实用信号源设计

一、实验目的                                                                                                                  返回

1．理解实用信号源设计的基本原理。
2．掌握实用信号源的软件设计方法。

二、实验内容

1．外接示波器观察数字合成信号源产生的波形，设定不同的幅度和频率，观察所得波形的变化。
2．用信号源高级设置设定波形输出。
3．使用键盘试验板上的按键，作为信号源的控制和数字按键。
4．输出要求的复杂组合波形的信号。

三、实验器材

1．计算机                               1台
2．SJ-8002B电子测量实验箱               1台
3．键盘实验板                           1块
4．数字示波器                           1台

四、实验原理

1.直接数字合成基本原理

（1）DDS组成原理

直接数字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取样技术和计算技术，通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。其完整的DDS原理框图如图1所示。

                            图1   DDS组成原理

主要由：相位累加器、ROM波形存储器、DAC数模转换器以及低通滤波器组成。整体的工作原理如下：首先相位累加器根据输入的频率控制码输出相位序列，并作为波形存储器RAM的地址，RAM里面可以是预先存放的固定波形的一个周期的幅值编码，也可以是用户在使用过程中存入的任意波形的幅度编码，这样RAM的数据线上就产生了一系列的幅度编码数字信号，然后把该编码经过D/A转换得到模拟的阶梯电压，最后经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要的模拟波形。

频率控制字和时钟频率共同决定着DDS输出信号的频率，频率分辨率正比于系统的时钟，而反比于相位累加器的位数。
它们之间的关系满足：                                （公式1）
相应的，其频率分辨率为：                               （公式2）

  （2）相位累加器原理

如果改变地址计数器计数步进值（即以值来进行累加），则在保持时钟频率和ROM数据不变的情况下，可以改变每周期采样点数，从而实现输出频率的改变。例如：设存储器中存储了个数据（一个周期的采样数据），则地址计数器步进为1时，输出频率，如果地址计数步进为，则每周期取样点数为，输出频率

  （3）DDS的性能

DDS信号源输出的信号实际上是以时钟的速率对波形进行取样，从获得的样本值中恢复出来的。根据取样定理，所以。实际中一般取。当时，输出频率最小，。输出频率的分辨率由相位累加器的位数决定，即。
    例如：参考时钟频率为1GHz，累加器相位为32位，则频率分辨力为0.233Hz。而改变时，其频率分辨力不会发生变化，因此DDS可以解决快捷变换与小步进之间的矛盾。由于D/A、存储器等器件的限制，DDS输出频率的上限不高，目前仍只能达到几十MHz。

2.信号源硬件原理图

                                          图 2     硬件原理图

3.程序中高级设置输出波形原理

信号源高级设置包括波形，频率相关（时钟频率，步进），幅度相关（幅度初调，幅度微调）等几部分的设置。
①频率设置
频率设置

              
 ——输出信号频率。
 ——时钟频率，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——频率控制字，其大小? 0≤K<2N－4 。
  
   H——步进高4位，取值范围0～15。
   M——步进中8位，取值范围0～255。
   L——步进低8位，取值范围0～255。????????? ????
   例如：选择“时钟频率”=80MHz，“步进高位”H=0，“步进中位”M=5，“步进低位”L=25，则可以得到频率控制字，再由公式得到。

  注意：设置的步进高位范围是0～15，步进中位范围是0～255，步进低位范围是0～255。

  ②幅度设置
   依据公式
   V——输出的峰值幅度。
   M——幅度初调（幅度分辨率），取值0.005，0.01，0.02，0.04。
   N——幅度微调，取值范围50～250。
   例如：“幅度初调”选择为0.01N，则幅度分辨率M=0.01；“幅度微调”设定N=150，则可得输出信号的峰值幅度   

