器、地址譯碼電路和鎖存器組成。地址譯碼電路產(chǎn)生6個連續(xù)的端口地址，它們的作用依次為：雙口RAM寫入端口地址；設置高速地址發(fā)生器端口（需鎖存器）；2個設置分頻選擇端口（控制選頻電路和濾波器選擇模擬開關，需鎖存器）；軟件復位端口；幅值設置端口（需鎖存器）。濾波器組電路采用一片高速運放AD827（雙運放）設計了一個四階巴特沃斯低通濾波器，為保證頻率量程范圍內(nèi)的增益特性滿足要求，截止頻率設計為2MHz，如圖4。設計中還選用了一片集成低通濾波器TLC04/14，通過設置分頻選擇端口的一個二進制位設置模擬開關的狀態(tài)，選擇一種低通濾波器工作，實現(xiàn)了頻率量程范圍內(nèi)的分段濾波。
軟件設計VC++具有高效的編譯效率，對底層端口操作方便、編程方法靈活。本虛擬儀器式任意波形發(fā)生器的研制，選用了VC++510作為開發(fā)平臺。系統(tǒng)實現(xiàn)的軟件流程如5。
結(jié)束本文介紹的虛擬儀器式任意波形發(fā)生器，運用了數(shù)字波形合成技術和日益成熟的計算機技術，使得該系統(tǒng)輸出精度高、穩(wěn)定性好、易操作、成本低。經(jīng)實際應用，取得了滿意的效果。
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