1 緒論
本章闡述了選題的背景和意義，介紹了課題相關(guān)技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，給出了論文所做的主要工作及其重點(diǎn)和目標(biāo)。
1.1 國內(nèi)外的發(fā)展與現(xiàn)狀
1.1.1 信號發(fā)生器的發(fā)展歷史
函數(shù)發(fā)生器是信號發(fā)生器的一種。它是一種可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形的多波形信號源，是設(shè)計開發(fā)、生產(chǎn)調(diào)試以及教學(xué)科研中的一種不可缺少的重要測試設(shè)備。函數(shù)發(fā)生器的工作頻率范圍很寬，使用范圍很廣，可以用于生產(chǎn)測試、儀器維修和實(shí)驗(yàn)室，還廣泛使用在其它科技領(lǐng)域，如醫(yī)學(xué)、教育、化學(xué)、通訊、工業(yè)控制、軍事和宇航等。
早在二十年代，當(dāng)電子設(shè)備剛開始出現(xiàn)的時候，信號發(fā)生器就出現(xiàn)了。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，四十年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器，使信號發(fā)生器從定性分析的測試儀器成為定量分析的測量儀器，同時還出現(xiàn)了可用來測試脈沖電路或用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號發(fā)生器。早期的信號發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，功率比較大，電路比較簡單(與數(shù)字儀器、示波器等相比)，因此發(fā)展速度較慢。自六十年代以來，信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了掃頻信號發(fā)生器、合成信號發(fā)生器、程控信號發(fā)生器等新種類。各類信號發(fā)生器的主要性能指標(biāo)也都有了大幅度的提高，同時在簡化機(jī)械結(jié)構(gòu)、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進(jìn)展。八十年代以后，數(shù)字技術(shù)日益成熟，信號發(fā)生器絕大部分不再使用機(jī)械驅(qū)動而采用數(shù)字電路，從一個頻率基準(zhǔn)由數(shù)字合成電路產(chǎn)生可變頻率信號。數(shù)字合成技術(shù)使信號發(fā)生器變?yōu)榉浅］p便、覆蓋頻率范圍寬、輸出動態(tài)范圍大、容易編程、適用性強(qiáng)和使用方便的信號源。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)界面環(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)中一個必不可少的模塊。
1.1.2 信號發(fā)生器的技術(shù)現(xiàn)狀
從信號產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)的核心器件與技術(shù)方法上看，當(dāng)前的各種方案有著各不相同特性和不足：
(1)利用DSP芯片產(chǎn)生信號
利用DSP芯片產(chǎn)生信號的方法有3種，它們各有優(yōu)劣，滿足不同的需求。
①查表法：在查表法中，表對應(yīng)于DSP芯片中的存儲器，輸入變量作為存儲器地址，訪問該地址的值，便可得到相應(yīng)的正(余)弦值。查表法是幾種方法中運(yùn)算速度最快的，但如果要求運(yùn)算精度高，頻率連續(xù)可變，表就會很大，占用存儲空間也要大大增加(DSP芯片的存儲容量相當(dāng)小)。因此，查表通常用于對精度要求不高的場合。
②遞推公式法：利用遞推公式計算三角函數(shù)需要已知余弦值和余弦的前兩個值，用這種方法可以求少數(shù)點(diǎn)的余弦值，但若要產(chǎn)生連續(xù)余弦波，其積累誤差太大，也存在缺陷。