4．矩阵式键盘的原理

（1）矩阵式键盘

（2）矩阵式键盘的编程

矩阵式键盘连接可分为编码式和非编码式两种。对于非编码式连接的键盘，其应用编程可分为：判键、识键部分和键处理部分。
①判键和识键
即指判断是否有键按下和确认所按下键的位置。确定矩阵式键盘上何键被按下采用一种“行扫描法”。行扫描法又称为逐行（或列）扫描查询法，是一种最常用的按键识别方法。

无键按下时，矩阵式键盘的行，列线通过上拉电阻均为高电平（见图4）。然后，依次将键盘逐行置低，同时取出输入列线状态，若此时输入不为全高（0xFF），则表明该行有键被按下。因为行线输出有低电平，一旦该行有键按下，则输入线就会被拉低。这样，就可得判断出是否有键按下了。同时，可根据置低的行线和读入的输入线的状态，找出被按下的键位置。

在判键过程中，还要加入按键去抖动处理。一次按键的完整过程如图3所示（按键按下时，键盘输入线上呈现的波形），按键的抖动

                     图3 按键抖动波形

包括前沿抖动（刚按下时）和后沿抖动（释放时）两个过程，抖动持续时间与按键弹簧的机械特性有关，通常为几ms至几十ms，可采用软件延时的办法进行处理。

②键处理
键处理即在识别到某键按下后，作出不同的处理。在应用上，一般将键盘分为功能键和数字键（也可两者复用），功能键一般采用散转的办法，让程序执行不同的操作。

实际上，键盘处理是很复杂的，它往往占到一个应用程序的大部份代码，但这种复杂不来自于设备的本身，而是来自于操作者的习惯等等问题。因此，在编写键盘处理程序之前，应先把它从逻辑上理清，然后用适当的算法表示出来，最后再编写代码。

5．矩阵式键盘的实验电路

                                图4   矩阵式键盘连接图

实验电路是采用2×8的矩阵键盘电路，键盘的行线通过由74LS273锁存器构成的输出接口（端口地址为70H）输出，列线通过74LS245总线接收器构成的输入接口（端口地址为74H）输入。键盘共16个键，定义了功能键：F1、F2、F3、F4、CR键共五个；数字键：0~9及小数点共十一个（如图4所示），使用者可以自己定义每个键功能和相应的处理。

                         图5 键盘端口地址

右图5为判键和识键过程中所需要用到的键盘地址和控制字。 本实验共用到三个端口地址：70H：通过74LS273锁存器，控制扫描键盘的行线。 74H：通过74LS245总线接收器，读取控制扫描键盘的列线状态。73H：控制键盘面板上的LED指示灯。

五、设计指导

   1.信号源高级设置部分

   1）结构流程图

                          图6    高级设置部分结构流程图
    ２）树形图

                                    图7   高级设置部分调用结构
    3）功能与前面板设计

                                              图8   高级设置前面板

表1   高级设置控键及显示键汇总

    注：2通道的情况与1通道类似。

   4）动态调用链接
    本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。

                                   表2   高级设置中动态调用说明

   2.信号源键盘控制部分

   1）结构流程图

图12 信号源键盘控制部分结构流程图

    ２）树形图

                                   图13  信号源键盘控制部分结构树形图

     3）功能与前面板设计

图14    信号源键盘控制部分前面板

表3   信号源键盘控制部分控键及显示键汇总

   4）动态调用链接
   本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。

                            表4   信号源键盘控制部分使用的动态调用一览

   3.信号源公式输入部分

   1）结构流程图

        图22      信号源公式输入部分结构流程图

２）树形图

          图23  信号源公式输入部分结构树形图

   3）功能与前面板设计

图24    信号源公式输入部分前面板

表5   信号源公式输入部分控键及显示键汇总

注：公式编辑器设定的采样频率FT=4096,采样点数为4096。

   4）动态调用链接
    本程序设计的主要实现已经做成底层fp函数（用Labwindows/CVI实现），在程序实现时可直接调用实验箱提供的驱动函数动态链接（即.dll函数），驱动函数原型及常数和变量在cvidll.prj中。

                           表6   信号源键盘控制部分使用的动态调用一览