LabVIEW-波形发生器精讲.ppt

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1、虚拟仪器系统虚拟仪器系统 基于USB的任意波形发生器提纲提纲研究意义及现状研究意义及现状系统指标及设计方案系统指标及设计方案系统硬件设计系统硬件设计系统软件设计系统软件设计任意信号发生器测试效果任意信号发生器测试效果研究意义及现状研究意义及现状传统信号发生器传统信号发生器正弦波信号源正弦波信号源函数发生器函数发生器脉冲发生器脉冲发生器扫描发生器扫描发生器针对特定应用针对特定应用针对特定应用针对特定应用,产产产产生波形种类有限生波形种类有限生波形种类有限生波形种类有限,波形不可编程波形不可编程波形不可编程波形不可编程虚拟任意波形发生器虚拟任意波形发生器综合了其他信号源产生波形的能力综合了其他信号

2、源产生波形的能力产生波形可编程控制产生波形可编程控制适用于各种仿真试验、教学实验等适用于各种仿真试验、教学实验等NI-5421 100MS/s 16位任意波形发生器位任意波形发生器利用插值可达利用插值可达400MS/s有效采有效采样率样率SFDR接近接近91db8、32或或256MB的板载内存的板载内存16位位LVDS数字模拟输出数字模拟输出具有波形连接与循环的功能具有波形连接与循环的功能NI-5421 40MS/s 任意波形发生器任意波形发生器40MS/s更新速率更新速率12位分辨率位分辨率/60dB SFDR16MHz正弦波输出正弦波输出波形连接与循环波形连接与循环4或或16MB板载内存板

3、载内存NI-5404 100MS/s 时钟和频率发生器时钟和频率发生器可生成可生成9KHz100M正弦波正弦波生成直流生成直流100MHz采样时采样时钟频率钟频率1.07uHz的频率分辨率的频率分辨率12位幅值分辨率位幅值分辨率NI-5401 16MHz函数发生器函数发生器16MHz正弦波正弦波1MHz方波方波,三角波三角波,斜波斜波产生产生9.13mHz频率分辨率频率分辨率40MS/s更新速率更新速率12位幅值分辨率位幅值分辨率基于基于PCI总线总线16个模拟输入的程控放大器个模拟输入的程控放大器1个个12位的位的A/D转换器转换器 (200KS/s)2个个12位的位的D/A转换器转换器(1

4、0KS/s)2个个24位的定时位的定时/计数器计数器8个个TTL电平的数字电平的数字I/O端口端口.NI-PCI 6024E 多功能数据采集卡多功能数据采集卡系统设计指标系统设计指标USB通信接口，实现即插即用通信接口，实现即插即用具有函数发生器和任意波形发生的功能具有函数发生器和任意波形发生的功能输出波形频率输出波形频率:0.01Hz100KHz 频率分辨率频率分辨率:0.01Hz垂直分辨率垂直分辨率:16位位波形幅度：波形幅度：05 Vpp波形存贮容量波形存贮容量:32K采用采用LabVIEW或或LabScene作为上层软件作为上层软件微型微型,低功耗低功耗,无需外部电源，工作电流无需外部

5、电源，工作电流500mA系统设计方案直接频率合成技术（DDS）参考参考频率源频率源频率频率累加器累加器波形波形存储器存储器D/A转换器转换器低通低通滤波器滤波器频率频率频率频率控制字控制字控制字控制字信号信号信号信号输出输出输出输出将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表存于存储器中，将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表存于存储器中，将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表存于存储器中，将一个正弦信号取样、量化、编码，形成一个正弦函数表存于存储器中，通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量，并将变化的相位通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量，并将变

6、化的相位通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量，并将变化的相位通过改变相位累加器的频率控制字来改变相位增量，并将变化的相位/幅值幅值幅值幅值量化的数字信号通过量化的数字信号通过量化的数字信号通过量化的数字信号通过/转换器及低通滤波器即可得到合成的模拟信号。转换器及低通滤波器即可得到合成的模拟信号。转换器及低通滤波器即可得到合成的模拟信号。转换器及低通滤波器即可得到合成的模拟信号。波形数据波形数据控制字控制字控制字控制字直接数字合成芯片正是采用了这种方案，产生正弦波直接数字合成芯片正是采用了这种方案，产生正弦波直接数字合成芯片正是采用了这种方案，产生正弦波直接数字合成芯片正是采用了这种方案