③泰勒級數(shù)展開法：把函數(shù)展開成泰勒級數(shù)，這是一種實(shí)際運(yùn)用中很有效的方法，與查表法相比，它需要的存儲單元很少，而且，運(yùn)算精度高。采用此方法，展開項(xiàng)數(shù)越多則計算精度越高，但相應(yīng)的運(yùn)算速度會降低。
(2)利用鎖相環(huán)產(chǎn)生高穩(wěn)定的信號
基于鎖相環(huán)的信號發(fā)生器系統(tǒng)主要由以下幾個部分組成：壓控振蕩電路、鎖相環(huán)、單片機(jī)、頻段選擇電路、電壓采集電路、鍵盤顯示電路等等。利用PLL技術(shù)實(shí)現(xiàn)的高穩(wěn)定高頻正弦波信號發(fā)生器，與其它信號發(fā)生器相比，具有電路簡單、可擴(kuò)展、成本低等優(yōu)點(diǎn)，尤其在頻率穩(wěn)定度和輸出頻率范圍等方面比較有優(yōu)勢，具有很大的實(shí)用價值。輸出正弦波形無失真、幅值穩(wěn)定，頻率穩(wěn)定度可以達(dá)到10-6，輸出頻率可擴(kuò)展到幾百兆赫茲。PLL多采用模擬技術(shù)實(shí)現(xiàn)，因此實(shí)現(xiàn)難度和成本較數(shù)字電路稍高。
(3)利用專用信號產(chǎn)生芯片進(jìn)行信號合成
用于信號合成的專用集成電路芯片有AD9854、AD9858等。它們是由美國AD公司推出的高集成度頻率合成芯片。以AD9854為例，它內(nèi)部集成了正余弦波形表，12位雙通道D/A轉(zhuǎn)換器和超高速內(nèi)置比較器，AD9854能完成頻率調(diào)制、相位調(diào)制、幅度調(diào)制以及IQ正交調(diào)制等多種功能。因而，具有很高的性能價格比和廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。缺點(diǎn)就是單片的DDS專用芯片無法完成整個系統(tǒng)的設(shè)計，需要額外的控制電路(可以由各種處理器、單片機(jī)、CPLD、FPGA實(shí)現(xiàn))來實(shí)現(xiàn)DDS芯片控制字寄存器的寫入控制。外加控制電路使得設(shè)計變得復(fù)雜，同時外圍電路設(shè)計的信號完整性、電路兼容等問題都會影響電路的性能。這增加了整個系統(tǒng)的成本和開發(fā)難度。
(4)利用可編程邏輯器件產(chǎn)生信號
區(qū)別于上述方法中的直接采用DDS芯片，而是利用可編程器件、濾波器、DA轉(zhuǎn)換器等分立器件進(jìn)行信號產(chǎn)生。直接從DDS的原理出發(fā)，在FPGA芯片上設(shè)計實(shí)現(xiàn)一個頻率合成器，用于產(chǎn)生常用的信號。DDS是開環(huán)系統(tǒng)，無反饋環(huán)節(jié)，其合成頻率的時間快，頻率穩(wěn)定度高，因其FPGA實(shí)現(xiàn)時功能、信號參數(shù)可定制、開發(fā)周期相對較短的原因，是非常具有發(fā)展前景的信號產(chǎn)生技術(shù)。
在研究實(shí)踐中，基于DDS技術(shù)的函數(shù)發(fā)生器的研究多數(shù)都局限于正弦波、方波、三角波等常規(guī)波形，少數(shù)的任意波形發(fā)生器的設(shè)計多是采用任意波形和常規(guī)波形分別產(chǎn)生的方案進(jìn)行，并沒有真正將基于DDS技術(shù)的AWG設(shè)計應(yīng)用函數(shù)發(fā)生器的設(shè)計中。真正意義的任意波形發(fā)生還主要是通過數(shù)字芯片的組合來完成。將現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法應(yīng)用于信號發(fā)生器的設(shè)計有助于簡化設(shè)計，提高信號發(fā)生器的性能。最為重要的是它可以將常規(guī)波形、函數(shù)波形以及任意波形的產(chǎn)生方法統(tǒng)一起來，實(shí)現(xiàn)功能與結(jié)構(gòu)成為有機(jī)的整體。近幾年來信號發(fā)生器發(fā)展很快，其技術(shù)發(fā)展主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)輸出波形頻率的提高，使波形發(fā)生器能應(yīng)用于越來越廣的領(lǐng)域。
