如何实现波形发生器的软硬件系统设计？

　　1.前言
　　信号发生器既可以构成独立的信号源，也可以是高性能网络分析仪、频谱仪及其它自动测试设备的组成部分。信号发生器的关键技术是多种高性能仪器的支撑技术，因为它能够提供高质量的精密信号源及扫频源，可使相应系统的检测过程大大简化，降低检测费用并极大地提高检测精度。但是目前的产品体积大，精度低，无法满足用户对精度和便携性要求高的波形发生器的需求。
　　AD760是AD公司开发的一种具有自校正功能的16/18位DAC器件，片内带有电压基准，双缓冲寄存器和输出放大器。特别是在采用AD760的18位数据输入时能够获得很高的精度。本文针对高精度波形发生器的开发，进行了以AD760为核心的波形发生器的软硬件系统设计。
　　2.系统结构及功能
　　2.1总体结构
　　高精度波形发生器分为上层应用软件和下层软硬件两大部分。其中上层软件提供人机交互界面即操作员控制台，用于选择波形，生成波形数据，以及串口通讯控制和人机通讯；下层硬件为I/O控制器，由CPU，DAC，计数器，定时器等模块组成（可以考虑模块的扩展），主要是用于对上层波形数据的接收，存储，同时可以单独使用，通过CPU向DAC发送所需波形数据。如下图所示：
　　
　　3.单片机设计部分
　　3.1 硬件设计
　　波形发生器由以下部分组成：
　　1.波形存储器：存储各种波形数据。
　　2.波形发生器：将波形存储器中的波形数据转换成模拟信号输出，D/A转换器和放大器组成。
　　3.控制器：接收输入波形的数据，并将波形数据写入波形存储器;及控制其他部分工作。
　　硬件设计如下图所示，设计时考虑尽量采用最少硬件来完成，缩小仪器的体积，使其达到便携的要求。为使仪器的精度也达到要求，在设计时着重注意了以下几个方面：
　　
　　硬件设计流程图
　　DAC温度飘：影响信号精度的重要原因来自DAC器件的温度漂移，其中内部基准10V±0.01V，DAC的增益漂移为25PPM/℃，用AD587L外部基准电压更换内部基准，可使PPM=5/℃，DAC增益漂移=10 PPM/℃。控制环境的温度变化如果小于1℃，可将因为温度漂移而受影响的精度控制在0.001%以内。所以在使用时应使信号发生器系统尽量处于一个相对恒定温度环境中。
　　电源噪声：要保证精度达到10V±0.003%的要求，即最低精度要达30uV，因而对电源噪声要求极高，要求电源噪声越小越好，因而模拟电源采用直流电池组，数字电源与模拟电源采用光偶隔离。
　　PCB布线：数字、模拟分离、大面积的模拟零电位铺地，模拟信号线尽量采用粗线。在印制板的各个关键部位配置适当退耦电容。
　　硬件系统主要由单片机，D/A转换器件AD760，存储器，和通讯接口芯片SP3223E。单片机采用的是美国CYGNAL公司的C8051F310，该芯片有16Kflash存储器，采用高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核，与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统指令周期，最大系统时钟频率为12-24MHz。而对于CIP-51内核，70%的指令的执行时间为1或2个系统时钟周期，只有4条指令的执行时间大于系统时钟周期。C8051F310的工作电压是3V，本身带有串行通讯口，但是其电平为TTL电平，需要转换为RS232标准电平后才能和PC机通讯，所以串口通讯接口采用SP3223芯片。
　　A/D转换器采用18位AD公司的AD760AQ，该芯片具有自校准功能，自校准后，性能达到了以下指标：
　　1.内部基准电压：10V±0.01V？25PPM/℃
　　2.单极性电压输出（内含运放）：0～10V
　　3.输出电流：0～5mA
　　4.输出建立典型时间：10us
　　AD760内部功能及管脚分布如下图所示。其中的7“14脚具有双重功能：当采用字节加载模式，AD760的7”14脚分别是D15“D8，D7”D0的输入脚；当采用串行输入加载模式时，它的12脚为18/16位选择，13脚为MSB/LSB选择（即决定是MSB（高位）在前还是LSB（低为）在前），14脚为SIN，串行数据输入脚。本论文采用的18位的串行输入模式。
　　
　　AD760内部功能及管脚分布如下图
　　AD760采用的是18位串行模式，与单片机接口只要3根线，其中的SIN为D/A转换数据串行输入，CS为时钟信号，LDAC为控制信号，具体的工作时序如下：
　　
　　AD760串行传输方式时序图
　　4. PC机软件设计方案
　　上层软件是基于Windosw2000平台用VC编写可视化人机交互界面的软件，完成的功能包括允许用户编辑、绘制所需波形、设置输出信号的幅度、频率，通过RS232 口将数据送给单片机，也可对波形进行显示，存储。如下图所示：
　　
　　程序流程图
　　用户在计算机上输入数据点或描述波形的表达式，由软件实现对输入波形的量化处理，得到波形数据，经计算机转换成任意波形发生器硬件所要求的格式，存入波形数据存储器中。在控制电路的控制下，地址发生器以一定的速率、方式把波形数据存储区中的波形数据送给DA芯片，经转换产生量化的数字电压波形，再经过滤波等信号处理，由功放送出用户所需要幅值和频率的模拟信号。
　　工作时，通过人机对话选择波形，选择适当的工作参数，由单片机选择存在存储区中的相应波形文件，经AD760输出相应的波形。波形的编辑与修改由计算机完成，然后通过接口传输给便携仪器。初始设定一系列波形后，波形发生器部分可作为便携仪器独立使用。此后还可通过计算机编辑，增删波形，再由串口写入波形发生器的存储单元。
　　5.性能指标测试
　　用FLUKE 8842A台式数字多用表对系统的精度指标进行测试，具体如下：？模拟电源是用了两个12v的直流电池串联经过DC-CD转换后输出的15v电源，数字电源是5v直流。同样为了让AD760的温度趋于稳定，在10分中后测量。测试数据为：输出波形的波峰值为9.9981v；波谷值为0.18mv；波形的频率为800Hz。第二次测试，得到的数据和第一次的有略微的差异，分析可能的原因是和电池的电量减少有关系。噪声的测定值：其中给出的值已经是减去了调零时的初值。电源的负极0：0.21-0.22mv。电源的＋～0：0.24mv。AD760的25脚（参考电压输入）为：0.21mv－0.22mv。此时ad760的23脚（信号输出）为0.25mv。实验数据表明，精度大于0.0025％。各项指标达到了原始的设计要求。
　　结束语
　　本文所设计的高精度波形发生器，通过软硬件结合的方法，简化了硬件设备，实现了波形参数的独立变化，通过VC编写的软件人机交互性强，操作方便。波形参数（幅度、频率，周期）可以在一定的范围内可控制变化，通用性好，具有较强的移植性和很高的性价比。对于不同的需求，可以使用具有支持热插拔的1394和USB接口来代替RS232接口。