實(shí)用信號(hào)源設(shè)計(jì)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康???? ? ?? ?? ? ?? ?? ? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ? ?? ? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ? ? ? ?? ?? ?? ? ?? ? ?? ?? ? ?? ?? ?? ? 返回

1．理解實(shí)用信號(hào)源設(shè)計(jì)的基本原理。
2．掌握實(shí)用信號(hào)源的軟件設(shè)計(jì)方法。

1．外接示波器觀察數(shù)字合成信號(hào)源產(chǎn)生的波形，設(shè)定不同的幅度和頻率，觀察所得波形的變化。
2．用信號(hào)源高級(jí)設(shè)置設(shè)定波形輸出。
3．使用鍵盤試驗(yàn)板上的按鍵，作為信號(hào)源的控制和數(shù)字按鍵。
4．輸出要求的復(fù)雜組合波形的信號(hào)。

1．計(jì)算機(jī)?????? ?? ??? ??? ??? ???????? 1臺(tái)
2．SJ-8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱???? ??? ?? ?? 1臺(tái)
3．鍵盤實(shí)驗(yàn)板??? ??? ?? ??? ??? ?? ???? 1塊
4．?dāng)?shù)字示波器???? ?? ?? ?? ??? ?? ????? 1臺(tái)

四、實(shí)驗(yàn)原理

1.直接數(shù)字合成基本原理

（1）DDS組成原理

?? 直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù)，通過(guò)數(shù)字合成來(lái)生成頻率和相位對(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。其完整的DDS原理框圖如圖1所示。

?????? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? 圖1?? DDS組成原理

?? 主要由：相位累加器、ROM波形存儲(chǔ)器、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及低通濾波器組成。整體的工作原理如下：首先相位累加器根據(jù)輸入的頻率控制碼輸出相位序列，并作為波形存儲(chǔ)器RAM的地址，RAM里面可以是預(yù)先存放的固定波形的一個(gè)周期的幅值編碼，也可以是用戶在使用過(guò)程中存入的任意波形的幅度編碼，這樣RAM的數(shù)據(jù)線上就產(chǎn)生了一系列的幅度編碼數(shù)字信號(hào)，然后把該編碼經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換得到模擬的階梯電壓，最后經(jīng)過(guò)低通濾波器使其平滑后即得到所需要的模擬波形。
?? 頻率控制字和時(shí)鐘頻率共同決定著DDS輸出信號(hào)的頻率，頻率分辨率正比于系統(tǒng)的時(shí)鐘，而反比于相位累加器的位數(shù)。
它們之間的關(guān)系滿足：??????? ????????? ?????????????? （公式1）
相應(yīng)的，其頻率分辨率為：??? ??? ??????????????????????? （公式2）

? （2）相位累加器原理

?? 如果改變地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)值（即以值來(lái)進(jìn)行累加），則在保持時(shí)鐘頻率和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下，可以改變每周期采樣點(diǎn)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變。例如：設(shè)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了個(gè)數(shù)據(jù)（一個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)），則地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)為1時(shí)，輸出頻率，如果地址計(jì)數(shù)步進(jìn)為，則每周期取樣點(diǎn)數(shù)為，輸出頻率

? （3）DDS的性能

??? DDS信號(hào)源輸出的信號(hào)實(shí)際上是以時(shí)鐘的速率對(duì)波形進(jìn)行取樣，從獲得的樣本值中恢復(fù)出來(lái)的。根據(jù)取樣定理，所以。實(shí)際中一般取。當(dāng)時(shí)，輸出頻率最小，。輸出頻率的分辨率由相位累加器的位數(shù)決定，即 。
??? 例如：參考時(shí)鐘頻率為1GHz，累加器相位為32位，則頻率分辨力為0.233Hz。而改變時(shí)，其頻率分辨力不會(huì)發(fā)生變化，因此DDS可以解決快捷變換與小步進(jìn)之間的矛盾。由于D/A、存儲(chǔ)器等器件的限制，DDS輸出頻率的上限不高，目前仍只能達(dá)到幾十MHz。

