CN102866272A - 虚拟电子测量仪器集成系统之综合信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明是以虚拟仪器技术作为解决方案，基于虚拟电子测量仪器集成系统总线VIIS-EM和系统控制器而设计的一种综合信号发生器。硬件结构是VIIS-EM总线之上的一个板卡，承担信号输出任务，包括总线接口通信、DDS信号发生、信号调理三部分，充分利用了FPGA内部资源，技术成本大大降低，并提高了信号发生器的性能。软件结构包括上层应用软件和仪器驱动程序两部分，实现的波形信号包括标准波形信号、任意波形信号、函数信号、扫频信号、调制波形信号等几大类。本发明改变了传统硬件化信号发生器的整体设计思路，是在“虚拟电子测量仪器集成系统”这样一个大的理念之下的一个独立仪器单元，实现了一种以软件为核心的虚拟信号发生器，并具有良好的软件可重构性和开放性。

Description

虚拟电子测量仪器集成系统之综合信号发生器

技术领域

本技术发明是一种虚拟综合信号发生器，涉及虚拟仪器总线技术和电子测量技术领域，具体讲是一种以计算机为硬件平台核心，基于虚拟电子测量仪器集成系统总线VIIS-EM(Virtual Instrument IntegrationSystem for Electronic Measuring)，由系统控制器控制，用软件方法生成的综合信号发生器。

背景技术

(1)在测量电子系统的电气特性时，需要对该系统输入必要的激励信号，信号发生器就是一种能提供各种所需波形和参数，用作电子测量的激励信号源。在科研、教学、生产和工程技术中有着广泛的应用。电子测量中所需要的信号源有很多种，主要有标准波形信号发生器和任意波形/函数信号发生器两大类，其中标准波形信号发生器输出标准(基本)波形，如正弦波、方波、矩形波、三角波、锯齿波等等，任意波形/函数信号发生器输出用户自定义的任意波形，如扫频信号、调制波形信号、随机信号、伪随机信号、噪声信号等等。

(2)虚拟仪器技术是计算机技术和仪器技术的深层次结合，其以计算机为基础平台，利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成测试、测量任务。仪器的操作、测量、控制、分析和显示等功能均由软件来实现，通过修改软件即可修改或增减仪器的功能，充分体现了“软件就是仪器”的新概念和技术理念。虚拟仪器以其性价比高、灵活性好、功能丰富、速度快等优势成为仪器仪表领域的研究热点。

(3)虚拟电子测量仪器集成系统是吉林大学虚拟仪器实验室研发的一种基于虚拟仪器技术方案的模块化仪器集成系统，系统采用“一个控制器加多个仪器模块”的体系结构和设计思想，将各类通用的电子测量仪器模块化、板卡化，通过所定义的专用仪器总线VIIS-EM集成到一个3U机箱中。

VIIS-EM总线是专门为虚拟电子测量仪器集成系统定义的一种总线。系统控制器负责命令的解析与数据的传输，控制各功能模块协调工作，并通过USB2.0接口与计算机通信。仪器模块包括任信号发生器、示波器、频谱分析仪、逻辑分析仪、LCR测试仪、集成电路测试仪等等。

发明内容

1.技术问题与本发明的目的

(1)电子测量工作中所需要的信号波形种类很多，如背景技术(1)所述，并且要求信号频率范围宽、可以方便调节、具有较高的精度。采用传统硬件化信号发生器的技术方案来实现这一目标，往往是一种波形信号就需要一种特定的电子电路来实现，技术成本很高，且难以充分达到和满足需求，因此硬件化的信号发生器品种繁多。

(2)电子测量技术领域需要一个能够提供系列信号波形以作为电子测量激励源的技术解决方案，也就是需要一个既能生成绝大多数常规波形信号，又能产生任意波形/函数信号，同时还能输出用户自定义信号的信号发生器。在最精简的硬件系统设计方案前提下，采用以软件为核心的虚拟仪器技术是这一技术问题的优选解决方案，因此可称之为虚拟综合信号发生器。

(3)电子测量工作中，需要信号源、时间域、频率域、数字域等各类电子测量仪器配合协同工作，因此将各类电子测量仪器集成于一个统一的平台之上是电子测量仪器的发展趋势，采用虚拟仪器总线技术实现这一系统集成，是最为有效的技术方案，因此称之为虚拟电子测量仪器集成系统。虚拟综合信号发生器是基于虚拟电子测量仪器集成系统体系结构的模块化仪器之一。

