摘要 摘要 本論文的設(shè)計工作來源于西安市科委科研攻關(guān)項(xiàng)目“基于u s b 接口的虛擬化 系統(tǒng)研究”。虛擬儀器技術(shù)是用戶自定義的基于p c 技術(shù)的測試和測量解決方案， 具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、開發(fā)時間少，以及出色的集成功能。論文把u s b 接口、 虛擬儀器和d d s 技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起，通過系統(tǒng)硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、時序設(shè) 計和d d s 算法分析，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了基于u s b 2 0 總線的虛擬信號發(fā)生器。 本文系統(tǒng)的分析了u s b 2 0 接口的工作原理以及d d s 技術(shù)的的基本原理，為 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計實(shí)現(xiàn)提供了理論指導(dǎo)。論文在分析信號發(fā)生器的基礎(chǔ)上， 提出了將u s b 接口、虛擬儀器和d d s 技術(shù)相結(jié)合的新型信號發(fā)生器方案。本文 從軟、硬件兩方面對虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計進(jìn)行描述，設(shè)計完成了u s b 外設(shè)的驅(qū) 動程序以及應(yīng)用程序。同時分析比較了d d s 算法和頻率分段法，并在f p g a 芯片 中設(shè)計實(shí)現(xiàn)了d d s 算法和頻率分段法的功能模塊，通過q u a r t u si i4 1 軟件對時序 電路進(jìn)行仿真，達(dá)到設(shè)計要求。論文最后還分析了虛擬信號發(fā)生器的缺陷以及實(shí) 際信號輸出性能，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)建議。最終使所設(shè)計的虛擬信號發(fā)生器達(dá) 到設(shè)計要求，可以產(chǎn)生方波、正弦波、白噪聲、調(diào)制波等多種波形，頻率分辨率 可達(dá)1 0 - 3 h z 。并且具有波形失真度小、頻帶寬、變頻速度快、變頻相位連續(xù)、易 于功能擴(kuò)展和全數(shù)字化便于集成等優(yōu)點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：u s b 2 0d d s 頻率分段法虛擬儀器 a b s t r a e t a b s t r a c t t h i st h e s i s o r i g i n a t e sf r o mt h ep r o j e c tt i t l e d “s y s t e mr e s e a r c ho fv i r t u a l i n s t r u m e n t sb a s e do i lu s b s u p p o r t e db yx i a l lm u n i c i p a ls c i e n c ea n dt e c h n o l o g y c o m m i s s i o n v t r t u a li n s t r u m e n ti sau s e fs e l f - d e f i n e dt e s ta n dm e a s u r e m e n ts c h e m e b a s e do np c w h i c hs h o w sag o o dr , e r f o r m a - c ea n dap o w e r f u le x p a n s i b i l i t y , a l l o w sa r e l a t i v es h o r td e v e l o p m e n tp e r i o d , a n de x h i b i t sa ne x c e l l e n ti n t e g r a t i o nc a p a c i t y b y c o m b i n i n gu s b ，v i i t h a ii n s t r u m e n t , a n dd d se f f e c t i v e l y , t h et h e s i sd e s i g na n dr e a l i z e v i r t u a li n s t r u m e n ts i g n a lg e n e r a t o rb a s e do i lu s b 2 0 t h em a i nc o n t e n t sc o n s i s to f h a r d w a r ea n ds o t l w a r ed e s i g n , t i m i n gd e s i g na n dd d sa n a l y s i s a n da i _ eo u t l i n e da s f o l l o w s t h et h e s i ss y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e st h ep r i n c i p l eo fu s b 2 0a n dt h ef u n d a m e n t a l t h e o r yo f d d s ，a n dp r e s e n t st h et h e o r yi n s t m c t i o n sf o rd e s i g na n dr e a l i z a t i o no f v i r t u a l s i g n a lg e n e r a t o r u p o nt h ea n a l y s i so fs i g m ag e n e r a t o r , an e wt y p eo fs i g n a lg e n e r a t o r s c h e m eb yc o m b i n gu s b ，v i r t u a li n s l a t t m e n t s ，a n dd d st e c h n o l o g yi st h e np r o p o s e d n e x t , t h ed e s i g no f v i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o ri sp r e