?? 2.信號(hào)源硬件原理圖

? ? ???? ???? ???? ??? ???? ??? ???? ???? 圖 2 ??? 硬件原理圖

?? 3.程序中高級(jí)設(shè)置輸出波形原理

?? 信號(hào)源高級(jí)設(shè)置包括波形，頻率相關(guān)（時(shí)鐘頻率，步進(jìn)），幅度相關(guān)（幅度初調(diào)，幅度微調(diào)）等幾部分的設(shè)置。
?? ①頻率設(shè)置
?? 頻率設(shè)置
?????? ? ? ???
? ——輸出信號(hào)頻率。
? ——時(shí)鐘頻率，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——頻率控制字，其大小? 0≤K<2N－4 。
??
?? H——步進(jìn)高4位，取值范圍0～15。
?? M——步進(jìn)中8位，取值范圍0～255。
?? L——步進(jìn)低8位，取值范圍0～255。????????? ????
?? 例如：選擇“時(shí)鐘頻率”=80MHz，“步進(jìn)高位”H=0，“步進(jìn)中位”M=5，“步進(jìn)低位”L=25，則可以得到頻率控制字 ，再由公式得到。

? 注意：設(shè)置的步進(jìn)高位范圍是0～15，步進(jìn)中位范圍是0～255，步進(jìn)低位范圍是0～255。

? ②幅度設(shè)置
?? 依據(jù)公式
?? V——輸出的峰值幅度。
?? M——幅度初調(diào)（幅度分辨率），取值0.005，0.01，0.02，0.04。
?? N——幅度微調(diào)，取值范圍50～250。
?? 例如：“幅度初調(diào)”選擇為0.01N，則幅度分辨率M=0.01；“幅度微調(diào)”設(shè)定N=150，則可得輸出信號(hào)的峰值幅度? ?

? 4．矩陣式鍵盤的原理

?（1）矩陣式鍵盤

?? 鍵盤是由若干按鍵組合而成的，常采用矩陣式連接，稱為矩陣式鍵盤，即每條水平線和垂直線在交叉處通過(guò)一個(gè)按鍵加以連接。當(dāng)需要的鍵數(shù)比較多時(shí)，采用矩陣連接可以減少I/O口的占用。

? （2）矩陣式鍵盤的編程

?? 矩陣式鍵盤連接可分為編碼式和非編碼式兩種。對(duì)于非編碼式連接的鍵盤，其應(yīng)用編程可分為：判鍵、識(shí)鍵部分和鍵處理部分。
?? ①判鍵和識(shí)鍵
?? 即指判斷是否有鍵按下和確認(rèn)所按下鍵的位置。確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下采用一種“行掃描法”。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識(shí)別方法。
?? 無(wú)鍵按下時(shí)，矩陣式鍵盤的行，列線通過(guò)上拉電阻均為高電平（見圖4）。然后，依次將鍵盤逐行置低，同時(shí)取出輸入列線狀態(tài)，若此時(shí)輸入不為全高（0xFF），則表明該行有鍵被按下。因?yàn)樾芯€輸出有低電平，一旦該行有鍵按下，則輸入線就會(huì)被拉低。這樣，就可得判斷出是否有鍵按下了。同時(shí)，可根據(jù)置低的行線和讀入的輸入線的狀態(tài)，找出被按下的鍵位置。
在判鍵過(guò)程中，還要加入按鍵去抖動(dòng)處理。一次按鍵的完整過(guò)程如圖3所示（按鍵按下時(shí)，鍵盤輸入線上呈現(xiàn)的波形），按鍵的抖動(dòng)

???????????????????? 圖3 按鍵抖動(dòng)波形

包括前沿抖動(dòng)（剛按下時(shí)）和后沿抖動(dòng)（釋放時(shí)）兩個(gè)過(guò)程，抖動(dòng)持續(xù)時(shí)間與按鍵彈簧的機(jī)械特性有關(guān)，通常為幾ms至幾十ms，可采用軟件延時(shí)的辦法進(jìn)行處理。
??? ②鍵處理
??? 鍵處理即在識(shí)別到某鍵按下后，作出不同的處理。在應(yīng)用上，一般將鍵盤分為功能鍵和數(shù)字鍵（也可兩者復(fù)用），功能鍵一般采用散轉(zhuǎn)的辦法，讓程序執(zhí)行不同的操作。
??? 實(shí)際上，鍵盤處理是很復(fù)雜的，它往往占到一個(gè)應(yīng)用程序的大部份代碼，但這種復(fù)雜不來(lái)自于設(shè)備的本身，而是來(lái)自于操作者的習(xí)慣等等問(wèn)題。因此，在編寫鍵盤處理程序之前，應(yīng)先把它從邏輯上理清，然后用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">算法表示出來(lái)，最后再編寫代碼。