7、，产生正弦波该方法的该方法的该方法的该方法的缺点缺点缺点缺点是：由于是抽点，难免会丢失波形的某些细节，很难做到是：由于是抽点，难免会丢失波形的某些细节，很难做到是：由于是抽点，难免会丢失波形的某些细节，很难做到是：由于是抽点，难免会丢失波形的某些细节，很难做到任意波形发生任意波形发生任意波形发生任意波形发生该方法的该方法的该方法的该方法的优点优点优点优点是：可以产生频率很高的规则波形，而且相位连续是：可以产生频率很高的规则波形，而且相位连续是：可以产生频率很高的规则波形，而且相位连续是：可以产生频率很高的规则波形，而且相位连续系统设计方案系统设计方案扫描发生技术扫描发生技术可变可变时钟时钟波形

8、波形存储器存储器D/A转换器转换器低通低通滤波器滤波器信号输出信号输出信号输出信号输出将一个任意波形信号取样、量化、编码，形成数字量，将一个任意波形信号取样、量化、编码，形成数字量，将一个任意波形信号取样、量化、编码，形成数字量，将一个任意波形信号取样、量化、编码，形成数字量，存于存储器中，通过系统时钟按地址逐个扫描，改变存于存储器中，通过系统时钟按地址逐个扫描，改变存于存储器中，通过系统时钟按地址逐个扫描，改变存于存储器中，通过系统时钟按地址逐个扫描，改变扫描频率就可以得到不同频率的输出，再通过扫描频率就可以得到不同频率的输出，再通过扫描频率就可以得到不同频率的输出，再通过扫描频率就可以得到

9、不同频率的输出，再通过/转转转转换器及滤波器即可得到任意波形的信号。换器及滤波器即可得到任意波形的信号。换器及滤波器即可得到任意波形的信号。换器及滤波器即可得到任意波形的信号。本系统采用该方案实现任意波形发生器该本系统采用该方案实现任意波形发生器该本系统采用该方案实现任意波形发生器该本系统采用该方案实现任意波形发生器该方案的方案的方案的方案的缺点缺点缺点缺点是：输出频率不够高是：输出频率不够高是：输出频率不够高是：输出频率不够高系统设计框图系统设计框图可变时钟生成可变时钟生成可变时钟生成可变时钟生成(AD9850)(AD9850)CPLDCPLDCPLDCPLD逻辑控制模块逻辑控制模块逻辑控制

10、模块逻辑控制模块USBUSBUSBUSB接口接口接口接口通信模块通信模块通信模块通信模块D/AD/A变换变换变换变换MAX5541MAX5541微控制器微控制器微控制器微控制器89S5289S5289S5289S52放大放大放大放大滤波滤波滤波滤波应用程序应用程序应用程序应用程序(LabVIEW/(LabVIEW/(LabVIEW/(LabVIEW/LabScene)LabScene)LabScene)LabScene)outout可变时钟生成可变时钟生成可变时钟生成可变时钟生成(AD9850)(AD9850)CPLDCPLDCPLDCPLD逻辑控制模块逻辑控制模块逻辑控制模块逻辑控制模块US

11、BUSBUSBUSB接口接口接口接口通信模块通信模块通信模块通信模块D/AD/A变换变换变换变换MAX5541MAX5541微控制器微控制器微控制器微控制器89S5289S5289S5289S52放大放大放大放大滤波滤波滤波滤波应用程序应用程序应用程序应用程序(LabVIEW/(LabVIEW/(LabVIEW/(LabVIEW/LabScene)LabScene)LabScene)LabScene)outout波形存储器波形存储器波形存储器波形存储器(62256)(62256)扫描时钟发生扫描时钟发生AD9850 AD9850AD9850是是是是ADAD公司生产的公司生产的公司生产的公司生产

12、的DDSDDS芯片芯片芯片芯片 ，32bits32bits频率控制字频率控制字频率控制字频率控制字,5bit,5bit相位调制相位调制相位调制相位调制,具有简化的控制接口（并行或串行输入）。具有简化的控制接口（并行或串行输入）。具有简化的控制接口（并行或串行输入）。具有简化的控制接口（并行或串行输入）。3232位相位累加器，截断成位相位累加器，截断成位相位累加器，截断成位相位累加器，截断成1414位，输入正弦查询表，查询表位，输入正弦查询表，查询表位，输入正弦查询表，查询表位，输入正弦查询表，查询表输出截断成输出截断成输出截断成输出截断成1010位，输入到位位，输入到位位，输入到位位，输入到位