s e n t e df r o mb o t ht h es o f ta n dh a r d w a r e i m p l e m e n t a t i o na s p e c t s ，a n dt h ed r i v e rf o rt h ep e r i p h e r a le q u i p m e n t so fu s ba n dt h e a p p l i c a t i o np r o g r a m sa 腭r e a l i z e d f u r t h e r m o r e t h ed d sa l g o r i t h ma n dt h ef r e q u e n c y s e g m e n t a t i o nm e t h o d 餌s m ) a r ea n a l y z e , t , a n dt h ed d s a n dt h ef s mf u n c t i o nm o d u l e s a l ed e s i g n e da n dr e a l i z e di n1 3 1 1f p g a c h i p t h et i m i n gs i m u l a t i o no fd d sm o d u l ei s c o n d u c t e dw i t hq u a r t i l si i4 1w h i c hs h o w st h a tt h ed e s i g ns a t i s f i e st h es y s t e m r e q u i r e m e n t s f i n a l l y , t h ea n a l y s i so ft h ef l a w so ft h ev i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o ra n dt h e p e r f o r m a n c eo fa c t u a lw a v e sl i f em a d ea n ds o m ec o r r e s p o n d i n gi m p r o v e m e n t sa s u g g e s t e d t h e v i r t u a ls i g n a lg e n e r a t o rc a l lg e n e r a t ev a r i o u sk i n d so f w a v e s , s u c ha st h e s q u a r ew a v e ，t h es i n ew a y e | t h ew h i t en o i s e ，t h em o d u l a t e dw l i v e ，a n ds o0 1 3 t h e f i e q u e n e yr e s o l u t i o nr e a c h e sa sh i g ha sl o - j h z t h ep r o p o s e dw a v e f o r mg e n e r a t o r f e a t u r e si nl o wd i s t o r t i o n , aw i d cf r e q u e n c yr a n g e a n dah i g hf r e q u e n c yr e s o l u t i o n , t 3 + q u i c kf r e q u e n c yc o n v e r s i o ns p e e d , c o n t i n u o u sp h a s ed u r i n gf r e q u e n c yc o n v e r s i o n , e a s y f o re x p a n s i o n , a n dw h o l e d i g i t i z a t i o na d v a n t a g e o u sf o ri n t e g r a t i o n k e y w o r d $ ：i s b 2 0 1 ) 1 ) si 7 s l v iv i r t u a li n s t r u m e n t 創(chuàng)新性聲明 本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究 成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不 包含其他人己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或 其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做 的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切相關(guān)責(zé)任。 本人簽名：聾整斌 日期絲! ：蘭：蟄 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究 生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。本人保證畢 業(yè)離校后，發(fā)表論文或使用論文工作成果時署名單位仍然為西安電子科技大學(xué)。 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜?部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。( 保密的論文 在解密后遵守此規(guī)定) 本人簽名：皇軍逝 日期立! 里蔓_ _ 三二生 導(dǎo)師簽名： 紐壘型蘭日期至魚：蘭：墮 第一章緒論 第一章緒論 1 1 選題的目的和意義 虛擬儀器是在計算機(jī)基礎(chǔ)上通過增加相關(guān)硬件和軟件構(gòu)建而成的具有可視化 界面的儀器。它徹底打破了傳統(tǒng)儀器由生產(chǎn)廠家定義功能而用戶無法改變的局面， 使得用戶可以方便靈活地操作虛擬儀器軟面板上的控件進(jìn)行測試工作，并且用戶 還可以通過修改軟件來改變、增減虛擬儀器的功能與規(guī)模。虛擬儀器的這種?？?開發(fā)性”與“可擴(kuò)展性”使其具有強(qiáng)大的生命力和競爭力。 u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ，通用串行總線) 是一種應(yīng)用在計算機(jī)領(lǐng)域的新型 接口技術(shù)。最早是由c o m p a q 、i n t e l 、m i c r o s o f t 等多家公司于1 9 9 4 年1 1 月共同提 出的，其目的是取代p c 現(xiàn)有的各種外圍接口，使外圍設(shè)備的連接具有單一化、即 插即用、熱插拔、接口體積小等特點(diǎn)?？