CN104615030A - 一种便携式函数信号发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式函数信号发生器，主要应用于工业仪表和自动控制系统的现场调试、校验或检测维护，其系统的主要原理结构包括：微控制器控制电路模块、液晶显示电路模块、键盘控制电路模块、D/A模数转换电路模块、低通滤波器电路模块、信号输出电路模块、锂电池模块，所述微控制器控制电路模块是使用可编程逻辑门阵列FPGA芯片，在其内部编入DDS内核，实现多种波形数据信号输出，并通过键盘控制电路模块来选择波形信号的功能、波形的种类及频率的大小实现智能化操作依次连接到D/A转换电路模块，将数字量波形数据转换为模拟量，经低通滤波器、波形信号输出电路实现信号偏移、放大，这款便携式函数发生器是一款易于携带、操作步骤简单、精确度高的便携式函数发生器，有助于提高使用人员的工作效率。

Description

一种便携式函数信号发生器

技术领域

本发明涉及一种信号发生器应用于仪器仪表、测控系统的测试仪，特别涉及一种便携式函数信号发生器。

背景技术

随着现代电子技术的发展，现代电子测量、实际生产和科学试验等领域需要有较高频率准确度和稳定度的信号源。但在实际使用中，根据现场工作的环境，由于外形体积偏大、使用交流电源供电，用于工业仪表和自动控制系统的现场调试、校验或检测维护时，携带困难。因此便携式、高精度越来越成为仪器的基本要求，对传统仪器的智能化、数字化尤为重要，这促使我们研制一种低功耗、便携式产生多种频率信号的便携式函数发生器成为可能。

发明内容

本发明的目的是为了满足一些特殊现场的工作的环境，方便节约资源，设计了一种便于携带、操作步骤简单、精确度高的便携式函数信号发生器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

这种便携式函数信号发生器包括：仪器罩壳、微控制器控制电路模块、液晶显示电路模块、键盘控制电路模块、D/A模数转换器电路模块、低通滤波器电路、信号输出电路模块、锂电池模块。仪器罩壳是用于固定系统电路主板，方便使用人员操作携带；液晶显示电路模块是将输出波形信号的类型和频率通过液晶LCD显示器显示出来，易于观看；微控制器控制电路模块是用内部的CPU内核控制嵌入的DDS内核，实现多种波形数据信号输出；键盘控制电路模块是用来选择控制信号的功能、选择波形的种类及选择频率的大小的，实现智能化操作；D/A模数转换电路模块是将数字量波形数据通过模数转换器转换为模拟量；低通滤波器电路是将输出的波形信号去除噪声和纹波；信号输出电路模块是实现波形信号放大、偏移。

所述的微控制电路模块实现过程为：以可编程逻辑器件FPGA为核心，使用薄膜按键完成波形信号类型的选择，波形信号频率数值大小的设定，通过FPGA内部设计的DDS内核产生多种波形信号。

所述的DDS内核实现过程为：以相位累加器为该内核的核心，同时还包括频率控制字和波形存储器组成，相位累加器输出的数据决定了波形存储的地址，从而决定了波形选择。

所述的液晶显示电路模块实现过程为：通过可编程逻辑器件FPGA控制波形信号，并通过液晶显示器将输出的波形信号直观的显示出来，电路模块主要由液晶LCD1602组成。

所述的键盘控制电路模块实现过程为：通过薄膜软按键开关与微控制器连接，实现键盘控制选择相应的系统功能，分别控制系统的频率、占空比、幅值。

所述的D/A转换电路模块实现过程为：通过可编程逻辑FPGA与D/A模数转换器AD9762组成。

所述的低通滤波器电路模块实现过程为：通过电阻、电容组成的8阶π型低通滤波器，实现波形去噪，保证波形信号稳定输出圆滑。

所述的波形信号输出电路模块实现过程为：通过衰减电路20dB、40dB、60dB及自恢复保险丝输出波形信号，分别产生两路同步信号，一路TTL电平，另一路标准信号波形，分别为正弦波、方波、三角波、直流信号。

经由上述方案可知，本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)本发明在设计中采用直接数字合成技术原理，使用可编程逻辑门阵列芯片设计DDS内核，具有保密性强、提高系统的运行速度，该系统中节省芯片使用数量，降低了生产成本。

(2)本发明在使用中结构简单、操作便捷、体积小巧、易于携带，适合单手操作，内部自带充电锂电池，并有液晶LCD显示，能在光线暗淡的情况可以清晰操作，同时设计中在使用过压过流保护，便于满足实验室和各种试验现场对工业仪器仪表的调试、检测维护。

(3)本发明简化了信号发生器的设计结构，为设备小型化提供了技术支持，有效地提高了输出信号的频率和宽度，本系统的采样率为80MSa/S，电压输出-5V至+5V，输出正弦波频率在0至10MHz，其他波形频率0至100KHz，这为下步设计更高速度的信号发生器奠定基础。

附图说明

图1是本发明一种便携式函数信号发生器的结构组成分解示意图

图2是本发明一种便携式函数信号发生器的主控制电路原理框图

图3是本发明一种便携式函数信号发生器的DDS内核基本逻辑框图

图4是本发明一种便携式函数信号发生器的频率控制字的组成原理图；

图5是本发明一种便携式函数信号发生器的相位累加器的组成的原理图；

具体实施方式

如图1所示，本发明研制的函数信号发生器主要由仪器罩壳上面板11、液晶显示电路模块12、主控制电路模块13、薄膜按键电路14、锂电池电路模块15、仪器罩壳下面板16组成。其中各部分的装配情况如下：