13、DACDAC。并集成了高速比并集成了高速比并集成了高速比并集成了高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器，较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器，较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器，较器，能实现全数字编程控制的频率合成器和时钟发生器，其最高输出可达其最高输出可达其最高输出可达其最高输出可达MMAD9850AD9850功能框图功能框图AD9850AD9850管脚图管脚图AD9850AD9850控制时序控制时序控制时序控制时序 W_CLK、FQ_UD控制信号由控制信号由CPLD内部产生；内部产生；总线总线DATA在在W_CLK上升沿将数据装入寄存器，上升

14、沿将数据装入寄存器，40位需重复位需重复5次。最后次。最后在在FQ_UD上升沿把上升沿把40位数据从输入寄存器装入到频率、相位及控制数据位数据从输入寄存器装入到频率、相位及控制数据寄存器。寄存器。D/A转换转换MAX5541D/A转换器的选择转换器的选择D/A转换器是整个系统的核心器件，波形信号的质量取决转换器是整个系统的核心器件，波形信号的质量取决于其分辨率和数据输出速率。其制约关系为：于其分辨率和数据输出速率。其制约关系为：1.D/A的分辨率越高，则高次谐波的分量越小；的分辨率越高，则高次谐波的分量越小；2.一周期的数据点数越多，模拟信号越平滑；一周期的数据点数越多，模拟信号越平滑；3.一

15、周期数据点数多，则信号所能达到的最高频率降低；一周期数据点数多，则信号所能达到的最高频率降低；4.D/A的输出速率越高，波形平滑度越好，一般情况下并的输出速率越高，波形平滑度越好，一般情况下并 行行D/A的输出速率高，控制方便，但是价格高，占用的的输出速率高，控制方便，但是价格高，占用的I/O也多；也多；综合上述因素，本设计采用了综合上述因素，本设计采用了综合上述因素，本设计采用了综合上述因素，本设计采用了MAXIMMAXIM公司的公司的公司的公司的MAX5541MAX5541，它是它是它是它是1616位位位位D/AD/A，2.5V2.5V外部基准，外部基准，外部基准，外部基准，02.5V02

16、.5V电压输出，电压输出，电压输出，电压输出，10MHz10MHz三线式串行总线接口，三线式串行总线接口，三线式串行总线接口，三线式串行总线接口，1us1us的信号建立时间。的信号建立时间。的信号建立时间。的信号建立时间。MAX5541MAX5541转换控制时序转换控制时序每次输入16位数据，CS低电平有效，SCLK上升沿锁存每位数据，CS上升沿将全部数据锁存，启动一次数据转换 USB通信接口设计通信接口设计USB接口介绍接口介绍USB硬件开发硬件开发USB固件程序开发固件程序开发特点：特点：即插即用即插即用低功耗低功耗总线供电总线供电多种速度多种速度模式模式多种多种设备类设备类价格低廉价格低

17、廉PC驱动程序开发驱动程序开发 驱动程序驱动程序驱动程序驱动程序 应用软件应用软件应用软件应用软件 WDMWDMVXDVXD系统软件设计系统软件设计 调用调用调用调用 访问访问访问访问 用户态用户态用户态用户态核心态核心态核心态核心态LabVIEWCLFCLF接口接口接口接口控件控件控件控件设备LABVIEW编程系统软件设计系统软件设计函数波形数据生成函数波形数据生成任意波形数据生成任意波形数据生成频率控制频率控制数据传输数据传输函数波形数据生成函数波形数据生成正弦波正弦波正弦波正弦波方波方波方波方波三角波三角波三角波三角波锯齿波锯齿波锯齿波锯齿波直流直流直流直流正弦波数据生成正弦波数据生成方

18、波波数据生成方波波数据生成三角波数据生成三角波数据生成锯齿波数据生成锯齿波数据生成直流数据生成任意波形数据生成任意波形数据生成波形数据波形数据波形数据波形数据手写板手写板手写板手写板最大最大值值最小最小值值频率控制频率控制由于扫描时钟频率，由于扫描时钟频率，由于扫描时钟频率，由于扫描时钟频率，D/AD/A转换速率和一个周期波转换速率和一个周期波转换速率和一个周期波转换速率和一个周期波形数据的点数，这个因数是相互制约的为了形数据的点数，这个因数是相互制约的为了形数据的点数，这个因数是相互制约的为了形数据的点数，这个因数是相互制约的为了使输出波形达到最高指标，这者要协调考虑使输出波形达到最高指标，