梢哉f，u s b 是計算機(jī)外圍設(shè)備連接技術(shù) 的重大變革。 直接數(shù)字頻率合成技術(shù)( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i s ，d d s ) 是j i i e r n c y 和c m t a d c r 等人于1 9 7 1 年首次提出的。該技術(shù)主要是利用數(shù)字方式累加相位， 再以相位之和作為地址來查詢正弦函數(shù)表得到正弦波幅度的數(shù)字序列，最后經(jīng)d a 變換得到模擬正弦波輸出。d d s 具有頻率分辨率高，變頻速度快，變頻相位連續(xù)， 相噪較低，易于功能擴(kuò)展和全數(shù)字化便于集成等憂點(diǎn)。 本課題正是將u s b 接口技術(shù)、虛擬儀器和d d s 技術(shù)三者有效的結(jié)合起來， 兼顧了u s b 接口、虛擬儀器以及d d s 技術(shù)的的各種優(yōu)點(diǎn)。論文設(shè)計工作來源予 西安市科委科研攻關(guān)項(xiàng)目“基于u s b 接口的虛擬化系統(tǒng)研究”。設(shè)計目的是開發(fā) 出性價比高、波形任意、頻率分辨率高且可控、使用靈活，適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)、低 頻信號測量的信號發(fā)生器。課題的設(shè)計意義在于：( 1 ) 打破了傳統(tǒng)儀器封閉性、 功能單一、開發(fā)更新周期長等缺點(diǎn)。降低了信號發(fā)生器的開發(fā)成本。( 2 ) 由于使 用了u s b 2 0 接口，從而使信號發(fā)生器具備體積小、接口靈活、系統(tǒng)開放、頻率分 辨率高、易于功能擴(kuò)展、價格便宜、界面友好等優(yōu)點(diǎn)。 基y - u s b 2 0 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 1 2 相關(guān)研究工作的發(fā)展動態(tài) 1 2 1 虛擬儀器的發(fā)展動態(tài) 2 0 多年前，美國國家儀器公司n i ( n a t i o n a li n s t r t t m e n t s ) 提出“軟件即是儀 器”的虛擬儀器概念，引發(fā)了傳統(tǒng)儀器領(lǐng)域的一場重大變革，使得計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)得以長驅(qū)直入儀器領(lǐng)域，和儀器技術(shù)結(jié)合起來，從而開創(chuàng)了“軟件即是儀器”的先 河。 虛擬儀器( v i r t u a li n s t r u m e n t ，簡稱v i ) 是計算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)深層次結(jié)合 的產(chǎn)物，是當(dāng)今計算機(jī)輔助測試( c a t ) 領(lǐng)域的一項(xiàng)重要技術(shù)。虛擬儀器是計算機(jī) 硬件資源、儀器和測控系統(tǒng)硬件資源以及虛擬儀器軟件資源三者的有效結(jié)合。它 是在以計算機(jī)為核心的硬件平臺上，由用戶設(shè)計定義具有虛擬面板，其設(shè)施功能 由測試軟件實(shí)現(xiàn)的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。虛擬儀器的實(shí)質(zhì)是利用計算機(jī)顯示器模 擬傳統(tǒng)儀器的控制面板，以多種形式輸出檢測結(jié)果；利用計算機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)信號數(shù) 據(jù)的的運(yùn)算、分析和處理；利用i ，o 接口設(shè)備完成信號的采集、測試與調(diào)整，從而 完成各種測試功能的一種計算機(jī)儀器系統(tǒng)。使用者用鼠標(biāo)或鍵盤操作虛擬面板， 就如同使用一臺專用測量儀器。 傳統(tǒng)儀器存在許多缺點(diǎn)，它的封閉性、儀器間相互配合差、硬件升級成本較 高、價格昂貴、廠家才定義儀器功能、開發(fā)與維護(hù)開銷高、技術(shù)更新周期長等缺 點(diǎn)，更加凸顯出虛擬儀器的優(yōu)越之處。 與傳統(tǒng)儀器相比，虛擬儀器的優(yōu)點(diǎn)如下：( 1 ) 開放性、靈活，可與計算機(jī)技 術(shù)保持同步發(fā)展；( 2 ) 關(guān)鍵是軟件，系統(tǒng)性能升級方便，通過網(wǎng)絡(luò)下載升級程序 既可；( 3 ) 價格低廉，儀器間資源可重復(fù)利用率高；( 4 ) 用戶可定義儀器功能；( 5 ) 可以與網(wǎng)絡(luò)及周邊設(shè)備方便連接；( 6 ) 開發(fā)與維護(hù)費(fèi)用降至最低；( 7 ) 技術(shù)更新 周期短，一般只需要1 到2 年。 虛擬儀器具有傳統(tǒng)獨(dú)立儀器無法比擬的優(yōu)勢，但它并不否定傳統(tǒng)儀器的作用， 它們相互交叉又相互補(bǔ)充，相得益彰。在高速度、高帶寬和專業(yè)測試領(lǐng)域，獨(dú)立 儀器具有無可替代的優(yōu)勢。在中低檔測試領(lǐng)域，虛擬儀器可取代一部分獨(dú)立儀器 的工作，并且可以完成復(fù)雜環(huán)境下的自動化測試，是傳統(tǒng)的獨(dú)立儀器難以勝任的， 甚至不可思議的工作。 在這個計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)時代，利用計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對傳統(tǒng)的產(chǎn)業(yè)進(jìn)行改造， 已是大勢所趨，而虛擬儀器系統(tǒng)正是計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與傳統(tǒng)的儀器技術(shù)進(jìn)行融 合的產(chǎn)物，因此，在2 1 世紀(jì)，虛擬儀器將大行其道，日漸受寵，將會引發(fā)傳統(tǒng)的 儀器產(chǎn)業(yè)一場新的革命。 第一章緒論 1 2 2u s b 2 0 發(fā)展概述1 2 5 】 u s b 是英文u n i v e r s a ls e f i a lb u s 的縮寫，中文含義是“通用串行總線”。它 是一種應(yīng)用在p c 領(lǐng)域的新型接口技術(shù)。 