2.本发明的具体内容

本技术发明是基于虚拟电子测量仪器集成系统总线VIIS-EM和系统控制器而设计的一种信号发生器。

信号发生器硬件结构

硬件结构包括总线接口通信模块、DDS信号发生模块、信号调理模块三个主要部分。

(1)总线接口通信模块，主要包括微处理器和双口RAM寄存器，微处理器采用AT89C52型号单片机，微处理器通过双口RAM实现与系统总线接口的通信。

(2)DDS信号发生模块，该部分利用FPGA来实现，是信号发生器的核心，包括时钟发生、同步触发控制、相位累加器、波形数据存储器和D/A转换。

(3)信号调理模块，包括放大电路和滤波电路等，它们将输出的信号进行放大，滤波，并同时具有幅度调节，直流偏置调节，输出哀减等功能，该部分由微处理器控制。

信号发生器软件结构

信号发生器软件结构包括上层应用软件和仪器驱动程序两部分。

(1)信号发生器上层应用软件采用图形化虚拟仪器软件开发平台LabVIEW编写，分为标准波形信号发生模块，扫频信号发生模块，任意波形/函数信号发生模块。在程序设计中，将程序划分为输入参数部分，调用外部程序部分以及输出显示信息部分。输入参数部分用输入控件表示参数的信息；调用外部程序部分采用LabVIEW中提供的CLF节点函数，通过CLF节点调用外部动态链接库，将LabVIEW中的数据类型映射为仪器驱动程序中对应函数的参数；输出显示信息部分通过文本方式输出操作的状态。

(2)、仪器驱动程序是根据可互换虚拟仪器驱动(IVI)的设计思想，将与仪器有关的I/O操作封装成函数的形式，采用软件Microsoft Visual C++编写，为上层软件提供调用函数的接口。在构建信号发生器应用程序时，按功能调用该模块，无需了解和掌握低层的仪器命令集。信号发生器驱动程序对应用程序开发人员隐藏了仪器的细节，只对其调用程序提供了比较简单高层的接口，而且每一个对外接口都实现了一个相对完整的功能。

3.本发明的有益效果

(1)本发明改变了传统、经典、硬件化信号发生器的整体设计理念和设计思路，是在“电子测量仪器集成系统”这样一个大的理念之下的一个仪器单元，是整个电子测量仪器集成系统的一个独立模块。虚拟综合信号发生器电子系统的硬件结构是VIIS-EM总线之上的一个板卡。

(2)本发明超越了模拟信号发生器和数字信号发生器的设计方案，实现了一种完全意义上的以软件为核心和关键的虚拟信号发生器，是一款真正意义上的综合信号发生器，波形与信号种类包括标准波形信号、任意波形信号、函数信号、扫频信号、调制波形信号等几大类。软件实现仪器的测试功能和人机交互，是整个测试仪器的关键，所发生信号的参数由软件进行控制，可以灵活定制用户需求的波形，具有良好的的软件可重构性和开放性。可根据实际情况进行更新和扩展，硬件承担的任务是信号输出，技术成本大大降低。

(3)本发明利用FPGA编程所实现的硬件功能在本发明中起到了重要而且良好的效果。充分利用了FPGA的内部资源，将时钟发生、同步触发控制、相位累加器、波形数据存储器等逻辑电路都集成在一片FPGA内部，增强了信号发生器的硬件可重构特性，提高了信号发生器的性能。

附图说明

图1虚拟综合信号发生器硬件结构与功能框图

图2信号调理电路结构框图

图3FPGA上累加器的实现：

图4.DAC接口电路

图5差分放大电路

图6.9阶椭圆滤波器

图7虚拟综合信号发生器板卡实物图

图8虚拟综合信号发生器软硬件层次结构模型

图9USB驱动程序工作流程图

图10虚拟综合信号发生器软件结构方框图

图11DDS标准波形信号软件程序框图

图12DDS扫频信号软件程序框图

图13DDS任意波形信号软件程序框图

图14虚拟综合信号发生器软件前面板

具体实施方式

信号发生器硬件实施方式

本实施方式中，基于VIIS-EM总线的虚拟综合信号发生器的结构与功能框图如图1所示，

(1)总线接口通信模块，主要包括微处理器和双口RAM寄存器，微处理器采用AT89C52型号单片机，通过双口RAM实现与系统总线接口的通信。微处理器负责系统的初始化并处理系统总线发送过来的命令，控制相应的电路单元。微处理器采用定时器0中断的方式与总线通信，在系统工作时，微处理器打开中断处理请求，侦听总线发送来的中断信号，当有命令发送过来时，产生中断，读取双口RAM中的消息命令，并调用相应的控制命令函数，实现对波形输出的控制。

