1、基于 PC104的程控信号发生器设计摘要信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学实验等领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备。因此，信号发生器和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本的，也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有的电参量的测量都需要用到信号发生器。目前，信号发生器已经有了很大的发展。本课题的设计思想是基于 PC104 总线扩充一些外围电路，然后通过编程来实现信号发生器各种波形的输出，并可以对波形的参数进行控制。本文概述了信号发生器的历史、分类、关键技术指标和国内外发展现状，对PC104 也进行了简单介绍并分析比较了基于
2、PC104 的三种信号发生器设计方案，最终提出了本论文的设计方案。本论文分别对该信号发生器的硬件电路和软件系统进行了设计。其中，硬件部分以数模转换模块为核心，并对逻辑控制设计和总线缓冲设计等分别进行了详细的阐述和分析；软件部分主要是在 TURBO C 环境下利用 C 语言编程，根据制定的通信协议实现了 PC 机和 PC104 的串口通信，波形数据产生和定时向 D/A 发送数据的功能。该信号发生器具有使用方便、工作稳定等优点。此外，该信号发生器还能广泛地应用在电子产质量检测过程控制和伺服控制等领域。相信会有很好的市场前景。关键词: 信号发生器，PC104，D/A 转换，串口通信 The Desi
3、gn of programmable Signal Generator Based on PC104AbstractSignal generator is a common source, widely used in electronic circuits, automatic control and scientific experiments and other fields. It is a kind of equipment to provides the electrical signal for the electronic measurement, which can meet
4、 the stringent technical requirements. Therefore, the signal generator just like oscilloscope, voltmeter, frequency meter and other equipment is the most common and most basic, and also it is the most widely used electronic devices, with nearly all of the measurement of the electrical parameters nee
5、ds to use the signal generator. Currently, the signal generator has been great developed. The design thought of this subject is to expand some peripheral circuits based on PC104 bus, and program to achieve various waveform output of signal generator, and also the parameters of the waveform can be co
6、ntrolled.The article summarizes the history, classification, key technical indicators and the current development of the signal generator, and gives a brief introduction of PC104, and also compares three designs of signal generators based on PC104, and eventually the final design of this paper is de