(2)波形發(fā)生器軟件的開發(fā)使波形數(shù)據(jù)的輸入變得更加方便和容易。波形發(fā)生器不僅允許用一系列的點(diǎn)、直線和固定的函數(shù)段把波形數(shù)據(jù)存入存儲器，而且也可以利用數(shù)學(xué)方程輸入方式，復(fù)雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復(fù)合成v=f(t)形式的波形方程的數(shù)學(xué)表達(dá)式產(chǎn)生，從而促進(jìn)了函數(shù)波形發(fā)生器向任意波形發(fā)生器的發(fā)展。各種計算機(jī)語言的飛速發(fā)展對任意波形發(fā)生器軟件技術(shù)起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic，Visual C++)編寫任意波形發(fā)生器的軟窗口，允許從計算機(jī)顯示屏上輸入任意波形，來實(shí)現(xiàn)波形的輸入。
(3)各種總線競爭發(fā)展。目前，信號發(fā)生器由獨(dú)立的臺式儀器向適用于個人計算機(jī)的插卡或外圍擴(kuò)展設(shè)備發(fā)展。由于USB總線的廣泛普及與應(yīng)用和它的靈活便捷特性，在很多設(shè)備中開始采用或兼容USB總線。由于供電能力的局限，USB接口的信號發(fā)生器仍主要是小型化便攜式測量模塊或設(shè)備。與此同時，專為設(shè)備儀器開發(fā)的VXI系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)越性。但其開發(fā)周期長和需要專門的配套機(jī)箱等因素，使得波形發(fā)生器VXI模塊的應(yīng)用僅限于航空、軍事及國防等大型領(lǐng)域。
(4)新臺式儀器的形態(tài)，和幾年前己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執(zhí)行多種功能，而且外形尺寸越來越小、價格越來越低。隨著計算機(jī)技術(shù)、集成芯片技術(shù)的快速發(fā)展，信號發(fā)生器也將日益向數(shù)字化，智能化，虛擬化方向發(fā)展�；贒DS的AWG、ARB、AFG等信號發(fā)生技術(shù)也將日趨完善并成為主流技術(shù)。
1.1.3 USB技術(shù)的發(fā)展與前景
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”，是一種廣泛應(yīng)用在PC領(lǐng)域的接口技術(shù)。為了解決日益增加的PC外設(shè)與有限的系統(tǒng)硬件和中斷資源之間的矛盾，1994年Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等世界上著名的7家計算機(jī)公司和通信公司成立了USB聯(lián)盟，并于1994年11月11日，在USB總線規(guī)范草案的基礎(chǔ)上幾經(jīng)修訂，提出了USB 0.7正式版通用串行總線規(guī)范，標(biāo)志著USB標(biāo)準(zhǔn)的誕生。
1996年1月USB組織公布了USB1.0版。1997年開始有真正符合USB技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)出現(xiàn)。1998年9月23日，USB-IF推出了支持低速和全速兩種速度的傳輸工作模式的USB1.1版標(biāo)準(zhǔn)。速度峰值分別可達(dá)到1.5Mbps和12Mbps。這一版本得到了計算機(jī)業(yè)界的廣泛響應(yīng)，到1999年，USB己經(jīng)被廣泛應(yīng)用。2000年4月27日，USB組織發(fā)布了新的高速模式(傳輸速率最高可達(dá)到480Mbps)版本USB2.0版規(guī)范。2001年12月，提出USB 2.0的追加規(guī)格USB OTG(On-The-Go)，實(shí)現(xiàn)了沒有USB主機(jī)系統(tǒng)情況下USB設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸。2005年5月底，USB組織完成了無線USB標(biāo)準(zhǔn)1.0修訂版規(guī)范。WUSB1.0數(shù)據(jù)傳輸有效距離10米，在3米內(nèi)可達(dá)到480Mbps，十年內(nèi)將達(dá)到1Gbps。2008年11月17日，USB-IF發(fā)布了USB3.0規(guī)范，傳輸帶寬高達(dá)5.0Gb/s，也就是625MB/s。USB 3.0采用了對偶單純形四線制差分信號線，而且引入了新的電源管理機(jī)制，支持待機(jī)、休眠和暫停等狀態(tài)。這些改進(jìn)使USB更加鞏固了它在PC外設(shè)接口領(lǐng)域的統(tǒng)治地位。