?? 5．矩陣式鍵盤的實(shí)驗(yàn)電路

???????????????????????? ?????? 圖4?? 矩陣式鍵盤連接圖

??? 實(shí)驗(yàn)電路是采用2×8的矩陣鍵盤電路，鍵盤的行線通過(guò)由74LS273鎖存器構(gòu)成的輸出接口（端口地址為70H）輸出，列線通過(guò)74LS245總線接收器構(gòu)成的輸入接口（端口地址為74H）輸入。鍵盤共16個(gè)鍵，定義了功能鍵：F1、F2、F3、F4、CR鍵共五個(gè)；數(shù)字鍵：0~9及小數(shù)點(diǎn)共十一個(gè)（如圖4所示），使用者可以自己定義每個(gè)鍵功能和相應(yīng)的處理。

?? ? ?? ???? ???? ???? ??圖5 鍵盤端口地址

?右圖5為判鍵和識(shí)鍵過(guò)程中所需要用到的鍵盤地址和控制字。 本實(shí)驗(yàn)共用到三個(gè)端口地址：70H：通過(guò)74LS273鎖存器，控制掃描鍵盤的行線。 74H：通過(guò)74LS245總線接收器，讀取控制掃描鍵盤的列線狀態(tài)。73H：控制鍵盤面板上的LED指示燈。

五、設(shè)計(jì)指導(dǎo)

?? 1.信號(hào)源高級(jí)設(shè)置部分

?? 1）結(jié)構(gòu)流程圖

??????? ????????????????? 圖6??? 高級(jí)設(shè)置部分結(jié)構(gòu)流程圖
??? ２）樹形圖

???? ?? ?? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ? 圖7?? 高級(jí)設(shè)置部分調(diào)用結(jié)構(gòu)
??? 3）功能與前面板設(shè)計(jì)

? ???? ?????? ?????? ????? ????? ????? ?????? 圖8?? 高級(jí)設(shè)置前面板

表1 ? 高級(jí)設(shè)置控鍵及顯示鍵匯總

??? 注：2通道的情況與1通道類似。

?? 4）動(dòng)態(tài)調(diào)用鏈接
??? 本程序設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實(shí)現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)可直接調(diào)用實(shí)驗(yàn)箱提供的驅(qū)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動(dòng)函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。

?? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ?? ???? 表2?? 高級(jí)設(shè)置中動(dòng)態(tài)調(diào)用說(shuō)明

?

?? 2.信號(hào)源鍵盤控制部分

圖12 信號(hào)源鍵盤控制部分結(jié)構(gòu)流程圖

??? ２）樹形圖

?????? ???? ????? ???? ????? ????? 圖13? 信號(hào)源鍵盤控制部分結(jié)構(gòu)樹形圖

???? 3）功能與前面板設(shè)計(jì)

圖14??? 信號(hào)源鍵盤控制部分前面板

表3?? 信號(hào)源鍵盤控制部分控鍵及顯示鍵匯總

?? 4）動(dòng)態(tài)調(diào)用鏈接
?? 本程序設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實(shí)現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)可直接調(diào)用實(shí)驗(yàn)箱提供的驅(qū)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動(dòng)函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。

????????? ??? ?? ?? ?? ???? 表4?? 信號(hào)源鍵盤控制部分使用的動(dòng)態(tài)調(diào)用一覽

?? 3.信號(hào)源公式輸入部分

??????? 圖22????? 信號(hào)源公式輸入部分結(jié)構(gòu)流程圖

２）樹形圖

????????? 圖23? 信號(hào)源公式輸入部分結(jié)構(gòu)樹形圖

?? 3）功能與前面板設(shè)計(jì)

圖24??? 信號(hào)源公式輸入部分前面板

表5?? 信號(hào)源公式輸入部分控鍵及顯示鍵匯總

注：公式編輯器設(shè)定的采樣頻率FT=4096,采樣點(diǎn)數(shù)為4096。

?? 4）動(dòng)態(tài)調(diào)用鏈接
??? 本程序設(shè)計(jì)的主要實(shí)現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實(shí)現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時(shí)可直接調(diào)用實(shí)驗(yàn)箱提供的驅(qū)動(dòng)函數(shù)動(dòng)態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動(dòng)函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。

????????? ????????? ?????? 表6?? 信號(hào)源鍵盤控制部分使用的動(dòng)態(tài)調(diào)用一覽

?

?? 在執(zhí)行過(guò)程中寫入SRAM的文件為二進(jìn)制文件形式。面板上顯示所調(diào)用的文件是由數(shù)組生成的波形文件。其中，各寫入SRAM的波形資料見下表：
?????????? ?????????? ???????????? 表7?? 波形存儲(chǔ)一覽

? 注：各種波形存儲(chǔ)位置：4096×（存儲(chǔ)編號(hào)－1）～ 4095×存儲(chǔ)編號(hào)。

六、調(diào)試與測(cè)試

?? 1、信號(hào)源高級(jí)設(shè)置部分
??? ①按如圖方式，進(jìn)行硬件連線。

????????????????????
?????????????????????????