7、termined. Then the hardware circuit design and software system design of the signal generator are introduced in detail. In the hardware part, the digital-analog converter module is core, and the design of the logic control and bus buffer are described and analyzed in detail; the software is mainly i
8、n TURBO C environment, using C language to achieve the functions of the serial communication between PC and PC104 according to communication protocols, waveform data generation and sending data to D / A regularly.The signal generator is easy to use, stable working and so on. In addition, the signal
9、generator is also widely used in electronic production quality testing process control and servo control and other fields. I believe that this signal generator will have a very good market prospects. Key words: signal generator, PC104, D / A Converter, serial communications第 I 页 共 II 页目 录第一章 绪论 11.1
10、 研究课题的背景、目的和意义 .11.2 信号发生器概述 .11.2.1 信号发生器历史 .21.2.2 信号发生器国内外现状 .31.2.3 信号发生器分类 .41.2.4 信号发生器关键指标 .41.3 主要研究内容 .5第二章 信号发生器方案设计 62.1 PC104 概述 .62.1.1 PC/104 总线 62.1.2 PC104 嵌入式系统的特点 .72.1.3 PC104 嵌入式系统控制技术 .82.2 设计方案 .92.2.1 锁相环原理 .92.2.2 直接频率合成（DDS）原理 .102.2.3 D/A 转换原理 .112.3 信号发生器总体设计 11第三章 信号发生器硬件
11、设计 .133.1 数模转换电路 133.2 逻辑控制模块 163.3 总线缓冲器 173.4 电源电路模块 183.4.1 工作电源的选择 183.4.2 DAC1210 参考电压的设计 19第四章 信号发生器软件设计与实现 .204.1 软件系统的开发环境和工具 20第 II 页 共 II 页4.2 PC104 和 PC 机通信 .214.2.1 串口通信基本原理 224.2.2 串口通讯程序设计 244.3 波形数据产生程序设计 304.4 定时发送数据程序设计 37第五章 结论 .41附录 A 硬件原理图 .42附录 B PCB 板 43参 考 文 献 44致 谢 .46第 1 页 共
12、 46 页第一章 绪论1.1 研究课题的背景、目的和意义信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于电子电路、自动控制和科学试验等领域。它是一种为电子测量和计量工作提供符合严格技术要求的电信号设备。作为信号发生器，它应具备以下基本功能：可以产生正弦波、矩形波、三角波、锯齿波等几种周期信号；增加外部存储器后可以方便的实现信号存储功能；信号存储功能可存储掉电前用户编辑的信号和设置；可实现用键盘编辑产生任意信号 1。随着通信、雷达技术的高速发展，稳定度高、信号种类多样的高质量信号源的需求也越来越广。作为电子工程师在进行各种测试和诊断时必备的工具，尽管传统的信号发生器已经发展了很多年，技术和性能都相对成熟