作為USB的主要競爭對手FireWire因其新版標(biāo)準(zhǔn)IEEEl394-2008的傳輸速度不高(只有3.2Gb/s，相當(dāng)于USB 3.0的60%多一點(diǎn))，加之蘋果等業(yè)界廠商普遍對其失去了興趣，在尚未開始真正競爭錢已不戰(zhàn)而敗。然而操作系統(tǒng)的霸主Microsoft公司在2008年的Super Speed技術(shù)大會上表示將在Windows XP系統(tǒng)中增加對HID類的USB Super Speed設(shè)備的支持，最終在新的Windows7系統(tǒng)中全面支持USB體系的Super Speed規(guī)范。在測試行業(yè)，測量儀器大廠泰克(Tektronix)在2008年10月第一家宣布了用于USB 3.0的測試工具。安捷倫科技公司也在2008年12月初宣布推出超高速USB 3.0設(shè)備綜合測試解決方案。隨著高速USB在個人計算、消費(fèi)電子以及移動等各種細(xì)分市場內(nèi)的普及，加之以英特爾、惠普、NEC、NXP以及TI等公司組成的強(qiáng)大的USB推廣小組促進(jìn)，USB3.0將迅速取代USB2.0端口成為高帶寬應(yīng)用領(lǐng)域的最新標(biāo)準(zhǔn)，其卓越的性能將再更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。將USB應(yīng)用于測量儀器領(lǐng)域?qū)⑹且粋�迅速發(fā)展、內(nèi)容豐富的嶄新的課題。
1.2 研究課題的目的與意義
USB在儀器儀表領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景，越來越多的測試測量儀器儀表開始采用USB接口與外部通信，以PC機(jī)為核心基于USB總線的多種測試分析儀器組成的綜合測量系統(tǒng)必將成為一個發(fā)展方向。
USB接口進(jìn)入測試測量儀器儀表領(lǐng)域是從1998年開始的。當(dāng)時IOtech和NI兩家公司首先在他們的數(shù)據(jù)采集儀器中使用了USB接口，隨后許多著名儀器公司都采用了USB接口。2000年，橫河電機(jī)開始在數(shù)字示波器上安裝USB接口，之后知名儀器廠商安捷倫、力科、泰克等也在數(shù)字示波器上配備USB接口。Aglient的U2761A就是一款出色的基于USB總線的虛擬函數(shù)發(fā)生器。2004年國內(nèi)唯一以自有知識產(chǎn)權(quán)生產(chǎn)數(shù)字存儲示波器的企業(yè)，北京普源精電科技有限公司(RIGOL)發(fā)布了國內(nèi)第一款具有USB接口的DS5000�；赨SB接口的函數(shù)發(fā)生器僅有青島漢泰科技有限公司的在2006年推出的DDS 3005任意波形發(fā)生器。所以研究USB總線接口的信號發(fā)生器對于提高我國測量技術(shù)水平，推動儀器技術(shù)自主化發(fā)展具有很重要的應(yīng)用實(shí)踐意義。
目前，高校擴(kuò)招使在校學(xué)生人數(shù)迅速增多，以往的實(shí)驗(yàn)儀器已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足需求，而要增強(qiáng)學(xué)生的動手與實(shí)踐能力，必須為學(xué)生提供良好的實(shí)驗(yàn)條件。但大量的設(shè)備投資成本又是面臨的一大問題，而將虛擬儀器技術(shù)用于實(shí)驗(yàn)可增強(qiáng)學(xué)生的積極性、趣味性、實(shí)驗(yàn)的靈活性，同時大大降低成本。作為實(shí)驗(yàn)儀器的必備成員，信號發(fā)生器的虛擬化對于現(xiàn)代教育發(fā)展緩解當(dāng)前教育資源不足有著重要的實(shí)際意義臨。