? ?????????????????????????? 圖28? 信號(hào)源高級(jí)設(shè)置實(shí)驗(yàn)時(shí)的硬件連線

?? ②依據(jù)前面描述的原理，分別設(shè)定1通道各參數(shù)，點(diǎn)擊啟動(dòng)，觀察示波器顯示的值是否與計(jì)算的一致。
?? ③對(duì)于2通道，重做②描述的過(guò)程。
?? ④完成下面的表格

??????? ?????? ??????????? ??? ???? 表8?? 信號(hào)源高級(jí)設(shè)置的數(shù)據(jù)觀察記錄表

?? 2、鍵盤控制部分
?? 鍵盤板在控制波形產(chǎn)生時(shí)的格鍵含義

表9?? 鍵盤各鍵復(fù)用一覽

?????????????????????? 圖29?? 鍵盤輸入實(shí)驗(yàn)時(shí)的硬件連線

?? ②按下F1鍵選擇波形，觀察“波形設(shè)置”燈亮后，通過(guò)按鍵選擇波形，確定后，按下CR鍵，燈熄滅，表示波形選擇結(jié)束。
?? ③按下F2鍵準(zhǔn)備輸入幅度，觀察“幅度設(shè)置”燈亮后，通過(guò)按鍵輸入幅度值，此時(shí)輸入顯示在“幅度按鍵輸入”框，并同時(shí)由字串轉(zhuǎn)化為數(shù)字，顯示在“峰值幅度”框（注意字串不要輸錯(cuò)）。若輸入結(jié)束，按下CR鍵，燈熄滅，表示幅度設(shè)定。
?? ④按下F3鍵準(zhǔn)備輸入頻率，觀察“頻率設(shè)置”燈亮后，通過(guò)按鍵輸入幅度值，此時(shí)輸入顯示在“頻率按鍵輸入”框，并同時(shí)由字串轉(zhuǎn)化為數(shù)字，顯示在“頻率”框（注意字串不要輸錯(cuò)）。若輸入結(jié)束，按下CR鍵，燈熄滅，表示頻率設(shè)定。
?? ⑤按下F4鍵啟動(dòng)信號(hào)源，此時(shí)“啟動(dòng)指示”燈亮，然后熄滅，觀察此時(shí)波形顯示框的波形是否與選定波形一致，同時(shí)觀察外部的示波器，檢查頻率、幅度、波形是否與設(shè)定的值相同。
?? ⑥直接在程序面板上輸入波形、幅度、頻率，然后點(diǎn)擊啟動(dòng)按鍵，觀察此時(shí)波形顯示框的波形是否與選定波形一致，同時(shí)觀察外部的示波器，檢查頻率、幅度、波形是否與設(shè)定的值相同。
?? ⑦完成下表

????????????????????????????????? 表10? 鍵盤控制波形輸出的數(shù)據(jù)觀察記錄表

?? 3、公式輸入部分
??? ①按如圖方式，進(jìn)行硬件連線。

???????????????????????????

??????????????????????????????????????? 圖30?? 公式輸入實(shí)驗(yàn)時(shí)的硬件連線

?? ②在波形公式框輸入任意周期信號(hào)，例如cos(w×t)，設(shè)置峰值幅度、頻率和頻率系數(shù)，，按下啟動(dòng)按鍵，觀察示波器的頻率是否為頻率×頻率系數(shù)，峰值幅度，波形是否與設(shè)定的一致。
?? ③在波形公式框輸入任意周期信號(hào)，例如t+t^2，設(shè)置峰值幅度、頻率和頻率系數(shù)，，按下啟動(dòng)按鍵，觀察示波器的頻率、峰值幅度、波形是否與設(shè)定的一致。
?? ④完成下表。
??????? ???? ????? ????? ???? ??? 表11?? 通過(guò)公式產(chǎn)生波形的數(shù)據(jù)觀察記錄表

七、備注

?? 注意：數(shù)字合成信號(hào)源的輸出信號(hào)頻率范圍：正弦在1Hz~2MHz，方波在1Hz~500KHz，其它波形在1Hz~200KHz范圍內(nèi)。峰值幅度范圍0.1V~8V，設(shè)定各參數(shù)時(shí)需保證輸出信號(hào)在此范圍內(nèi)。同時(shí)調(diào)幅波載波頻率為輸入頻率的16倍，調(diào)頻波載波頻率為輸入頻率的7~25倍。