13、，但由于体积较大，不易携带，尤其是在需要进行现场测试的地方显得不够灵便，所以程控信号发生器的设计和研究必然随着电子电路技术的发展和信息处理技术的发展愈发深入。PC104 模块作为嵌入式计算机，在 9690mm 的模块上可包含所有的 PC/AT 兼容的 DMA 控制器、中断控制器及定时器，外部接口包括 PC/AT 兼容的双向并行接口、串行接口、Ethemet 网络接口等，配置存储系统后，可构成一个完整的计算机系统 3。PC104 与 IBM PC 全兼容，PC104 凭借紧凑的外形、成熟的标准体系结构、专业设计专业生产带来的高可靠性，将广大硬件工程师引入了一个更高的层次。设计者只需专心于系统设计
14、、功能设计，不用为单片机、CPU 及其外围器件之间的复杂接口关系花费不必要的时间，而且相当多的 PC104 采用了DOS,WINDOWS 操作系统。此外，PC104 总线作为一种工业计算机总线标准，是一种优化的、小型的、堆栈式结构的嵌入式控制系统。与普通总线控制系统的不同，它尺寸小，低功耗，堆栈式连接，可通过串口来显示和控制设置 10。这种模块化、通用化的系统更易于维护、易于扩展、易于系列化、易于升级。大大减少了重复学习、重复开发的成本。将 PC104 模块应用于信号发生器中，具有体积小、使用方便、工作稳定等优点，传输速度要比 ISA 总线传输的快。此外，该信号发生器还能广泛地应用在电子产品质
15、量检测过程控制和伺服控制等领域，有很好的市场前景。同时该信号发生器很适合在实验室使用。第 2 页 共 46 页1.2 信号发生器概述测量仪器从宏观上可分为两大类，即激励和检测，其中激励仪器主要是各类信号发生器。任意波信号发生器是信号发生器中的一种，它的主要功能是为待测设备提供稳定、可靠并可以人工调节和控制的信号源，如正弦波、方波、三角波、锯形波、白噪声和扫频信号以及用户定义的任意波形。1.2.1 信号发生器历史作为工业产品特别是电力、电子产品的研制和生产领域中最重要的测试设备之一，信号发生器的发展历史可以追溯到上世纪 40 年代。1943 年惠普为海军研究实验室开发了第一台信号发生器，从而使得
16、人们在测试设备时可以利用可控的信号源进行比较完善和安全的测试和测量。在随后的二十年间，信号发生器一直随着电子技术、计算机技术的发展而发展，几乎成为这些技术发展的一个缩影。从技术上看，信号发生器经历了由模拟式信号发生器、数字式信号发生器到虚拟信号发生器的发展过程，如图 1.1 所示。模拟电路信号发生器数字电路信号发生器以微控制器为核心的信号发生器虚拟信号发生器电阻电容、电感电容、谐振腔各种“门”级电路、晶体振荡器嵌入式的汇编程序高级语言或完善的二次开发平台机械驱动可变元件锁相环直接数字频率合成虚拟仪器技术、数字集成电路技术信号发生器的发展 内部结构的发展 关键技术的发展图 1.1 信号发生器的发
17、展从四十到六十年代，信号发生器都是完全用以电子管工艺为基础的模拟电路搭建的，往往调节范围受到限制，因而划分为音频、高频、超高频、射频和微波第 3 页 共 46 页等信号发生器，其信号的精度和可控性都不好，而且可产生的信号的种类很少，对于较复杂的信号，其电路都非常复杂，造成体积庞大，不易移动。六七十年代，随着晶体管工艺的出现、大规模和超大规模集成电路的应用，数字电路在信号发生器中得到广泛的应用，从而大大提高了信号发生器的精度，减少了电路本身产生的噪声，体积也大为缩小。八十年代开始，计算机己经在工业生活中逐渐占据了重要的位置，信号发生器也开始从纯粹的由分立元件搭建改为以微处理器为核心的集成系统，这
18、时候的信号发生器已发生重大的变化，比如说，它所能产生信号的种类大大增加；通用性得到很大的提高；任意波信号可以通过人工设定在同一台信号发生器中产生；频宽也大大的增加了。过去的多种类的信号发生器也简单地划分为低频和高频两种，低频信号的频宽从 0-50MHZ，高频则可达到 20GHz以上，但它仍存在人机界面不友好，软硬件升级维护困难等缺点。九十年代以后虚拟仪器进入了人们的视野，这种完全以计算机软件为核心，辅以相应的硬件设备的测试系统代表了未来测试仪器的发展方向。人们可以在友好的人机界面环境中轻松地进行各种复杂的操作。1.2.2 信号发生器国内外现状国外波形发生器的研制及生产技术已较为成熟，已有多种产