總之，選課題的研究意義主要在于通過研究前沿的波形發(fā)生技術(shù)和總線應(yīng)用技術(shù)，結(jié)合現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法設(shè)計一種適應(yīng)現(xiàn)在信息化發(fā)展需求的新型信號發(fā)生器。
1.3 主要研究內(nèi)容與目標(biāo)
隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和計算機(jī)的日益普及，電子測量技術(shù)領(lǐng)域迫切需要設(shè)計以PC機(jī)軟硬件系統(tǒng)為平臺的虛擬式函數(shù)發(fā)生器。主要研究以下內(nèi)容：
(1)通過學(xué)習(xí)USB總線系統(tǒng)構(gòu)成、物理與邏輯拓?fù)潢P(guān)系、傳輸類型、通信協(xié)議等，研究USB總線在儀器設(shè)備中的應(yīng)用方法�；诖嗽O(shè)計并實(shí)現(xiàn)基于控制傳輸?shù)腢SB函數(shù)發(fā)生器設(shè)置接口和基于批量傳輸?shù)牟ㄐ蝹鬏斀涌凇?/p>
(2)研究常規(guī)與復(fù)合波形的數(shù)字化的方法以及運(yùn)算方法。設(shè)計并實(shí)現(xiàn)從用戶輸入到波形RAM存儲數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換與處理算法。
(3)通過學(xué)習(xí)WDM驅(qū)動程序的層次結(jié)構(gòu)、USB驅(qū)動程序的系統(tǒng)框架等及其實(shí)現(xiàn)方法�；诖嗽O(shè)計并實(shí)現(xiàn)USB函數(shù)發(fā)生器驅(qū)動程序。
(4)運(yùn)用VC++6.0在Windows環(huán)境下編程，開發(fā)USB接口的通信應(yīng)用以及人機(jī)交互接口應(yīng)用程序，即虛擬可編程函數(shù)發(fā)生器的控制面板。
(5)研究DDS頻率合成技術(shù)的原理與性能分析。通過改進(jìn)內(nèi)建存儲方式使其適應(yīng)具有復(fù)合波形生成功能的可編程函數(shù)發(fā)生器設(shè)計。設(shè)計并實(shí)現(xiàn)能夠產(chǎn)生預(yù)期頻率幅度范圍內(nèi)任意波形發(fā)生的DDS模塊。
(6)學(xué)習(xí)現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方法并在本設(shè)計的硬件平臺開發(fā)中應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)一個可以通過簡單編程重新配置的虛擬儀器底層。
研究的目標(biāo)是設(shè)計一個基于DDS技術(shù)的和USB總線的虛擬儀器概念的可編程函數(shù)發(fā)生器。它在必要的硬件平臺的支持下，在通用計算機(jī)平臺上通過軟件實(shí)現(xiàn)儀器中數(shù)據(jù)分析處理、人機(jī)交互和顯示等幾部分功能。硬件部分完成函數(shù)發(fā)生器所必需的硬件平臺，軟件系統(tǒng)上則為其編寫Windows系統(tǒng)下的設(shè)備驅(qū)動程序與功能應(yīng)用程序。該可編程函數(shù)發(fā)生器所要完成的主要功能和技術(shù)指標(biāo)如下所示：
(1)基本波形正弦波、矩形波、方波、三角波、鋸齒波；
(2)可以產(chǎn)生對基本波形進(jìn)行加、減、乘、除基本運(yùn)算后的波形；
(3)輸出模擬波形幅度一百毫伏到五伏連續(xù)可調(diào)；
(4) 輸出頻率五百Hz到+KHz按一、二、五步進(jìn)可調(diào)。
基于USB總線可編程函數(shù)發(fā)生器的研究與設(shè)計（二）
核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。
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