19、这者要协调考虑使输出波形达到最高指标，这者要协调考虑使输出波形达到最高指标，这者要协调考虑对于任意波形发生，用户需要指定一个周期波形对于任意波形发生，用户需要指定一个周期波形对于任意波形发生，用户需要指定一个周期波形对于任意波形发生，用户需要指定一个周期波形的点数，再结合输出频率计算出扫描频率的点数，再结合输出频率计算出扫描频率的点数，再结合输出频率计算出扫描频率的点数，再结合输出频率计算出扫描频率对于函数波形发生，用户只要选择波形种类和输对于函数波形发生，用户只要选择波形种类和输对于函数波形发生，用户只要选择波形种类和输对于函数波形发生，用户只要选择波形种类和输出频率，幅度，偏置，占空比等参

20、数，不必要输出频率，幅度，偏置，占空比等参数，不必要输出频率，幅度，偏置，占空比等参数，不必要输出频率，幅度，偏置，占空比等参数，不必要输入一个周期的点数，由软件确定最佳点数具体入一个周期的点数，由软件确定最佳点数具体入一个周期的点数，由软件确定最佳点数具体入一个周期的点数，由软件确定最佳点数具体过程是：先根据系统允许的最高扫描频率除以用过程是：先根据系统允许的最高扫描频率除以用过程是：先根据系统允许的最高扫描频率除以用过程是：先根据系统允许的最高扫描频率除以用户设置的输出频率，计算出一个周期的点数，但户设置的输出频率，计算出一个周期的点数，但户设置的输出频率，计算出一个周期的点数，但户设置的

21、输出频率，计算出一个周期的点数，但结果可能是小数，所以要将其四舍五入，所得的结果可能是小数，所以要将其四舍五入，所得的结果可能是小数，所以要将其四舍五入，所得的结果可能是小数，所以要将其四舍五入，所得的结果是最佳点数在重新根据这个最佳点数和用结果是最佳点数在重新根据这个最佳点数和用结果是最佳点数在重新根据这个最佳点数和用结果是最佳点数在重新根据这个最佳点数和用户设置的输出频率，算出扫描频率户设置的输出频率，算出扫描频率户设置的输出频率，算出扫描频率户设置的输出频率，算出扫描频率比如系统允许的最高扫描频率在比如系统允许的最高扫描频率在比如系统允许的最高扫描频率在比如系统允许的最高扫描频率在500

22、K500K左右，现要左右，现要左右，现要左右，现要输出输出输出输出1.5KHz1.5KHz的正弦信号，计算得一个周期需要的正弦信号，计算得一个周期需要的正弦信号，计算得一个周期需要的正弦信号，计算得一个周期需要1.5K1.5K333.33333.33个点，那么取一个周期个点，那么取一个周期个点，那么取一个周期个点，那么取一个周期333333个点是最佳点数则扫描频率个点是最佳点数则扫描频率个点是最佳点数则扫描频率个点是最佳点数则扫描频率 1.5KHz1.5KHz333333499.5K499.5K数据传输数据传输上层应用程序通过往底层送数据包与板卡建立通信上层应用程序通过往底层送数据包与板卡建立

23、通信上层应用程序通过往底层送数据包与板卡建立通信上层应用程序通过往底层送数据包与板卡建立通信.每个数据包最多每个数据包最多每个数据包最多每个数据包最多64646464个字节个字节个字节个字节 LabVIEWLabVIEWLabVIEWLabVIEW面板面板面板面板LabSceceLabSceceLabSceceLabScece面板面板面板面板测试效果测试效果任意波形发生器板卡实物图任意波形发生器板卡实物图任意波形发生器板卡实物图任意波形发生器板卡实物图实测指标实测指标 波形频率：波形频率：波形频率：波形频率：函数波形：函数波形：函数波形：函数波形：0.01Hz100KHz 0.01Hz100KHz 任意波形：任意波形：任意波形：任意波形：0.01Hz10KHz0.01Hz10KHz 频率分辨率：频率分辨率：频率分辨率：频率分辨率：0.01HZ0.01HZ 通道数：单通道通道数：单通道通道数：单通道通道数：单通道 波形存贮容量波形存贮容量波形存贮容量波形存贮容量 ：32KB32KB 垂直分辨率：垂直分辨率：垂直分辨率：垂直分辨率：1616位位位位 频率稳定度：频率稳定度：频率稳定度：频率稳定度：10ppm 10ppm 波形幅度：波形幅度：波形幅度：波形幅度：05 Vpp05 Vpp 输出阻抗：输出阻抗：输出阻抗：输出阻抗：2020