19、品投放市场，目前任意波形发生器主要有以下三种产品结构形式。1.独立仪器结构形式独立仪器结构形式是把任意波形发生器设计成单台仪器的形式，其优点是精度高，可单独工作。2.PC 总线插卡式PC 总线插卡式是将任意波形发生卡直接插在 PC 机的总线扩展槽或扩展机箱中，利用 PC 机来控制任意波形发生器的工作状态，其优点是可以充分利用 PC 机的软硬件资源，在波形数据处理、波形参数的修改、计算等方面有明显优势。3.VXI 模块式VXI 模块式是一种新型的模块化仪器，它必须插在 VXI 总线机箱上才能使用，而 VXI 总线机箱又通过 GPIB 或 RS-232C 接口与计算机相连，VXI 卡式仪器对组成自
20、动测试系统(ATE)特别有用，各个公司的 VXI 卡式仪器模块均可自由组合。目前我国也已经开始研制任意波形发生器，并取得了可喜的成果。但总的来第 4 页 共 46 页说，我国任意波形发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些 PC 仪器插卡；独立的仪器和 VXI 系统的模块很少，并且我国目前在任意波形发生器的种类和性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。1.2.3 信号发生器分类早期的信号发生器大都借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形，频率的变动由机械驱动可变元件(如电容器或谐振腔)来完成，其缺点就是频率
21、不稳，噪声大，频率的改变控制不容易。随着电子技术的发展，催生了锁相频率合成器(Phase Locked Frequency Synthesize)。这是一次技术上的飞跃，它基于锁相环路原理，锁相环作为一个闭合的自动跟踪环路，能够使环路内振荡器产生的输出信号的频率和相位锁定到参考信号的频率和相位,从一个高准确度、高稳定度的参考晶体振荡器中综合出大量离散频率，集成度较高，可靠性好且价格低廉，直到现在锁相频率合成仍然是工程应用中最为普遍的技术。直接数字频率合成(Direct Digital Frequency Synthesize)则是近几年来最新发展的技术，它完全摆脱间接数字合成的乘法/除法电路，
22、直接在基准时钟的准确相位控制下获得合成频率输出，其频率控制模块中的相位累加器由寄存器和加法器组成，相位信息存储在波形存储器内，再经数模转换后输出最低合成频率，随着频率控制输入的增长，输出合成频率亦增加。相位累加器的宽度增加时，输出合成频率的准确度相应增加。DDS 频率变换速度主要取决于累加器和数模转换器的开关时间，显然要比模拟电路快得多。因此直接数字频率合成在高频通信信号的发生生成方面得到了广泛的应用。以上几种方法都是适合于函数波形的发生生成，但是对于真正意义上的任意信号波形的发生生成来说，是不可实现的，尤其是对于具有特殊函数形式的信号来说就更困难。对于这个问题，最直接的办法就是采用数模转换器
23、件进行直接波形数据到信号波形的转换。因此，一些专用的任意信号发生器设备就是采用这种方式进行的。1.2.4 信号发生器关键指标在实际应用中，人们关心的是如何从要求的技术指标出发，设计一个性价比第 5 页 共 46 页比较高的信号发生系统。信号发生系统的主要技术指标有以下几种：系统的最高转换速率，系统精度，系统分辨率，系统多通道幅度相位一致性和系统转换频率的短期、长期稳定度。除了以上这些指标外，还有系统功耗、可靠性、系统控制方式以及系统的数据存储量等一些重要指标。在这些指标中，对于高速多通道任意信号发生系统而言，最为重要的是系统的分辨率、精度与系统的短期、长期稳定度。其中，系统分辨率是指数模数据转
24、换系统可以表示的最小的模拟量的大小，通常用数字量的最低有效位值(LSB)来表示。如果系统的量化比特数为12位，那么1LSB占系统满度值的0.0244%。系统分辨率与系统的动态范围是两个不同的概念，但两者有着一定的关系。对于数模转换系统，动态范围是指系统可形成的最大信号与可分辨的最小信号的比值，通常以对数值表示。系统分辨率每增加1位，动态范围相应扩大6dB；系统精度是指当系统工作于额定通过速率下，对每个离散的转换数值的转换精度。数模转换器的精度是一个系统精度的极限。而且应注意的是，精度是指系统的实际输出值与理论输出值之差，它与系统的分辨率是两个不同的概念。1.3 主要研究内容本课题是要设计基于
25、PC104 总线设计一个可编程控制的信号发生器。该信号发生器是利用标准串行接口，由 PC 机或控制终端编程发送波形控制命令，实现输出方波、三角波、正弦波和稳态值，而且可以对波形的幅值、频率、波形周期数进行控制，满足技术指标的要求：波形的幅值范围为（-10+10）V0.01V，波形的频率范围为 DC500Hz, 精度 0.1%。下面介绍一下本论文的主要研究内容：第一章，首先介绍了课题背景及研究意义，然后简单概述了信号发生系统的历史、特点、分类及发展现状。第二章，先对 PC104 进行了概述，然后对比分析了基于 PC104 的 3 种信号发生器设计方案，最后确定了本课题的设计方案。第三章，讲述了该