(2)DDS信号发生模块，该部分利用FPGA来实现，是信号发生器的核心，包括时钟发生、同步触发控制、相位累加器、波形数据存储器和D/A转换。微处理器根据总线发送来的波形配置信息控制各个模块进行DDS信号合成，从连续信号的相位出发，将信号在一个周期内取样、量化、编码，形成一个相位和幅度对应的波形表，存放在波形存储器中。合成时，通过一个地址发生器对波形表中的波形数据周而复始的寻址读出，再经过D/A变换和低通滤波后，获得了所需要的各种信号波形。

2.1相位累加器，通过FPGA(EP1C3T144C8)内部的模拟锁相环来实现高频参考时钟，将外部的20MHz时钟倍频到80MHz供内部电路使用，以降低系统的电磁干扰。锁相环的输出作为相位累加器的参考时钟，在参考时钟的控制下对32位频率控制字进行累加。将累加器的高13位和相位控制字相加，其结果送数据存储器(SRAM)寻址。数据存储器选用CY7C1021CV33-12实现(64K×16位)将数据存储空间分成2个部分。一部分为函数波形，另一部分为用户定制波形。

2.2DAC902接口电路：DAC902接口电路采用外接参考电压的方式，其为差分电流输出，通过2个50Ω的取样电阻将电流信号转换成差分的电压信号。

(3)信号调理模块，包括放大电路和滤波电路等，由微处理器控制，实现信号放大、滤波、幅度调节、直流偏置调节、输出衰减等功能。

3.1差分放大电路：DAC902输出2路差分的信号，通过差分放大电路将差分信号转换为双极性的单端信号，同时将电压放大1.5倍，变成+/-2.5V峰值输出.

3.2椭圆滤波电路：DDS输出的波形可以分为主波形和任意波形。主波形是正弦波，频谱分量单一，主要是在通带内保持一定的平坦度，在阻带内保证足够的衰减来抑制协波，以满足主波形的输出要求。9阶椭圆滤波器，过渡带比较窄在20MHz处哀已达40dB，30MHz处衰减大于80dB，可以很好的抑制谐波。

3.3-5V～+5V直流电压的实现：MAX6001输出1.25V的电压基准信号作为DAC7513的电压基准，同时作为OPA2277(U11B)的一个输入。DAC7513输出0～1.25V的电压信号，经过OPA2277(U11B)转换成-1.25V～+1.25V输出，再经过OPA2277(U11A)放大4倍，将电压放大到-5V～+5V。直流偏置电路的电压分辨率为2.44mV。

3.4加法电路：经椭圆滤波器输出的信号与-5V～+5V直流电压相加，再通过电压跟随后输出带直流偏置的波形。需要注意的是，这里将波形电压放大了2倍，与差分放大部分结合，刚好对DAC902输出的电压放大了5倍，使波形电压的幅度可在-5V～+5V范围内变化。

3.5信号输出衰减电路：为了适用于不同的场合，信号的输出部分都带有衰减器。信号发生器的输出哀减网络大多采用电阻哀减器，其特点是工作频带较宽，工艺上容易实现。输出哀减器常用的电路有T型、π型或两种形式的混合。本设计采用了2级π型衰减电路，每级哀减4.9倍，输入、输出阻抗均为50Ω，通过两个双刀双置继电器切换实现。

合成的数字信号通过DAC902接口电路转换为模拟信号输出。DAC902采用外接参考电压的方式，其为差分电流输出，通过2个50Ω的取样电阻将电流信号转换成差分的电压信号。

信号发生器软件实施方式

(1)信号发生器的软件设计中通过调用动态链接库(DLL)中的函数，来实现软件与硬件的交互。即在LabVIEW中，通过“互联接口.库与可执行程序.调用库函数”节点(CLN)，把LabVIEW中的数据类型映射为相应函数的参数，只需在LabVIEW中设置相应控件的值，就可以将这些设置的值传递至DLL中的对应函数的参数中，以实现软件对硬件的控制。DLL的加载方式为动态加载，即在应用程序启动时先不载入DLL，只有在使用到DLL中的某个函数时，才把DLL载入内存，相对于静态加载方式，既提高了程序效率，又不会因为缺少某个暂时不用到的DLL而影响程序运行。

