【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 且易于調(diào)試鑒于此，美國(guó)美信公司開發(fā)了新一代函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 ICMAX038，它安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 克服了“2”中芯片的缺點(diǎn)，可以達(dá)到更高的技術(shù)指標(biāo)，是上述芯片望塵莫及的。MAX038 頻率高、精度好，因此它被稱為高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 IC。在鎖相環(huán)、壓控振蕩器、頻率合成器、脈寬調(diào)制器等電路的設(shè)計(jì)上，MAX038 都是優(yōu)選的器件。 DDS 芯片的函數(shù)發(fā)生器：能產(chǎn)生任意波形并達(dá)到很高的頻率。但成本較高。 生產(chǎn)所需參數(shù)的電測(cè)試信號(hào)儀器。按其信號(hào)波形分為四大類：①正弦信號(hào)發(fā)生器。主要用于測(cè)量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及敏度等。按其不同性能和用途還可細(xì)分為低頻（20 赫至 10 兆赫）信號(hào)發(fā)生器、高頻（100 兆赫至 300 兆赫）信號(hào)發(fā)生器、微波信號(hào)發(fā)生器、掃頻和程控信號(hào)發(fā)生器、頻率合成式信號(hào)發(fā)生器等。②函數(shù)（波形）信號(hào)發(fā)生器。能產(chǎn)生某些特定的周期性時(shí)間函數(shù)波形（正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等）信號(hào)，頻率范圍可從幾個(gè)微赫到幾千兆赫。除供通信、儀表和自動(dòng)控制系統(tǒng)測(cè)試用外，還廣泛用于其他非電測(cè)量領(lǐng)域。③脈沖信號(hào)發(fā)生器。能產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測(cè)試線性心痛的瞬態(tài)響應(yīng)，或用作模擬信號(hào)來(lái)測(cè)試?yán)走_(dá)、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。④隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器。通常又分為噪聲信號(hào)發(fā)生器和偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器兩類。噪聲信號(hào)發(fā)生器主要用途為：在待測(cè)系統(tǒng)中引入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，以模擬實(shí)際工作條件中的噪聲而測(cè)定系統(tǒng)性能；外加一個(gè)已知噪聲信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲比較以測(cè)定噪聲系數(shù)；以隨機(jī)信號(hào)代替正弦或脈沖信號(hào)，以測(cè)定系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性等。當(dāng)用噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)測(cè)量時(shí)，若測(cè)量時(shí)間不夠長(zhǎng)，會(huì)出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)性誤差，可用偽隨機(jī)信號(hào)來(lái)解決。 在這里介紹 1 款經(jīng)典使用的安捷倫 ESGD 系列信號(hào)發(fā)生器 E4421B 詳細(xì)內(nèi)容以作參考： E4421B 信號(hào)發(fā)生器主要技術(shù)指標(biāo)： 頻率：250KHz—3GHz 分辨率： 轉(zhuǎn)換速度 調(diào)制接通：＜安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 調(diào)制斷開：＜ 精度：穩(wěn)定度f(wàn)c 時(shí)基 掃描方式 工作方式：步進(jìn)：頻率和功率以及任意列表 停留時(shí)間：1ms60s 頻率點(diǎn)數(shù)：2401 內(nèi)部基本準(zhǔn)震蕩器 時(shí)基參考輸出： 頻率：10MHz 幅度：＞,50Ω 負(fù)載 外參考輸入：頻率：1，2，5，10MHz177。