26、信号发生器的系统硬件设计，主要包括数模转换模块，逻辑控制模块，总线缓冲器和电源电路模块的设计。第四章，介绍了改信号发生器的软件设计与实现，主要包括 PC104 的串口通信部分的实现，还有波形产生程序的和定时发送数据程序设计。第 6 页 共 46 页第五章，对本次设计进行了总结概括。第二章 信号发生器方案设计2.1 PC104概述PC104、PC104+、PCI-104 产品己经被广泛应用于商业、工业、航空以及军用等领域，其在商业及商用现货领域作为嵌入式系统理想解决方案的这一主导地位，已经得到大家的一致认可。“堆栈型 PC”已经被证明是一种能够广泛应用于各种场合的坚固的、可靠的及高性价比的嵌入式
27、系统解决方案。由于 PC1O4 系统与传统 PC 系统的兼容，并且具有丰富的开发工具和软件资源，使其成了广大用户最喜欢的选择。2.1.1 PC/104总线PC/104是一种专门为嵌入式控制而定义的工业控制总线,是由美国加州的Ampro公司1980年首先开发,近年来在国际上广泛流行,1992年被IEEE协会定为IEEE-P996.l。我们知道IEEE-P996是PC和PC/AT工业总线规范,从PC/l04被定义为IEEE-P996.1就可以看出PC/104实质上是一种紧凑型的IEEE-P996.l。其型号定义和PC/AT基本一致,但电气和机械规范却完全不同，是一种优化的小型堆栈式结构的嵌入式控制
28、系统。PC/104总线有两个版本8位16位分别与PC和PC/AI相对应,PC/104-Plus则与PCI总线相对应。在PC/104总线的两个版本中，8位PC/104共有64个总线管脚(单列双排插针和插孔)，16位64+40=104个总线管脚(双列双排插针和插孔)，其有效信号线和控制线完全与PC和PC/AT兼容。PC/104嵌入式微机其总线共有104线，分成5类:地址线、数据线、控制线、时钟线、电源线。简单介绍如下:1.地址线SA 0-SA19和LA 17 -LA23，其中SA 0-SA19是可锁存的地址信号，LA 17-LA23为非锁存信号，由于没有锁存延时，因而给外设插板提供了一条快捷途径。
29、SA 0-SA19加上LA 17-LA23可实现16MB空间寻址(其中,SA 0-SA19和LA 17-LA23是重复的)。第 7 页 共 46 页2.数据线SD 0-SD7和SD 8-SD15，其中数据线SD 0-SD7为低8位数据，SD 8-SD15为高8位数据。3.控制线:AEN地址允许信号，输出线，高电平有效。AEN=l，表明处于DMA控制周期；AEN=0，表示非DMA周期。此信号用来在DMA期间禁止I/O端口的地址译码。:I/O读命令，输出线，低电平有效，用来把选中的I/O设备的数据读到数据总IOR线上。在CPU启动的I/O周期，通过地址线选择I/O；在DMA周期，I/O设备由DAC
30、K选择。 :I/O写命令，输出线，低电平有效，用来把数据总线上的数据写入被选IW中的I/O端口。IRQ 3-IRQ7和IRQ 10-IRQ15；用于作为外部设备的中断请求输入线，分别连到主片8259A和从片8259A中断控制器的输入端，其中IRQ 12、IRQ 13不在总线上出现。这些中断请求线都是边沿(上跳边)触发，三态门驱动器驱动。优先级排队是IRQ 0最高，依次为IRQ 1，IRQ 8-IRQ15，IRQ 3-IRQ7。2.1.2 PC104嵌入式系统的特点PC104与普通PC总线控制系统相比,有如下优点：1.小尺寸。PC/104 的板卡标准尺寸为 90mm96mm(比一本新华字典还要小
31、很多)，而传统桌面 PC 系统的板卡尺寸为 315mm122mm，这样小的尺寸使得PC/104、PC/104+和 PCI-104 模块板成为了嵌入式系统应用的理想产品。2.开放的高可靠性的工业规范。PC/104、PC/104+和 PCI-104 产品在电气特性和机械特性上可靠性极高、功耗低，产生热量也很少。板卡与板卡之间通过自堆栈进行可靠的连接，抗震能力强。3.模块可自由扩展。PC104 模块具有灵活的可扩展性，它允许工程师互换及匹配各种功能卡，可随系统的需求而升级 CPU 的性能。增加系统的功能和性能只需通过改变相应的模块即可实现。4.低功耗。4mA 的总线驱动电流，即可使模块正常工作，低功