应用程序通过CLN节点调用动态连接库中的函数，实现与USB驱动程序的接口，达到和USB控制器的通信，控制信号发生器。系统通过动态连接库将与仪器有关的I/O操作都封装成函数的形式提供给应用程序。这样，编写应用程序时不必了解仪器的具体实现细节，大大提高了编程的灵活性和编程的效率。

上位机通过CLN节点将LabVIEW中的数据类型映射为相应函数的参数，在函数中将传递的参数构成一个具有16B的消息头和48B的用户自定义消息参数，用于和USB驱动程序进行通信。

(2)虚拟信号发生器以LabVIEW软件为开发环境，以其内部各功能函数为实现方式，采用模块化设计思想。软件前面板用于设置参数，具有标准信号的参数设置、扫频信号的参数设置、任意波形信号的下载与发生设置三个部分。

(3)标准信号发生模块，包括槽号选择、信号类型选择、功能设置三个单选输入控件以及幅值调节、偏置调节、频率设置三个旋钮型输入控件。系统通过程序框图中的CLF节点函数将所设置的参数值传递至动态调用的仪器驱动程序。并同时在前面板输出程序的运行状态，以及所设置的各参数值信息。

(5)扫频信号发生模块，包括扫频信号起始频率、频率分辨率、频点个数、频点间延控字四个数值型输入控件，扫频方式下拉列表输入控件以及扫频信号开关布尔型输入控件。系统调用动态链接库，在程序框图中通过CLF节点函数将参数值传递至仪器驱动程序中的函数，并同时在前面板上输出运行状态。

(4)任意信号发生模块，包括任意信号的下载设置模块和任意信号的发生设置模块。任意信号的下载模块需要在程序框图中根据用户的需求编程出对应函数的一个周期，系统调用动态链接库，通过CLF节点函数将函数一个周期内的数据传递至仪器驱动程序中，并保存在硬件部分的RAM中；任意信号的发生设置模块，包括任意波形时间片控制字，任意波形起始地址，数据容量，任意波形发射方式四个数值型输入控件，系统调用动态链接库，在程序框图中通过CLF节点函数将所设定的参数值传递至仪器驱动程序中对应的函数，并在前面板上显示程序运行状态。

(5)信号的调制部分，包括正弦载波的幅度调制，正弦载波的频率调制，正弦载波的相位调制以及脉冲串载波的幅度调制。根据所选择的调制方式，在LabVIEW程序框图中将波形型号做相应的调制处理，将计算后的波形数据通过CLF节点函数传递至仪器驱动程序，完成对任意信号的调制。

Claims (6)

1.电子测量技术领域需要一个能够提供系列信号波形以作为测量系统激励源的技术解决方案，本发明以虚拟仪器技术作为这一问题的解决方案，技术特征是实现了一种的以软件为核心的基于虚拟电了测量仪器平台的信号产生方案，是一款真正意义上的综合信号发生器。

2.本发明作为虚拟电子测量仪器集成系统的模块化仪器之一，其技术特征在于电子系统硬件结构是VIIS-EM总线之上的板卡之一，以DDS为核心，由系统控制器控制，硬件承担的任务是波形信号输出，改变了传统硬件化信号发生器的整体设计思路，技术成本大大降低。

3.本发明通过FPGA编程实现综合信号发生器模块的硬件功能，其技术特征是充分利用了FPGA的内部资源，将双口RAM、数据存储器、相位累加器等逻辑电路都集成在一片FPGA内部，可以通过更改程序来改变FPGA部分的硬件功能，实现信号发生器硬件的可重构，提高信号发生器的性能。

4.虚拟信号发生器以软件为核心，采用可重构的模块化设计思想，实现大部分仪器功能，驱动程序根据可互换虚拟仪器驱动(IVI)的设计思想，将与仪器有关的I/O操作封装成函数的形式，为上层软件提供调用函数的接口，上层应用软件采用图形化虚拟仪器软件编写。

5.本发明驱动程序是通过动态链接库将与仪器有关的I/O操作都封装成函数形式提供给应用程序，将信号源参数传递给USB控制器，实现和硬件的通信。

6.本发明应用软件部分采用图形化虚拟仪器软件LabVIEW开发，主要完成信号形式的选择、参数的选择。采用模块化设计思想编写，每个功能由一个模块完成。 

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