典型值 10ppm 用 OptIE5 時(shí)為 1ppm 幅度：＞ 輸入阻抗：50Ω 輸出阻抗：50Ω 頻帶 頻帶 頻率范圍 N 1 250KHz≤ 1 2 ≤500MHz 3 500MHz≤1GHz 1 4 1≤2GHz 2 5 2≤4GHz 4 頻譜純度 單邊帶相位噪聲（典型值，在 20KHz 頻偏處） 在 500MHz 處：＜120dBc/Hz 在 1000MHz 處：＜116 dBc/Hz 在 2022MHz 處：＜110 dBc/Hz 在 3000 MHz 處：＜104 dBc/Hz 在 4000 MHz 處：＜104 dBc/Hz安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 脈沖周期：16181。s30s 寬帶：8181。s30s 分辨率：4181。s 信號(hào)發(fā)生器作為一種常見的應(yīng)用電子儀器設(shè)備，傳統(tǒng)的可以完全由硬件電路搭接而成，如采用 555 振蕩電路發(fā)生正弦波、三角波和方波的電路便是可取的路徑之一，不用依靠單片機(jī)。如工業(yè)過程控制，生物醫(yī)藥，地震模擬機(jī)械振動(dòng)等領(lǐng)域常常用到低頻信號(hào)源。而由硬件電路構(gòu)成的低頻信號(hào)其性能難以令人滿意，而且由于低頻信號(hào)源所需的 RC 很大:大電阻，大電容在制作上有困難，參數(shù)精度亦難以保證，體積大，漏電，耗損顯著更是致命的弱點(diǎn)。一旦工作需求功能有增加，則電路復(fù)雜程度會(huì)大大增加。當(dāng)今是科學(xué)技術(shù)及儀器設(shè)備高度智能化飛速發(fā)展的信息社會(huì)，電子技術(shù)的進(jìn)步，給人們帶來(lái)了根本性的轉(zhuǎn)變?，F(xiàn)在帶電子領(lǐng)域中，單片機(jī)的應(yīng)用正在不斷的走向深入，這必將導(dǎo)致傳統(tǒng)控制與檢測(cè)技術(shù)的日益革新。單片機(jī)構(gòu)成的儀器具有高可靠性、高性能價(jià)格比，在智能儀表系統(tǒng)和辦公自動(dòng)化等諸多領(lǐng)域得以極為廣泛的應(yīng)用，并走入家庭，從洗衣機(jī)、微波爐到音響汽車，處處可見其應(yīng)用。因此，單片機(jī)技術(shù)開發(fā)和應(yīng)用水平已逐步成為一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展水平的標(biāo)志之一。一塊單片機(jī)芯片就是一臺(tái)計(jì)算機(jī)。由于單片機(jī)的這種特殊的結(jié)構(gòu)形式，在某些應(yīng)用領(lǐng)域中，它承擔(dān)了大型計(jì)算機(jī)和通用微型計(jì)算機(jī)無(wú)法完成的一些工作。使其具有很多顯著的優(yōu)點(diǎn)和特點(diǎn)，因此在各個(gè)領(lǐng)域中都得到了很迅猛的發(fā)展。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 18 單片機(jī)的應(yīng)用使得信號(hào)發(fā)生器的性能價(jià)格比提高很多，控制功能強(qiáng)，集成度高、體積小、可靠性高，并且可以在很低的電壓下工作，功耗降至 μA 級(jí)，一粒紐扣電池就可長(zhǎng)期使用。隨著科技的不斷進(jìn)步和電子化產(chǎn)品的日益普及，電子產(chǎn)品的規(guī)模和體積有了巨大的變化。各種復(fù)雜電路不斷出現(xiàn)，體積不斷縮小，產(chǎn)品更新速度不斷加快。這些新的變化使得電路的設(shè)計(jì)工作變得日益復(fù)雜和繁重。電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)使用常規(guī)的人工方法，要耗費(fèi)大量的人力財(cái)力。計(jì)算機(jī)硬件和軟件的發(fā)展，使得它應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化得到了快速發(fā)展，大大減輕了設(shè)計(jì)壓力，縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)時(shí)間，是電子開發(fā)人員必須掌握的技術(shù)。本次設(shè)計(jì)中應(yīng)用的 LabWindows/CVI 軟件是美國(guó) NI（National Instrument）公司開發(fā)的 Measurement Studio 軟件組中的一員。它是 32 位的面向計(jì)算機(jī)測(cè)控領(lǐng)域的虛擬儀器軟件開發(fā)平臺(tái)，可以在多種操作系統(tǒng)下運(yùn)行。