32、耗有利于减少元件数量、体积。各种插卡广泛采用 VLSI 芯片、低功耗的 ASIC 芯片、门阵列等，其存储采用大容量固态盘(SSD)。5.堆栈式连接。这种结构取消了主板和插槽，利用板上的叠装总线插座连接起来。有效减小整个系统所占的空间。6.丰富的软件资源。与 PC 系统兼容的操作系统、开发工具、应用软件都可以第 8 页 共 46 页运行在 PC/104 系统中。这使得用户可以随时利用无处不在的 PC 系统丰富的软件资源，从而降低软件购买、学习、培训等方面的成本。此外，在许多 PC104 系统的设计中，大量的实时操作系统已经被成功地应用。7.大大简化系统设计的复杂性。通过使用 PC104、PC10
33、4+和 PCI-104 模块，用户可以将精力集中于末端系统设计及功能设计上。不用为 CPU 及其外围器件之间的复杂接口关系花费时间。2.1.3 PC104嵌入式系统控制技术由于PC1O4软硬件资源丰富，它的使用己遍及各行各业。当使用PC104嵌入式系统对物理、化学等过程进行数据采集与数据处理，进行实时控制时，均需要将数据输入到PC104中，又要将PC104处理的结果输出来，或作为空置量，或作为图形与数据打印显示。PC104主板可以链接不同功能的接口电路，为了区别它们，制作者赋予它们不同的接口地址，这样PC104就可以如同访问存储单元一样按地址访问这些接口电路。PC104嵌入式系统接口地址分配如
34、表2.1和表2.2所示。表2.1 系统板I/O地址使用情况口地址范围（16 进制） 用途 口地址范围（16 进制） 用途0000-001F DMA 控制器 1 00A0-00BF 中断控制器 20020-003F 中断控制器 1 00C0-00DF DMA 控制器 20040-005F 定时/计数器 00F0 清除协处理器总线0060-006F 键盘控制器 00F1 设置协处理器总线0070-007F CMOS RAM 与 NMI 屏蔽寄存器00F8-00FF 协处理器0080-009F DMA 寄存器 01F0-01F8 硬盘表2.2 接口板I/O地址使用情况口地址范围（16 进制） 用途
35、口地址范围（16 进制） 用途200-207 游戏卡 I/O 卡 378-37F 并行口打印机 1210-217 扩展部件 380-38F SDLC 通信及同步通信第 9 页 共 46 页220-24F 保留 3A0-3AF 同步通信 2278-27F 并行口打印口 2 3B0-3BF MDA 单色显示器2F0-2F7 保留 3C0-3CF 保留2F8-2FF 串行口 2 3D0-3DF 彩色图形适配器300-31F 试验卡 3F0-3F7 软盘适配器320-32F 磁盘适配器 3F8-3FF 串行口 1360-36F 保留PC1O4嵌入式系统支持的端口数目是1024个，地址范围从O-O3FF
36、H，有效地址信号是AO-A9。其中，前512个端口被系统板和硬盘所占用，后512个端口供接口电路使用。即当A9=O时，表示为系统板上I/O地址；A9=l时，表示为接口电路的口地址。因此在制作接口电路时，其口地址要保证A9=l。O2OOH-O3FFH地址范围为扩充接口卡使用的地址，因此接口卡地址一般局限在此范围内，但是已被一些专用接口卡占用的口地址不能使用。2.2 设计方案通过学习和分析国内外常用的信号源产生电路，基于PC104的信号发生器可以有以下的三种设计方案：锁相环频率合成（PLL）方式；直接数字式频率合成（DDS）方式；直接利用D/A转换器。2.2.1 锁相环原理锁相环作为比较普遍的解决
37、方案，它的基本定义:能够实现两个电信号的相位同步的自动控制系统称为锁相环路(Phase Locked Loop-PLL)。锁相环作为一个闭合的自动跟踪环路，能够使环路内振荡器产生的输出信号的频率和相位锁定到参考信号的频率和相位。锁相环的基本组成部分构成：鉴相器(PD)、环路滤波器(LF)和压控振荡器(VCO)。原理见图 2.1：鉴相器输入u1(t) ud（t）环路滤波器 压控振荡器uc(t)输出u2(t)图 2.1 基本锁相环框图第 10 页 共 46 页鉴相器是一种行为比较装置。其作用是鉴别两个信号的相位差。它分为模拟和数字两种类型，模拟鉴相器通常是一个乘法器。设输入信号是 u1(t)，压控