锂电池电路模块15固定在仪器罩壳下面板16上，然后供电给主控制电路模块13，并将其放置于锂电池电路模块15上面，连接主控制电路模块13的是薄膜按键电路模块14和液晶显示电路模块12，通过控制薄膜按键电路模块14，将输出波形的信号显示在液晶电路模块12上，最后将仪器罩壳上面板11装配上，构成一款便携式函数信号发生器。

如图2所示，本发明的函数发生器主控制电路模块主要包括：微处理器控制电路21、液晶显示电路22、薄膜按键电路23、D/A模数转换器电路24、低通滤波器电路25、信号输出电路26、锂电池模块27组成。其中各部分的具体电路连接结构和连接关系如下：

微控制器控制电路21主要由可编程逻辑控制芯片FPGA组成，该系统的核心建立波形DDS内核的主要控制单元。

液晶显示电路22主要由液晶LCD1602组成，通过FPGA的数据接口连接到液晶LCD1602上。

薄膜按键电路23主要由六个按键组成，通过FPGA的数据接口连接到六个按键，按键分别为函数功能、功能设定、方向键上、方向键下、方向键左、方向键右。

D/A模数转换器电路24即以集成电路AD9862为核心是一款低功耗CMOS、可编程12位、125Msps的高速、并行电流输出的数模转换器，其相对精度为±2LSB，最大非线性度为±1LSB，可输出2mA-20mA电流，其差分信号具有抑制共模增益的作用，信号特性更好，其输出电路公式为：

I_OUTA＝(DAC·CODE/16384)×I_OUTFS

根据D/A转换器公式，计算出转换的模拟量电流，经D/A转换器两路输出传送给运算放大器，根据虚短和虚断的规律，将电流信号转换为电压信号进行放大输出信号。

低通滤波器电路25由π型网络电阻、电容构成，滤波器带宽范围为15MHz，能够保证输出信号稳定，去除纹波保证波形信号圆滑。

信号输出电路26由衰减电路20dB、40dB及自恢复保险丝组成。其中将模数转换器的数据依次通过低通滤波器、衰减电路、自恢复保险丝连接到BNC接口输出波形信号。

锂电池模块27主要由充放电锂电池构成，将供给所有模块电源。

如图3所示，本发明的DDS内核逻辑框图主要包括：频率控制字K31、相位累加器模块32、波形存储器33、D/A模数转换器34、低通滤波器35。其中频率控制字K输出的信号经时钟信号供给接入相位累加器累加，然后输出的数据地址选择所需要的波形地址数据。

如图4所示，本发明的频率控制字模块主要原理框图包括：译码器41、8位D触发器42、与非门43。所述各个模块的工作功能如下：四选一译码器41输出16个数据接口接口，分别接到6个8位D触发器42，5个D触发器共输出32位数据，当WR和译码器信号Y的某一路同时为低电平信号时，D触发器时钟上升沿被触发，P0的数据就被D触发器42送出，依次送出32位后，当WR和译码器Y5同时为低电平时，将36位数据送入D触发器。

如图5所示，本发明的相位累加器模块是整个DDS内核的核心，所述的模块的功能和性能如下：它实际是一个带反馈的36位加法器，输出数据一端反馈到加法器的一个输入端DATAa，在时钟DCLK作用下与输入端DATAb的频率控制字相加，而后输出数据U[35..0]为后续电路输出信号。

Claims (8)

1.一种便携式函数发生器，其特征在于，包括仪器罩壳、微控制器控制电路模块、液晶显示电路模块、键盘控制电路模块、D/A模数转换器电路模块、低通滤波器电路、信号输出电路模块、锂电池模块。其中：仪器罩壳是用于固定系统电路主板；液晶显示电路模块是将输出波形信号的类型和频率通过液晶LCD显示器显示出来；微控制器控制电路模块是用内部的CPU内核控制嵌入的DDS内核，实现多种波形数据信号输出；键盘控制电路模块是用来选择控制信号的功能、选择波形的种类及选择频率的大小；D/A模数转换电路模块是将数字量波形数据通过模数转换器转换为模拟量。

2.根据权利要求1所述的便携式函数发生器，其特征在于所述的微控制电路模块实现过程以可编程逻辑器件FPGA为核心，使用薄膜按键完成波形信号类型的选择，波形信号频率数值大小的设定，通过FPGA内部设计的DDS内核产生多种波形信号。

3.根据权利要求2所述的DDS内核，其特征在于所述的DDS内核实现过程主要由频率控制字、相位累加器和波形存储器组成，以相位累加器为该内核的核心，输出的数据决定了波形存储的地址，从而决定了波形选择。

4.根据权利要求1所述的便携式函数发生器，其特征在于所述的液晶显示电路模块实现过程通过可编程逻辑器件FPGA控制波形信号，并通过液晶显示器将输出的波形信号直观的显示出来，电路模块主要由液晶LCD1602组成。

5.根据权利要求1所述的便携式函数发生器，其特征在于所述的键盘控制电路模块实现过程通过薄膜软按键开关与微控制器连接，实现键盘控制选择相应的系统功能，分别控制系统的频率、占空比、幅值。

6.根据权利要求1所述的便携式函数发生器，其特征在于所述的D/A转换电路模块实现过程通过可编程逻辑芯片FPGA与D/A模数转换器AD9762组成。

7.根据权利要求1所述的便携式函数发生器，其特征在于所述的低通滤波器电路模块实现过程通过电阻、电容组成的8阶π型低通滤波器，实现波形去噪，保证波形信号稳定输出圆滑。

8.根据权利要求1所述的便携式函数发生器，其特征在于所述的波形信号输出电路模块实现过程通过衰减电路20dB、40dB、60dB及自恢复保险丝输出波形信号，分别产生两路同步信号，一路TTL电平，另一路标准信号波形，分别为正弦波、方波、三角波、直流信号。