摘? 要: 介紹一種掃頻儀——兼有任意波形發(fā)生器和數(shù)字存儲(chǔ)示波器功能的虛擬儀器。可同時(shí)顯示幅頻特性、相頻特性，還可顯示采集的波形。在設(shè)計(jì)技術(shù)上，采用FPGA、EDA技術(shù)和VC++6.0 Windows編程技術(shù)。
關(guān)鍵詞: EDA? ISP? FPGA? VHDL? VC++? DLL
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隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA)技術(shù)和在系統(tǒng)可編程技術(shù)(ISP)的廣泛應(yīng)用，使得虛擬儀器的設(shè)計(jì)更為靈活、調(diào)試更為方便，從而使虛擬世界更為豐富多彩。
虛擬儀器的設(shè)計(jì)包括硬件和軟件部分。本系統(tǒng)的框圖如圖1所示。
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1 系統(tǒng)硬件
由圖1可看出硬件部分主要包括:EPP口、DDS(直接數(shù)字頻率合成)、信號(hào)調(diào)理" title="信號(hào)調(diào)理">信號(hào)調(diào)理、鑒相及數(shù)據(jù)采集等模塊。
1.1? EPP口
因?yàn)镋PP(增強(qiáng)型并行端口)比SPP(標(biāo)準(zhǔn)并行接口)傳輸速率高，最高可達(dá)2MBytes/s，所以本項(xiàng)目選用它以提高系統(tǒng)速率。實(shí)現(xiàn)時(shí)，用VHDL編寫簡(jiǎn)單的接口譯碼電路。
1.2? DDS
本系統(tǒng)利用DDS技術(shù)合成精度高、頻率穩(wěn)定度好和控制方便的優(yōu)點(diǎn)來(lái)產(chǎn)生掃頻信號(hào)。其基本原理如圖2所示。
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設(shè)相位累加器" title="相位累加器">相位累加器的位數(shù)為n，累加器的輸入控制字" title="控制字">控制字為F_word，系統(tǒng)時(shí)鐘頻率為Fclk，則輸出信號(hào)S_out的頻率Fout為:
因此，通過(guò)計(jì)算機(jī)給DDS的累加器發(fā)不同的頻率控制字就可得到不同的頻率。該頻率的精度主要由相位累加器的位數(shù)n決定(注:Fout與波形存貯器RAM 的深度沒(méi)有關(guān)系，存儲(chǔ)器容量只改變一個(gè)周期內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，因而地址寬度m只影響波形的精度)。本系統(tǒng)取n=32，m=15。所以，頻率分辨率為Fclk/232，一個(gè)周期內(nèi)最多有215個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。下面給出相位累加器的VHDL源程序:
ENTITY? dds_adder? IS
PORT(
clr?? ：in std_logic；
clk?? ： in std_logic；
f_word ：in std_logic_vector(31 downto 0)；
addr_end ：in std_logic_vector(31 downto 0)；
address? ： out std_logic_vector(14 downto 0)
)；
END dds_adder；
ARCHITECTURE behav OF dds_adder IS
SIGNAL mid_address：std_logic_vector(31 downto 0)；
BEGIN
PROCESS (clk，clr，f_word，addr_end)
BEGIN
????????????? IF(clr=＇0＇) THEN???????
???????????????????? mid_address<=″0000000000000000000000
?????????????????????????????????????????????????????????????? 0000000000″；?
???????????????????? --INITIALIZE DDS
????????????? ELSE
????????????? IF(clk＇event and clk=＇1＇)THEN
???????????????????? IF(mid_address=addr_end)
??????????????????????????? --CHECK ONE CIRCLE＇S END
???????????????????? THEN
??????????????????????????? mid_address<=″000000000000000000
???????????????????????????????????????????????? 00000000000000″；
??????????????????????????? ELSE? mid_address<=mid_address + f_word；
?????????????????????????????????? --PHASE ADDER
???????????????????? END IF；
????????????? END IF；
?????? ?END IF；
END PROCESS；
address<=mid_address(31 downto 17)；??
????????????? --OUTPUT 15 HIGH BITS
END behav；
由程序可看出f_word為頻率控制字，addr_end為一個(gè)周期的結(jié)束地址，這兩個(gè)輸入都是32位的，而輸出address為相位累加器的中間信號(hào)mid_address的高15 位。address直接尋址波形存儲(chǔ)器。
1.3 鑒相部分
鑒相部分原理如圖3所示。掃頻信號(hào)S1和S1經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)S2，首先分別經(jīng)過(guò)比較器形成占空比相同的方波I1和I2。接著以I1為參考，兩者通過(guò)數(shù)字鑒相器，得到高電平寬度受S1和S2相位差調(diào)制的方波Po。圖3(b)和圖3(c)分別給出了I2滯后I1和I2超前I1的兩種情況。
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?????? 最后通過(guò)積分電路得到平均電平Peven，送到A/D" title="A/D">A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這里用R-S觸發(fā)器來(lái)進(jìn)行數(shù)字鑒相，鑒相范圍是-π～π。
1.4 數(shù)據(jù)采集
通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換電路，先后把S2經(jīng)過(guò)調(diào)理的信號(hào)波形和載有相位差信息的直流平均電平采集下來(lái)，存入RAM中，最后計(jì)算機(jī)統(tǒng)一讀取。這部分中，關(guān)鍵是采集RAM地址發(fā)生器的設(shè)計(jì)。采集RAM地址發(fā)生器的VHDL源程序如下:
LIBRARY IEEE；
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL；
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNEC.ALL；
ENTITY? c_15? IS
PORT (
clk ： in std_logic；
en ： in std_logic；?
clr ： in std_logic；
co ： out std_logic；
addr ： out integer range 0 to 32767
)；
END c_15；
ARCHITECTURE behav OF c_15 IS
SIGNAL mid： integer range 0 to 32767；
BEGIN
PROCESS(clk)?