38、振荡器输出反馈信号为 u2(t)。现设： )sin()(111twUtu222其中 和 为两者的初始相位差。则鉴相器输出为两者的乘积 )2sin()sin(2/()()( 2121121 UKtutUmmd通过环路滤波器滤除交流成分后，只剩下直流成分 )sin()/(2121Kmd数字鉴相器最简单的是异或门。不管是模拟或数字，它的基本功能就是使输出平均电压与相位差成线性比例关系。滤波器的功能主要是滤除鉴相器输出电压中的交流成分和噪声，保证环路的稳定性。压控振荡器就是输出频率随输入电压变化而变化。整个工作原理如下:输入参考信号 u1(t)的角频率为 0，而 0 为 VCO 的中心频率，即控制电压
39、 uc(t)=0 时的频率。当相位差为 0 时，鉴相器输出也为 0，环路滤波器输出也必为 0。因此，VCO 的频率必然为其中心频率。如果相位差不为0，及输入频率不等于 0，那么鉴相器会产生非零的输出 ud，环路滤波器的输出信号为 uc(t)，使 VCO 的输出频率朝相位差消失的方向变化。但是需要指出的是：锁相环频率合成的输出频率受 VCO 可变频率范围的影响，高低频率比不可能做得很高，而且只能产生方波或正弦波、不能满足三角波的要求。为实现三角波输出还需外加积分电路，使电路的复杂，也不便于调节。2.2.2 直接频率合成（DDS）原理DDS(直接数字合成)技术是从相位概念出发直接合成所需波形的一种
40、新的频率合成技术。而基于DDS技术的信号发生器是一类新型信号源，它已成为众多电子系统中不可缺少的组成部分。DDS主要由基准时钟f c、相位累加器、波形存储器、D/A转换器和LPF(低通滤波器)组成。它采用数字技术重复扫描存储器来获取数据，产生所需要的波形，其第 11 页 共 46 页原理框图如图2.2所示。N 位相位累加器K系统时钟波形存储器 D/A 转换器 LPFf0fc图2.2 DDS原理框图DDS工作原理是基于相位和幅度的对应关系，通过改变K(K代表频率控制字)来改变相位累加器的累加速度，然后在固定时钟的控制下取样，对取样得到的相位值，通过相位幅度转换得到与相位值对应的幅度序列，幅度序列
41、再通过D/A转换得到模拟形式量化的波形输出。其输出频率f 0为：f 0= ,式中N为相位累加器的位cKf2数；f c为时钟频率。K 由外部控制电路预置，当 fc与 N 一定时，f 0仅仅取决于 K 值。当 K=1 时，DDS 所能产生的波形的最低频率即频率分辨率为： ，DDS 最大输Ncff2min0出由 Nyquist 采样定理决定，即 fc/2。DDS 输出频率相对带宽较宽，频率转换时间极短，频率分辨率高，全数字化结构便于集成等优点，但是它的电路较复杂，成本也较高。2.2.3 D/A转换原理直接采用数模转换，就是将离散的数字量转换为连续变化的模拟量，而实现该功能的电路或器件称为数模转换电路
42、。在本设计中数模转换电路包括 D/A 转换器和放大电路。工作原理见图 2.3。D/A 转换器 放大电路波形数据信号 模拟量输出图 2.3 D/A 转换工作原理以上两种方法都是适合于函数波形的发生生成，但是对于真正意义上的任意信号波形的发生生成来说，是不可实现的，尤其是对于具有特殊函数形式的信号来说就更困难。对于这个问题，最直接的办法就是采用数模转换器件进行直接波形数据到信号波形的转换，工作原理简单，易于实现易于操作。因此，一些专用第 12 页 共 46 页的任意信号发生器设备就是采用这种方式进行的。本课题要求设计基于 PC104 的程控信号发生器，并且波形的幅值范围为（-10+10）V0.01
43、V，波形的频率范围为 DC500Hz，通过比较三种方法可知直接利用数模转换器就可以满足技术要求，并且这种方法工作原理简单，易于实现，使用方便，适合在实验室使用，同时成本也较低。所以本设计采用第三种方案。2.3 信号发生器总体设计本信号发生器通过软硬件相结合，其中 D/A 转换器和运算放大器组成了数模转换模块，将波形数据转换为模拟量输出；PC 机和 PC104 通过标准串行端口实现通信，于是 PC 机可以对波形的选择及其幅值、频率、波形周期数进行控制；然后对各模块进行软件编程，主要包括串行接收数据程序、波形数据产生程序和定时向 DA 发送数据程序三个部分，最终可以实现正弦波、方波、三角波等波形的
44、输出。该信号发生器系统工作原理见图 2.4。总线缓冲器 数模转换模块波形输出PC104 主板PC 机（带有键盘，显示屏）RS232PC104 总线图 2.4 信号发生器工作原理框图第 13 页 共 46 页第三章 信号发生器硬件设计硬件部分主要包括数模转换模块，逻辑控制模块和总线缓冲模块，此外还有电源模块等辅助模块。其中数模转换模块由 D/A 转换器和运算放大电路构成，将波形数据转变为模拟信号输出；逻辑控制模块是用来选择 D/A 转换器的端口地址；总线缓冲器暂时存放总线上的数据，以便让高速运行的 PC104 和相对慢速工作的外设实现数据同步传送。本设计的硬件原理框图如图 3.1 所示。总线缓冲