當(dāng)今的計算機(jī)外部設(shè)備，都在追求高速和高通用性。為了滿足用戶的需求， 以i n t e r 為主，并由c o m p a q 、h e w l e t tp a c k a r d 、i n t e r 、l u c e n t 、m i e r o s o r 、n e c 和 p h i l i p s 這7 家廠商共同制定了串行接口u s b 總線協(xié)議，于1 9 9 4 年1 1 月1 1 日制訂 了第一個u s b 總線規(guī)范o 7 版，它標(biāo)志著u s b 的正式誕生，但這時它還不夠完善， 當(dāng)然用戶也很少，直到1 9 9 6 年1 月1 5 日u s b i 0 版本發(fā)布后，u s b 技術(shù)才相對成 熟，但w i n d o w s 9 5 的0 s r 2 1 版本公布后，它才首次在p c 機(jī)上使用，而且u s b 接口的外設(shè)也很少?？墒? 9 9 8 年6 月w i n d o w s 9 8 和同年9 月u s b l 1 版發(fā)布后， 情況就不同了，u s b 開始變成一個流行的接口，市場上出現(xiàn)了大量的u s b 外設(shè)， 但其傳輸速率僅限于1 2 m b s 。2 0 0 0 年4 月2 7 日，u s b 2 0 版發(fā)布，u s b 2 0 將向 下兼容u s b l 1 ，數(shù)據(jù)的傳輸速率提高到4 8 0 m b s 。此外，在u s b 2 0 協(xié)議中提出 的u s bo m 【2 n ( o nt h eg o ) 的概念，為u s b 的嵌入式控制1 1 3 】提供了廣闊的前景。 u s bo t g 技術(shù)解決了以往u s b 設(shè)備不能脫離p c 機(jī)而運(yùn)行的矛盾，使得嵌入式設(shè) 備能與u s b 設(shè)備直接進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)通訊。u s b 的即插即用、熱插拔、接口體積小、 兼容性好、節(jié)省系統(tǒng)資源、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)都使u s b 接口在外圍設(shè)備中獲得廣泛 應(yīng)用?？梢哉f，u s b 是計算機(jī)外圍設(shè)備連接技術(shù)的重大變革。 1 2 3 信號發(fā)生器發(fā)展概述 作為工業(yè)產(chǎn)品特別是電力、電子產(chǎn)品的研制和生產(chǎn)領(lǐng)域中最重要的測試設(shè)備 之一，信號發(fā)生器的發(fā)展歷史可以追溯到上世紀(jì)4 0 年代。1 9 4 3 年惠普為海軍研究 實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了第一臺信號發(fā)生器，從而使得人們在測試設(shè)備時可以利用可控的信 號源進(jìn)行比較完善和安全的測試和測量。在隨后的二十年問，信號發(fā)生器一直隨 著電子技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展，幾乎成為這些技術(shù)發(fā)展的一個縮影。從 技術(shù)上看，信號發(fā)生器經(jīng)歷了由模擬式信號發(fā)生器、數(shù)字式信號發(fā)生器到虛擬信 號發(fā)生器的發(fā)展過程。 從四十到六十年代，信號發(fā)生器都是完全用以電子管工藝為基礎(chǔ)的模擬電路 搭建的，往往調(diào)節(jié)范圍受到限制，因而劃分為音頻、高頻、超高頻、射頻和微波 等信號發(fā)生器，其信號的精度和可控性都不好，而且可產(chǎn)生的信號的種類很少， 對于較復(fù)雜的信號，其電路都非常復(fù)雜，造成體積龐大，不易移動。六七十年代， 隨著晶體管工藝的出現(xiàn)、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路的應(yīng)用，數(shù)字電路在信號發(fā) 生器中得到廣泛的應(yīng)用，從而大大提高了信號發(fā)生器的精度，減少了電路本身產(chǎn) 4 基于u s b 2 0 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 生的噪聲，體積也大為縮小。八十年代開始，計算機(jī)己經(jīng)在工業(yè)生活中逐漸占據(jù) 了重要的位置，信號發(fā)生器也開始從純粹的由分離元件搭建改為以微處理器為核 心的集成系統(tǒng)，這時候的信號發(fā)生器己發(fā)生重大的變化，比如說，它所能產(chǎn)生信 號的種類大大增加；通用性得到很大的提高；任意波信號可以通過人工設(shè)定在同 一臺信號發(fā)生器中產(chǎn)生；頻寬也大大的增加了；過去的多種類的信號發(fā)生器也簡 單地劃分為低頻和高頻兩種，低頻信號的頻寬從0 5 0 m h z ，高頻則可達(dá)到2 0 g h z 以上，但它仍存在人機(jī)界面不友好，軟硬件升級維護(hù)困難等缺點(diǎn)。九十年代以后 虛擬儀器進(jìn)入了人們的視野。這種完全以計算機(jī)軟件為核心，輔以相應(yīng)的硬件設(shè) 備的測試系統(tǒng)代表了未來測試儀器的發(fā)展方向。人們可以在友好的人機(jī)見面環(huán)境 中輕松地進(jìn)行各種復(fù)雜的操作，信號發(fā)生器也從一個完全獨(dú)立的測試設(shè)備，而成 為整個虛擬儀器系統(tǒng)中一個必不可少的子模塊。 信號發(fā)生器中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)是信號頻率的變動控制。早期的信號發(fā)生器大 都借助電阻電容、電感電容、諧振腔、同軸線作為振蕩回路產(chǎn)生正弦或其它函數(shù) 波形，頻率的變動由機(jī)械驅(qū)動可變元件( 如電容器或諧振腔) 來完成，其缺點(diǎn)是 顯而易見的，那就是頻率不穩(wěn)，噪聲大，頻率的改變控制不容易，這就產(chǎn)生了鎖 相頻率合成器( p h a s el o c k e df r e q u e n c ys y n t h e s i z e ) 。這是一次技術(shù)上的飛躍，它 基于鎖相環(huán)路原理，從一個高準(zhǔn)確度、高穩(wěn)定度的參考晶體振蕩器中綜合出大量 離散頻率，集成度高，可靠性好且價格低廉，直到現(xiàn)在鎖相頻率合成仍然是工程 應(yīng)用中最為普遍的技術(shù)。