BEGIN
????????????? IF(clr=＇0＇)THEN
???????????????????? mid<=0；
???????????????????? co<=＇0＇；
????????????? ELSE
????????????? IF(clk＇event and clk=＇1＇) THEN
???????????????????? IF(en=＇1＇) THEN
?????????????????????????????????? mid<=mid+1；
???????????????????? ELSE null；
???????????????????? END IF；
???????????????????? IF(mid=32767) THEN
??????????????????????????? co<=＇1＇；
???????????????????? ELSE co<=＇0＇；
???????????????????? END IF；
????????????? END IF；
?????? END IF；
END PROCESS；
addr<=mid；
END behav；
計(jì)算機(jī)讀采集RAM地址發(fā)生器基本和上面一樣，只不過(guò)時(shí)鐘clk由EPP口通信信號(hào)譯碼得到(采集地址發(fā)生器的時(shí)鐘clk用的是A/D轉(zhuǎn)換器的時(shí)鐘)。另外，采集地址發(fā)生器不用co信號(hào)(地址寫滿標(biāo)志信號(hào)，由計(jì)算機(jī)讀取判斷。若為高電平，則采集RAM已寫滿，計(jì)算機(jī)可以讀取數(shù)據(jù))。
1.5 信號(hào)調(diào)理
信號(hào)調(diào)理部分主要是對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波、隔離、推動(dòng)，調(diào)節(jié)信號(hào)的直流偏移及信號(hào)的程控衰減和放大。
系統(tǒng)硬件的數(shù)字部分用一片Altera 公司的FPGA芯片F(xiàn)lex10K10，運(yùn)用FPGA的現(xiàn)場(chǎng)可重構(gòu)技術(shù)，使虛擬儀器的智能化和自動(dòng)化得以實(shí)現(xiàn)。其開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Altera公司的Muxplus II。各模塊的設(shè)計(jì)主要用VHDL硬件描述語(yǔ)言來(lái)編寫，使得設(shè)計(jì)更為靈活、方便，尤其在控制邏輯的實(shí)現(xiàn)方面更顯示其優(yōu)點(diǎn)。
2 系統(tǒng)軟件
Microsoft公司的VC++ 6.0有MFC(Microsoft? Foundation Classes)支持，因此可實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大功能，編程效率高，運(yùn)行速度快。本項(xiàng)目利用上述優(yōu)點(diǎn)，運(yùn)用DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))技術(shù)進(jìn)行編程。軟件框圖如圖4所示。軟件主要分為控制、數(shù)據(jù)處理、圖形顯示三大模塊。
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2.1 控制模塊
控制主要是設(shè)置DDS的頻率控制字，波形RAM數(shù)據(jù)的寫入，采集數(shù)據(jù)的讀取以及控制硬件部分的通路選擇，設(shè)置信號(hào)調(diào)理的衰減和放大量。
2.2 數(shù)據(jù)處理模塊
要得到網(wǎng)絡(luò)的頻率特性" title="頻率特性">頻率特性，就要處理采集過(guò)來(lái)的波形數(shù)據(jù)(采集過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)包括經(jīng)過(guò)被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的波形數(shù)據(jù)和相位差平均電平的相位數(shù)據(jù))。這里利用軟件的“起泡算法”來(lái)得到波形峰值，計(jì)算衰減量和放大量，得到網(wǎng)絡(luò)的幅度頻率特性。相位頻率特性直接由相位數(shù)據(jù)得到。
2.3 圖形顯示模塊
調(diào)用MFC 的CPaintDC類的畫(huà)圖函數(shù)進(jìn)行畫(huà)圖。CPaintDC類中有豐富的畫(huà)圖函數(shù)，包括畫(huà)線(可選擇線的形式、顏色)、畫(huà)點(diǎn)等基本函數(shù)。本項(xiàng)目中主要由三個(gè)圖形顯示模塊:波形顯示、振幅頻率特性曲線顯示(線性、對(duì)數(shù)坐標(biāo))、相位頻率特性曲線顯示(線性、對(duì)數(shù)坐標(biāo))。
軟件設(shè)計(jì)中，采集數(shù)據(jù)的處理、外部FPGA的配置和三個(gè)顯示模塊分別做成了DLL(動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù))函數(shù)，被主執(zhí)行程序動(dòng)態(tài)調(diào)用。
通過(guò)以上分析可知，系統(tǒng)中有信號(hào)產(chǎn)生通道和數(shù)據(jù)采集通道。對(duì)波形存儲(chǔ)器RAM寫入不同的波形，可產(chǎn)生任意波形。另外，還可采集外部波形，加入測(cè)頻和觸發(fā)模塊，具有示波器的完整功能。所以該儀器兼有多種功能，可作為掃頻儀、信號(hào)源及數(shù)字存儲(chǔ)示波器。其設(shè)計(jì)思想新穎，手段先進(jìn)，性價(jià)比較高，充分體現(xiàn)了虛擬世界的無(wú)窮魅力。
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參考文獻(xiàn)
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2 Robert D.Thompson. MFC開(kāi)發(fā)人員參考手冊(cè).北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998