LabWindows/CVI 是以 ANSIC 為核心的交互式虛擬儀器開發(fā)環(huán)境，它將功能強(qiáng)大的 C 語(yǔ)言與測(cè)控技術(shù)有機(jī)結(jié)合，具有靈活的交互式編方法和豐富的庫(kù)函數(shù)，為開發(fā)人員建立檢測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)測(cè)試環(huán)境、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、過程監(jiān)控系統(tǒng)等提供了理想的軟件開發(fā)環(huán)境，是實(shí)現(xiàn)虛擬儀器及網(wǎng)絡(luò)化儀器的快速途徑。通過信號(hào)發(fā)生器的計(jì)算機(jī)仿真設(shè)計(jì)研究，初步掌握軟件應(yīng)用及編程和信號(hào)發(fā)生器原理。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 第四章 虛擬信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì) 虛擬信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì) 虛擬信號(hào)發(fā)生器的工作原理通過在圖形化用戶接口界面上（硬件面板）上鍵入信號(hào)幅值、頻率以及選擇生成的波形和窗函數(shù)。通過軟件編程實(shí)現(xiàn)信號(hào)波形生成及頻譜分析。其設(shè)計(jì)的方法的基本思路： 設(shè)計(jì)一個(gè)圖形化用戶接口。 產(chǎn)生程序代碼。 用功能面板插入相應(yīng)函數(shù)，完成程序編制。 封裝代碼。 信號(hào)的頻譜分析所謂信號(hào)的頻譜分析就是指計(jì)算信號(hào)的傅里葉變換。連續(xù)信號(hào)與系統(tǒng)的傅里葉分析不便于直接用計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，使其應(yīng)用受到限制，而本設(shè)計(jì)用到的快速傅里葉變換（簡(jiǎn)稱 FFT）是一種時(shí)域和頻域都是離散化的變換，適合數(shù)值運(yùn)算，成為分析離散和系統(tǒng)的有力工具。對(duì)于連續(xù)信號(hào)可以通過時(shí)域采樣，應(yīng)用 FFT 進(jìn)行近似譜分析。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 快速傅里葉變換是離散傅里葉變換 DFT 的一種快速算法，由于有限長(zhǎng)序列在其頻域也可以離散化有限長(zhǎng)序列（DFT），因此離散傅里葉變換（DFT）在數(shù)字信息處理中是非常有用的。但是由于 DFT 的計(jì)算量太大，即使采用計(jì)算機(jī)也很難對(duì)問題進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，而 FFT 出現(xiàn)以后使 DFT 的運(yùn)算大大簡(jiǎn)化，如：設(shè) x（n）為 N 點(diǎn)有限長(zhǎng)序列，其 DFT 為 ； knNWxkX???10)()(一般來(lái)說(shuō) x（n）和 都是復(fù)數(shù)，X（k）也是復(fù)數(shù)，因此每次計(jì)算一個(gè)nX（k）值，需要 N 次復(fù)數(shù)乘法和 N1 次復(fù)數(shù)加法，而 X（k）一共有 N 個(gè)點(diǎn)（k從 0 取到 N1），故完成一次 DFT 運(yùn)算總共需要 N2復(fù)數(shù)乘法及 N（N1）次復(fù)數(shù)加法。這樣運(yùn)算就復(fù)雜了，計(jì)算所需的時(shí)間也會(huì)多一些。而采用 DITFFT 算法（即時(shí)間抽取法）首先對(duì)時(shí)間進(jìn)行奇偶分解，然后對(duì)頻率進(jìn)行前后分解下面為以 N=8 點(diǎn)為例的 FFT 的蝶形運(yùn)算流圖：圖 41 N=8 的快速傅里葉變換蝶形運(yùn)算流圖當(dāng) N=8 時(shí)，流程圖應(yīng)有 3 級(jí)蝶形，每一級(jí)都有 4 個(gè)蝶形運(yùn)算構(gòu)成。因此每一級(jí)運(yùn)算都需要 4 次復(fù)數(shù)乘和 8 次復(fù)數(shù)加。所以一次 FFT 總共需要復(fù)數(shù)乘 12 次，復(fù)數(shù)加 24 次復(fù)數(shù)加，而 DFT 要總共需要復(fù)數(shù)乘 64 次，復(fù)數(shù)加 56 次。