而直接數(shù)字頻率合成( d i r e c td i g i t a lf r e q u e n c ys y n t h e s i z e ， d d s ) 則是近幾年來最新發(fā)展的技術(shù)，它完全擺脫間接數(shù)字合成的乘法除法電路， 直接在基準(zhǔn)時鐘的準(zhǔn)確相位控制下獲得合成頻率輸出，其頻率控制模塊中的相位 累加器由寄存器和加法器組成，相位信息存儲在波形存儲器內(nèi)，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換后 輸出最低合成頻率，隨著頻率控制輸入的增長，輸出合成頻率亦增加。相位累加 器的寬度增加時，輸出合成頻率的準(zhǔn)確度相應(yīng)增加。d d s 頻率變換速度主要取決 于累加器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器的開關(guān)時間，顯然要比模擬電路快得多，因此廣泛采用d d s 技術(shù)是必然的發(fā)展趨勢。 1 3 課題研究目標(biāo) 本課題研究的是一種便攜式虛擬任意波信號發(fā)生器，它在硬件平臺的支持下， 在通用計算機(jī)平臺上通過軟件實(shí)現(xiàn)儀器數(shù)據(jù)分析處理、人機(jī)交互和顯示等幾部分 功能模塊，既具備虛擬儀器成本低、功能多、靈活性強(qiáng)、入機(jī)界面好等特點(diǎn)，又 保持了傳統(tǒng)臺式任意波信號發(fā)生器優(yōu)良的性能。在功能上，虛擬信號發(fā)生器可作 為任意波信號發(fā)生器、函數(shù)信號發(fā)生器和噪聲信號發(fā)生器使用，功能齊全，使用 方便，能夠產(chǎn)生各種常規(guī)信號波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，也能 第一章緒論 產(chǎn)生由用戶通過鼠標(biāo)在面板上畫出所需的任意波形，另外它還可產(chǎn)生噪聲信號和 調(diào)頻信號。 本課題研究的虛擬任意波發(fā)生器主要有以下性能指標(biāo)： ( 1 )輸出通道：2 個，一個輸出原始波形，另一個輸出放大并可調(diào)節(jié)幅值的波 形； ( 2 )輸出波形：正弦波、方波、階梯波、鋸齒波、脈沖波、噪聲( 均勻分布噪 聲、高斯分布噪聲、瑞利分布噪聲) 、a s k 、f s k 和p s k 。 ( 3 ) 波形存儲容量：4 k ： ( 4 ) 頻率范圍：0 0 1 , - 4 m h z ： ( 5 ) 負(fù)載能力：5 0 q l o ； ( 6 )幅度范圍：o 1 5 v 峰峰值； ( 7 ) 非線性失真度：電； ( 8 ) 頻率準(zhǔn)確度：o 1 ； ( 9 )u s b 接口，外置電源和總線電源同時供電；， 該虛擬信號發(fā)生器，除了具有上述性能以外，還具有有優(yōu)秀的可視界面，在 設(shè)置信號頻率、幅度、相位等一些參數(shù)的同時，就可以在界面上看到所希望得到 的信號波形。本課題所設(shè)計的虛擬信號發(fā)生器適用于教學(xué)實(shí)驗(yàn)、低頻信號測量等 場合。 1 4 研究工作的主要內(nèi)容 本文的研究工作主要是基于u s b 2 0 的虛擬任意信號發(fā)生器的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法。 在該系統(tǒng)中，設(shè)計實(shí)現(xiàn)了以u s b 、f p ( 徂、d d s 相結(jié)合的硬件電路設(shè)計，并且采 用f p g a 大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷?，借助e d a 軟件進(jìn)行數(shù)字邏輯電路的設(shè)計和調(diào)試， 做到了硬件電路軟件化，非常方便于系統(tǒng)的升級和功能擴(kuò)展。并且利用l a b w l n s o w 虛擬儀器軟件平臺設(shè)計實(shí)現(xiàn)了信號發(fā)生器的應(yīng)用程序。使其能夠產(chǎn)生各種常規(guī)信 號波形，如正弦波、方波、三角波、鋸齒波等，也能產(chǎn)生由用戶通過p c 機(jī)輸入的 任意波形，另外它還可產(chǎn)生白噪聲和a s k 、f s k 、p s k 等調(diào)制信號。 本論文共分五章，各章內(nèi)容安排如下： 第一章為緒論，簡要介紹本文研究工作的發(fā)展動態(tài)、目的和意義以及課題研 究目標(biāo)。 第二章詳細(xì)介紹基于u s b 2 0 的虛擬信號發(fā)生器的硬件體系結(jié)構(gòu)以及f p g a 內(nèi) 時序設(shè)計，并結(jié)合實(shí)際調(diào)試過程中所遇到的問題進(jìn)行探討。 第三章描述了信號發(fā)生器的軟件體系結(jié)構(gòu)，從固件代碼、驅(qū)動程序以及應(yīng)用 程序三方面進(jìn)行描述。 6 基丁u s b 2 0 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 第四章學(xué)習(xí)了d d s 算法的基本原理及頻譜分析，介紹了頻率分段法，并比較 了頻率分段法和d d s 算法的優(yōu)缺點(diǎn)。 第五章分析了虛擬信號發(fā)生器的系統(tǒng)誤差，并且對實(shí)際輸出的信號波形進(jìn)行 了分析。 第六章結(jié)束語部分對本文的研究內(nèi)容進(jìn)行了總結(jié)，并指出了進(jìn)一步研究的方 向。 第二章虛擬信號發(fā)生器的硬件系統(tǒng)設(shè)計 7 第二章虛擬信號發(fā)生器的硬件系統(tǒng)設(shè)計 2 1 系統(tǒng)硬件的設(shè)計方案 在實(shí)現(xiàn)基于u s b 2 0 虛擬信號發(fā)生器的硬件系統(tǒng)中，首先應(yīng)該確定系統(tǒng)的功 能，分析該系統(tǒng)應(yīng)該由哪些模塊組成，其次確定每個模塊中所用芯片的類型以及 相應(yīng)的電源，完成硬件原理圖設(shè)計，最后進(jìn)行制版、調(diào)試等工作。 系統(tǒng)中主要分為以下幾的模塊：( 1 ) u s b 接口模塊。( 2 ) f p g a 模塊。( 3 ) 電源模塊。( 4 ) d a 模塊。( 5 ) 存儲器模塊。在本節(jié)中將主要介紹該系統(tǒng)硬件構(gòu) 成的幾個模塊及芯片功能，在以后的兩節(jié)中將介紹f p g a 中的時序設(shè)計以及硬件 調(diào)試中應(yīng)該注意的問題。圖2 1 給出了本系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖。 