45、器 D/A 转换器 运算放大电路波形输出PC104 主板逻辑控制模块PC104 总线地址选择 基准电压源图 3.1 硬件原理框图3.1 数模转换电路在嵌入式系统应用场合中，常常需要把数字信号转变成模拟信号，以驱动电气设备的运行。在这个过程中，D/A 转换是一个十分重要的环节。数模转换就是将离散的数字量转换为连续变化的模拟量，实现该功能的电路或器件称为数模转换电路，通常称为 D/A 转换器或 DAC。一般的 D/A 转换芯片都是并行接口，如 8第 14 页 共 46 页位系列 0830/0831/0832，10 位系列 7520/7530/7533 和 12 位系列1208/1209/1210
46、等均为并行接口。衡量一个 D/A 转换器的性能的主要参数有：分辨率，指 D/A 能够转换的二进制数的位数，位数越多，分辨率也越高；转换时间，指从数字量输入到完成 D/A 转换，输出达到最终值并稳定为止所需的时间；精度，指 D/A 转换器实际输出电压与理论值之间的误差；线性度，当数字量变化时，D/A转换器的输出量按比例关系变化的程度。表示一个 D/A 转换器的输入输出特性的以下的几个方面:1.输入缓冲能力D/A 转换器是否带有三态输入缓冲器来保存输入数字量，这对 D/A 转换器与微机的接口设计是很重要的。2.输入数据的宽度D/A 转换器通常有 8 位、10 位、14 位、16 位之分。当 D/A
47、 转换器的位数高于微机系统总线的宽度时，需用 2 次分别输入数字量。3.电流型还是电压型即 D/A 转换器输出的是电流还是电压。对电流输出型，其输出电流在几毫安到几十毫安;对电压输出型，其输出电压一般在 5V10V 之间。4.输入码制即 D/A 转换器能够接收那些码制的数字量输入。一般对单极性输出的 D/A 转换器只能接收二进制或 BCD 码，对双极性输出的 D/A 转换器只能接收偏移二进制码或补码。5.单极性输出还是双极性输出对一些需要正负电压控制的设备，应该使用双极性 D/A 转换器，或在输出电路中采取相应措施，使输出电压有极性变化。为满足该信号发生器的主要技术指标，D/A 转换器采用电流
48、输出、12 位并行输入芯片 DAC1210，并选择双极性输出方式。下面为 DAC1210 原理框图（如图 3.2所示） 。第 15 页 共 46 页图 3.2 DAC1210 原理框图DAC1210 的主要组成部分：输入寄存器和 DAC 寄存器两个输入寄存器；T形网络（R-2R） 、12 个 MOS 电流开关；电流相加型 D/A 转换器。主要技术指标：输入 12 位二进制数字，分辨率 12 位；电流建立时间 1us；单电源供电；基准电压范围-10V 10V 。引脚说明： 为片选信号， 将使能 WR1； / 是CSCSByte2t字节顺序控制，高电平时 12 位都被使能，低电平时只能使低 4 位
49、输入锁存器；、 是写入信号； 是传送控制信号；DI 11DI 0 是 12 位输入数据；1WR2XFERIout1、I out2 电流输出端，I out1+Iout2=常量；R fb 是反馈电阻。DAC1210 有双缓冲和单缓冲两种工作方式。而单缓冲方式有两种方法：1使输入寄存器工作在锁存状态，而 DAC 寄存器工作在不锁存状态。即：2R0, XFE0,第二级直通； 1WIO,CS地址译码，控制第一级。2使输入寄存器工作在直通状态，而使 DAC 寄存器工作在锁存状态。即：1W0,CS0,第一级直通； , 地址译码，控制第二级。2RIXFER本设计中使得 DAC1210 工作于单缓冲的第 1 种方式，输入寄存器工作在锁存状态，而 DAC 寄存器工作在直通状态。一般要求 DAC 输出为电压，DAC1210 输出端接运放，将电流信号转换成电第 16 页 共 46 页压信号。由于该信号发生器要求波形的幅值范围为（-10+10）V0.01V，所以要选择双极性电压输出方式。DAC1210 典型双极性电压输出电路如图 3.3 所示。图 3.3 DAC1210 典型双极性电压输出电路考虑到 是虚地点， , ， ，21RUIOT)2(11DIREFU1RUEF3RUIOT注意到 R2=R， R