故使用FFT 能大大減少運(yùn)算量，減小了運(yùn)算 時(shí)間，能實(shí)時(shí)完成信號(hào)處理。安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 21 故本文基于 labwindows/cvi 的頻譜顯示是通過對(duì)一個(gè)時(shí)域信號(hào)一次進(jìn)行濾波、加窗函數(shù)和快速傅里葉變換 FFT 并在波形圖上進(jìn)行顯示生成的。 儀器硬件面板設(shè)計(jì) 啟動(dòng) Labwindows/CVI 在設(shè)計(jì)面板之前先在 File 菜單中新建 Include(*.h)、Source(*.c)再新建 User Interface(*.uir)面板。面板建好后開始創(chuàng)建控件。創(chuàng)建控件及修改空間屬性。 用戶界面共 12 個(gè)控件，其中有兩個(gè) Graph 控件、兩個(gè) Numeric Dial 控件、兩個(gè) Ring Slide 控件、四個(gè) Command Button 控件、兩個(gè) Ring 控件。其整體硬件面板如下圖所示： 圖 42 用戶的圖形界面各種控件的相關(guān)屬性設(shè)置如下： 面板:Constant Name 為 PANEL，Panel Title 為“虛擬信號(hào)發(fā)生器”。 控件 1：Graph 控件，用于顯示波形，Constant Name 為 GRAPH1，Label 為“波形顯示”,”Buttom XAxis”中 Axis Name 是”t/s“,Minimum 為，Maximum 為 ；Left YAxis 中 Axis Name 是 A(t)/V,Minimum 為1,Maximum 為 1。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 控件 2： Graph 控件，用于顯示頻譜，Constant Name 為 GRAPH2，Label為“頻譜顯示” Buttom XAxis”中 Axis Name 是“w“ Minimum 為0，Maximum 為 1000。Left YAxis 中 Axis Name 是 A(w)/V, Minimum 為0，Maximum 為 100. 控件 3：Numeric Dial 控件，用于設(shè)置幅值，Constant Name 為AMPLE，Label 為“幅值”, Default Values 為 0,Range Values 中 Minimum為 0，Maximum 為 1。 控件 4：Numeric Dial 控件，用于設(shè)置頻率，Constant Name 為FREQ，Label 為“頻率”, Default Value 為 0, Range Values 中 Minimum 為0，Maximum 為 1000。 控件 5：Ring Slide 控件，用于選擇波形，Constant Name 為WAVEFORM，Label 為“波形選擇”,Lable/Value pairs 中 Lable 分別為無(wú)、正弦波、三角波、鋸齒波、方波，其對(duì)應(yīng)的 Value 分別為 0、4。 控件 6：Ring Slide 控件，用于設(shè)置窗函數(shù)，Constant Name 為WINDOW，Label 為“window”, Lable/Value pairs 中 Lable 分別為none、Triangle、Hanning、Hamming、Blackman、Kaiser，其對(duì)應(yīng)的 Value 分別為 0、5。 控件 7：Command Button 控件，用于保存文件，Constant Name 為SAVE，Callback Function 為 Save, ，Label 為“_save to file”。 控件 8：Command Button 控件，用于讀取文件，Constant Name 為READ，Callback Function 為 Read，Label 為“ _read from file”。 控件 9：Command Button 控件，用于開始運(yùn)行，Constant Name 為COMMANDBUTTON，Callback Function 為 refe，Label 為”_OK”。 控件 10：Command Button 控件，用來(lái) 關(guān)閉運(yùn)行，Constant Name 為 QUIT, Callback Function 為 quitCallback，Label 為“ _QUIT”。控件 11：Ring 控件，Constant Name 為 OutputType,Lable/Value pairs 中 Lable 分別為 Binary、ASCII,其對(duì)應(yīng)的