2 1 1u s b 接口模塊 圖2 1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 u s b 接口模塊是主機(jī)和硬件平臺通信的橋梁。p c 機(jī)向硬件發(fā)送的數(shù)據(jù)包以串 行數(shù)據(jù)流的方式通過u s b 信號線傳送到u s b 模塊，經(jīng)u s b 模塊處理后控制各硬 件電路的動作。 下面我們就從u s b 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、u s b 總線信號方面了解u s b 接口，并通過u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 的特點(diǎn)、結(jié)構(gòu)以及工作方式來學(xué)習(xí)u s b 接口模塊是如何工作的。 1 u s b 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)1 l 】 在終端用戶看來，u s b 系統(tǒng)就是外設(shè)通過一根u s b 電纜和p c 機(jī)連接起來， 如圖2 2 所示。u s b 在外設(shè)和p c 機(jī)之間提供通信服務(wù)，通常把外設(shè)稱為u s b 設(shè) 備，把其所連接的p c 機(jī)稱為u s b 主機(jī)，且把指向u s b 主機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸稱為上行 基于u s b 2 0 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 通信，把指向u s b 設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸稱為下行通信。 圖2 2 簡單的u s b 系統(tǒng) 但是，對于開發(fā)人員，這種從u s b 設(shè)備到主機(jī)之間的簡單連接，又被分為三 個邏輯層，即功能層、u s b 設(shè)備層和u s b 總線接口層，且每一層都由主機(jī)和u s b 設(shè)備的不同功能模塊組成，如圖2 3 所示。 i 客蒿件f 卜 i 功能單元 l 墻挽痿 上 l | 嘴n 系統(tǒng)軟件lh d s b 邏輯躚備i s b 嬡魯詹 l i t i 靴總線接n1 1 ； lt i s s 盛線接口i 呦慧線i + + 實(shí)際遇倍溉十+ 迎鬻箍償藏 口瞪 圖2 3u s b 系統(tǒng)分層 2 u s b 總線信號 為保證u s b 總線上傳輸數(shù)據(jù)的完整性和消除噪聲干擾，u s b 采用了n r z i ( 反 向非歸零) 編碼的差分信號，數(shù)據(jù)在d + 和d 一線上的相位差為1 8 0 。u s b 主控 制器和設(shè)備的s i e 負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)進(jìn)行n r z i 編解碼和差分驅(qū)動。下面我們將分別介紹 n r z i 編碼和位填充這兩種編碼方式。 ( 1 ) n r z i 編碼 u s b 對在其總線上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進(jìn)行n r z i 編碼，以確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?這種編碼方式不需要單獨(dú)的時鐘信號與數(shù)據(jù)一起發(fā)送，它用電平的跳變代表“0 ”， 無電平跳變代表“l(fā) ”，如圖2 4 所示。 鼬艄習(xí)：一! 一：f ! ! ：h ! ：一! 鶴麗1 廠 幾廣 廠 圖2 4n r z i 編碼 n r z i 編碼用其數(shù)據(jù)流中的跳變表示同步信號，即傳輸數(shù)據(jù)“0 ”，這可以保證 接收方和發(fā)送方的同步。但是，一長串的“l(fā) ”會導(dǎo)致無電平跳變，從而引起接收 方失去同步信號。為避免這種情況得法生，u s b 使用了為填充機(jī)制。 第二二章虛擬信號發(fā)生器的硬件系統(tǒng)設(shè)計 9 ( 2 ) 位填充 u s b 使用位填充機(jī)制來避免n r z i 碼丟失同步信號，其具體做法為：如果傳 輸?shù)臄?shù)據(jù)中有6 個連續(xù)的“1 ”，那么發(fā)送方會在這6 個“l(fā) ”后填充一個“0 ”，這 就保證了在7 個位時間里至少有一個跳變，如圖2 5 所示。數(shù)據(jù)接收方在檢測到6 個連續(xù)的“1 ”之后，會把第7 位的“0 ”拋棄掉。需要注意的是，如果原始數(shù)據(jù) 的第7 位本來就是“0 ”，位填充機(jī)制還是會在第7 位填充一個“0 ”的。 i l i t l l l l l i i 一l l l l t p 字- i l - 1 一傳帕飄鼉 轆意但 位填充羼帕羹鬟廠 ， r i 一再步字段叫_ 一t i 帕番曩i l , t - - e 十t , t i l l i “婀翮nn 門廠廣 l + 一辮疹搴鼠斗卜一傳前蠹鼉- 叫 圖2 5 位填充 如果數(shù)據(jù)的位填充操作失敗，則產(chǎn)生位填充錯誤，主機(jī)會忽略該數(shù)據(jù)傳輸。 但高速傳輸有一個列外，其e o p ( 包結(jié)束) 信號會故意產(chǎn)生一個位填充錯誤，以 表示高速信息包的結(jié)束。具體方法請參見【1 】在這里不作介紹。 3 傳輸方式 不同的u s b 設(shè)備對數(shù)據(jù)傳輸提出了不同的要求，如傳輸數(shù)據(jù)量的大小、傳輸 速率的高低、需同步傳輸或突發(fā)傳輸?shù)?。根?jù)這些要求，u s b 定義了4 種傳輸類 型： ( 1 ) 塊傳輸：適用于傳輸大量的、且對傳輸時間和傳輸速率均無要求的數(shù)據(jù)。 ( 2 ) 中斷傳輸：適用于傳輸少量或中量的、且對服務(wù)周期有要求的數(shù)據(jù)。 ( 3 ) 同步傳輸：適用于傳輸大量的、速率恒定的、且對服務(wù)周期由要求的數(shù)據(jù)。 ( 4 ) 控制傳輸：適用于傳輸少量的、且對傳輸時間和傳輸速率均無要求、但必須 保證傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 在本文所介紹的信號發(fā)生器中，u s b 設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸使用的是塊傳輸方式， 下面對塊傳輸進(jìn)行簡單介紹。 塊傳輸適用于傳輸大量的、且對傳輸時間和傳輸速率均無要求的數(shù)據(jù)。當(dāng)u s b 總線帶寬緊張時，它會為其傳輸類型讓出自己所占用的幀，j 、幀時間，而其本身將 被延遲，這時塊傳輸?shù)膫鬏斔俾室埠艿?、占用的傳輸時間也很長；當(dāng)u s b 總線空 閑時，它會以很快的速率傳輸，其傳輸時間也很短。所以塊傳輸可以發(fā)送大量的 數(shù)據(jù)而不會堵塞u s b 總線，但其傳輸時間和傳輸速率卻得不到保證。另外，它還 采用差錯控制和重試機(jī)制來確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性。 4 u s b 芯片c y 7 c 6 8 0 1 3 1 2 6 1 1 0 基fu s b 2 0 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) c y p r e s s 公司的e z u s bf x 2 系列芯片是世界上第一個集成u s b 2 0 協(xié)議的微 處理器，它支持1 2 m b p s 的全速傳輸和4 8 0 m b p s 的高速傳輸，可使用4 種u s b 傳 輸方式：控制傳輸、中斷傳輸、塊傳輸和同步傳輸；完全適用于u s b 2 0 ，并向下 兼容u s b l 1 。在本系統(tǒng)中，就選用的是e z u s bf x 2 系列的c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片作 為本系統(tǒng)的接口芯片。下面就對該芯片作以介紹。 1 ) 芯片結(jié)構(gòu) e z u s bf x 2 主要包括u s b 2 0 收發(fā)器、串行接口引擎( s i e ) 、增強(qiáng)型8 0 5 1 、 8 5 k b 的r a m 、4 k b 的f i f o 存儲器、i o 口、數(shù)據(jù)總線、地址總線和通用可編程 接口( g p l f ) ，如圖2 6 所示。 圖2 6f x 2 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2 ) 接口模式 f x 2 提供了三種可用的接口模式：端口、可編程的g p i f 方式和從屬f i f o 方 式。 在“端口”模式下，i o 引腳都可作為8 0 5 1 的通用i o 口。 可編程的g p i f 方式使用了p o r t b 和p o r t d ，用這兩個p o r t 構(gòu)成通向f x 2 的四個端點(diǎn)f i f o ( e p 2 、e p 4 、e p 6 和e p 8 ) 的1 6 位數(shù)據(jù)接口。g p i f 作為內(nèi)部 可編程的控制信號與外部接口進(jìn)行通信，與片外元件連接時，g p i f 是通過軟件編 程讀寫控制波形實(shí)現(xiàn)。r d y 引腳可作為外部f i f o 或者其他邏輯器件的信號輸入。 g p i f 既可使用內(nèi)部也可使用外部的時鐘驅(qū)動，傳輸速率可達(dá)9 6 m b s ( 4 8 m h z ) 。 由于g p i f 接口的配置靈活，使得c y 7 c 6 8 0 1 3 幾乎可以對任何8 1 6 b i t 接口的控制 器、存儲器和總線進(jìn)行數(shù)據(jù)的主動讀寫，非常靈活。 在從屬f i f o s 方式下，外部控制器可像普通f i f o 一樣對f x 2 的多層緩沖f i f o 第二章虛擬信號發(fā)生器的硬件系統(tǒng)設(shè)計 進(jìn)行讀寫。f x 2 的從屬f i f o s 工作方式可設(shè)為同步或異步；工作時鐘可選為內(nèi)部 產(chǎn)生或外部輸入；其它控制信號也可靈活地設(shè)置為高有效或低有效。 3 ) u s b 電路圖 c y 7 c 6 8 0 1 3 芯片的外圍電路包括u s b 接口電路、時鐘電路、復(fù)位電路、電源 濾波電路等，下面我們就給出u s b 接口電路和時鐘電路圖，如圖2 7 所示。 2 1 2 電源模塊 圖2 7u s b 接口電路( 左) 及時鐘電路( 右) u s b 的供電電壓是5 v ，而電路各芯片所需的供電壓種類較多，有2 5 v 、3 3 v 、 5 v 、- 5v 和5 2 v ，所以需要不同的電路來保證電源的供給。在本系統(tǒng)中，增加了 + 1 2 v 和1 2 v 的外加電源，已保證+ 5 v 和5 v 電源的供給。f p g a 芯片所需的2 5 v 和3 3 v 電壓就是通過l m 3 1 7 芯片完成的。5 2 v 由l m 3 3 7 t 電壓轉(zhuǎn)換芯片完成， + 5 v 和5 v 電壓分別由m r 7 8 0 5 c 和m t 7 9 0 5 t 完成。圖2 8 給出了2 5 v 和3 3 v 電 壓的實(shí)現(xiàn)。 2 1 3f p g a 模塊 圖2 8 電源模塊 在設(shè)計中，我們選用了a l t e r a 公司的a c e xi k 系列的e p l k i o t c l 4 4 芯片 作為可編程邏輯芯片。在該模塊中，主要進(jìn)行了系統(tǒng)各模塊的時序描述以及模塊 之間的聯(lián)系。f p g a 內(nèi)部時序控制與功能圖如圖2 9 所示。詳細(xì)討論請見本章第二 1 2 基丁：u s b 2 0 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 節(jié)內(nèi)容。 2 1 4d a 模塊 圖2 9f p g a 內(nèi)部時序控制圖 在信號發(fā)生器中，d a 轉(zhuǎn)換器起著舉足輕重的作用。d a 的性能直接影響著 整個信號發(fā)生器的性能。在本系統(tǒng)中，我們選用的是a n a l o gd e v i c e s 公司的 a d 9 7 1 3 芯片，該芯片是一款1 2 位的e c i 胛l 兼容高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，是針對d d s 、 信號重構(gòu)、高質(zhì)量圖像信號處理等應(yīng)用而專門設(shè)計的。該芯片具有小的毛刺和快 速建立時間，以及良好的動態(tài)性能和諧波抑制能力，因而在各種信號產(chǎn)生設(shè)備中 有著大量的應(yīng)用。 a d 9 7 1 3 b 芯片主要由解碼驅(qū)動電路、傳輸鎖存器、開關(guān)網(wǎng)絡(luò)、可調(diào)放大器四 個子模塊構(gòu)成。利用m s b ( m o s ts i g n i f i c a n tb i t ) 解碼和分割技術(shù)來減少毛刺，并 獲得1 2 位的線性特性。該芯片具有1 0 0 m s p s 的更新速率、與e c l 胛l 兼容、 7 0 d b e 1 m h z 的無雜散動態(tài)范圍( s f d r ) 、2 8 p v - s 的毛刺電壓、2 7 n s 的快速建立時 間、7 2 5 m w 低功耗以及4 0m h z 的乘積帶寬等優(yōu)點(diǎn)。 為了使d a 輸出的波形的幅值可變，只需在d a 輸出增加一個數(shù)字電位器即 可。外部電路的設(shè)計如圖2 1 0 所示。 圖2 1 0d a 外圍電路 第二章虛擬信號發(fā)生器的硬件系統(tǒng)設(shè)計 2 2f p g a 中的系統(tǒng)時序設(shè)計 時序設(shè)計在該u s b 虛擬信號發(fā)生器設(shè)計中是一個重要部分。在上一節(jié)我們已 經(jīng)提到我們在該系統(tǒng)中使用的a l t e r a 公司的a c e x l k 系列的e p i k l 0 t c l 4 4 芯 片作為f p g a 芯片，并在q u a r t l l si i4 1 平臺上進(jìn)行時序設(shè)計。q u a r t l 】su 4 1 平臺 是a l t e m 公司最新推出的可編程器件開發(fā)平臺。該軟件支持a c e ) ( 1 k 、a p e xi i 、 c y c l o n ei i 、m a x 3 0 0 0 、s t r a i t xi i 等系列的器件，并增加了新的驗(yàn)證、優(yōu)化和易用 特性。q u a r t u s 軟件具有領(lǐng)先的設(shè)計流程和方法、系統(tǒng)設(shè)計和口集成方法、先進(jìn) 的布局布線技術(shù)、領(lǐng)先的時序靠近技術(shù)以及領(lǐng)先的驗(yàn)證方案和第三方合作伙伴的 e d a 支持【1 4 1 ，為f p g a 、c p l d 和結(jié)構(gòu)化a s i c 設(shè)計提供了最完整的開發(fā)環(huán)境。 本課題中，我們利用q u a r t u si i4 1 平臺在e p i k l 0 t c l 4 4 芯片中實(shí)現(xiàn)了u s b 數(shù)據(jù)采集、r a m 讀寫、d a 轉(zhuǎn)化等邏輯電路，下面我們將分別介紹。 2 2 1u s b 數(shù)據(jù)采集 u s b 芯片與外部通信的數(shù)據(jù)流是通過f x 2 的內(nèi)部端點(diǎn)f i f o ，對于外部邏輯， 這些端點(diǎn)f i f o 需要提供時鐘信號、握手線( 包括孔信號、滿信號和可編程信號) 、 讀寫信號和輸出使能信號等。當(dāng)然，這些h f o 信號由主控制h f o 所控制。而f x 2 的另外一種模式g p i f ( g e n e r a lp r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e ，通用可編程接口) 的傳輸 方式，是當(dāng)f x 2 連接外部邏輯并且不包括標(biāo)準(zhǔn)f i f o 接口時，或是f i f o 被外部控 制器控制時，g p i f 是作為內(nèi)部控制來使用的。當(dāng)f x 2 被外部控制器控制時，f x 2 的f i f o 被稱作從屬模式 2 6 1 。 我們在本系統(tǒng)中用到的就是從屬h f o 模式來進(jìn)行u s b 數(shù)據(jù)流的操作的，在 進(jìn)行數(shù)據(jù)通信中，主要用到了s l o e ( 讀使能信號) 、s l r d ( 讀時鐘) 、s l w r ( 寫 時鐘) 、f u l l ( 滿信號) 、e m p t y ( 空信號) 、i f c l k ( 參考時鐘) 、f i f o a d r 1 ： o l ( 端口地址) 、p k t e n d 這些信號，下面我們先來看一下同步f i f o 寫過程的時 序圖，如圖2 1 1 所示。 圖2 1 i 同步f i f o 寫過程時序圖 1 4 基于u s b 2 0 虛擬信號發(fā)生器的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 從圖2 1 l 我們分析得到：在我們選擇端點(diǎn)8 即就是f a d d r 1 ：0 1 均為“1 ” 時，f u l l 信號為“1 ”( f u l l 低電平為有效) 時，也就是f i f o 不滿，并且s l w r 滿足：( 1 ) s l w r 為i f c l k 的二分頻，( 2 ) 當(dāng)i f c l k 信號為上升沿時，s l w r 為 低電平。這時，同步f i f o 寫過程才能進(jìn)行。 知道了同步f i f o 寫過程，我們再來看一下同步f i f o 的讀過程時序，如圖2 1 2 所示。 一t x 二廠 r f 擴(kuò) 纊 f 圖2 1 2 同步f i f o 寫過程時序圖 從圖2 1 2 我們分析得到：在我們選擇端點(diǎn)2 即就是f a d d r 1 ：0 1 均為“o ” 時，e m p t y 信號為“1 ”( e m 盯y 低電平為有效) ，也就是f i f o 不空時，同時s l o e 為“o ”低電平有效，并且s l r d 滿足：( 1 ) s i 胍為i f c l k 的二分頻，( 2 ) 當(dāng) c u 【信號為上升沿時，s l r d 為低電平。這時，同步f o 讀過程才能進(jìn)行。 通過分析，我們知道了u s b 芯片的讀寫過程，那么它在f p g a 中是如何實(shí)現(xiàn) 的呢? 參看u s b 在f p g a 工作流程圖，如圖2 1 3 所示。 2 2 2r a m 的讀寫 圖2 1 3u s b 讀寫時序流程圖 r a m 在系統(tǒng)中主要實(shí)現(xiàn)了波形數(shù)據(jù)存儲的功能，r a m 的時序部分應(yīng)該注意 第二章虛擬信號發(fā)生器的硬件系統(tǒng)設(shè)計 1 5 的問題主要有以下三方面： 1 r a m 讀寫控制信號 一般r a m 的讀寫信號是兩個相反的狀態(tài)，即當(dāng)讀信號有效的時候，寫信號無 效，如何選擇控制著兩個信號的控制信號是r a m 讀寫的關(guān)鍵。我們在這里就選用 了兩個信號作為讀寫信號的控制信號，即e f ( e m p t y 信號) 和r d o e ( 端點(diǎn)2 選擇 信號，在本系統(tǒng)中端點(diǎn)2 作為數(shù)據(jù)傳輸端點(diǎn)) 。當(dāng)r d o e = “1 ”和e l = - “1 ”時，r a m 的片選信號( 薩“o ”) 和寫信號有效( 艫“o ”) ，讀信號無效( r c = “1 ”) ；當(dāng)r d o e = “1 ”和e l = “0 ”時，r a m 的片選信號