一、實驗?zāi)康???? ? ?? ?? ? ?? ?? ? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ? ?? ? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ? ? ? ?? ?? ?? ? ?? ? ?? ?? ? ?? ?? ?? ? 返回

1．理解實用信號源設(shè)計的基本原理。
2．掌握實用信號源的軟件設(shè)計方法。

1．外接示波器觀察數(shù)字合成信號源產(chǎn)生的波形，設(shè)定不同的幅度和頻率，觀察所得波形的變化。
2．用信號源高級設(shè)置設(shè)定波形輸出。
3．使用鍵盤試驗板上的按鍵，作為信號源的控制和數(shù)字按鍵。
4．輸出要求的復(fù)雜組合波形的信號。

1．計算機?????? ?? ??? ??? ??? ???????? 1臺
2．SJ-8002B電子測量實驗箱???? ??? ?? ?? 1臺
3．鍵盤實驗板??? ??? ?? ??? ??? ?? ???? 1塊
4．?dāng)?shù)字示波器???? ?? ?? ?? ??? ?? ????? 1臺

四、實驗原理

1.直接數(shù)字合成基本原理

（1）DDS組成原理

?? 直接數(shù)字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取樣技術(shù)和計算技術(shù)，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調(diào)的信號。其完整的DDS原理框圖如圖1所示。

?????? ? ?? ? ? ?? ? ?? ? ? 圖1?? DDS組成原理

?? 主要由：相位累加器、ROM波形存儲器、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及低通濾波器組成。整體的工作原理如下：首先相位累加器根據(jù)輸入的頻率控制碼輸出相位序列，并作為波形存儲器RAM的地址，RAM里面可以是預(yù)先存放的固定波形的一個周期的幅值編碼，也可以是用戶在使用過程中存入的任意波形的幅度編碼，這樣RAM的數(shù)據(jù)線上就產(chǎn)生了一系列的幅度編碼數(shù)字信號，然后把該編碼經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬的階梯電壓，最后經(jīng)過低通濾波器使其平滑后即得到所需要的模擬波形。
?? 頻率控制字和時鐘頻率共同決定著DDS輸出信號的頻率，頻率分辨率正比于系統(tǒng)的時鐘，而反比于相位累加器的位數(shù)。
它們之間的關(guān)系滿足：??????? ????????? ?????????????? （公式1）
相應(yīng)的，其頻率分辨率為：??? ??? ??????????????????????? （公式2）

? （2）相位累加器原理

?? 如果改變地址計數(shù)器計數(shù)步進值（即以值來進行累加），則在保持時鐘頻率和ROM數(shù)據(jù)不變的情況下，可以改變每周期采樣點數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變。例如：設(shè)存儲器中存儲了個數(shù)據(jù)（一個周期的采樣數(shù)據(jù)），則地址計數(shù)器步進為1時，輸出頻率，如果地址計數(shù)步進為，則每周期取樣點數(shù)為，輸出頻率

? （3）DDS的性能

??? DDS信號源輸出的信號實際上是以時鐘的速率對波形進行取樣，從獲得的樣本值中恢復(fù)出來的。根據(jù)取樣定理，所以。實際中一般取。當(dāng)時，輸出頻率最小，。輸出頻率的分辨率由相位累加器的位數(shù)決定，即 。
??? 例如：參考時鐘頻率為1GHz，累加器相位為32位，則頻率分辨力為0.233Hz。而改變時，其頻率分辨力不會發(fā)生變化，因此DDS可以解決快捷變換與小步進之間的矛盾。由于D/A、存儲器等器件的限制，DDS輸出頻率的上限不高，目前仍只能達(dá)到幾十MHz。

?? 2.信號源硬件原理圖

? ? ???? ???? ???? ??? ???? ??? ???? ???? 圖 2 ??? 硬件原理圖

?? 3.程序中高級設(shè)置輸出波形原理

?? 信號源高級設(shè)置包括波形，頻率相關(guān)（時鐘頻率，步進），幅度相關(guān)（幅度初調(diào)，幅度微調(diào)）等幾部分的設(shè)置。
?? ①頻率設(shè)置
?? 頻率設(shè)置
?????? ? ? ???
? ——輸出信號頻率。
? ——時鐘頻率，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——頻率控制字，其大小? 0≤K<2N－4 。
??
?? H——步進高4位，取值范圍0～15。
?? M——步進中8位，取值范圍0～255。
?? L——步進低8位，取值范圍0～255。????????? ????
?? 例如：選擇“時鐘頻率”=80MHz，“步進高位”H=0，“步進中位”M=5，“步進低位”L=25，則可以得到頻率控制字 ，再由公式得到。

? 注意：設(shè)置的步進高位范圍是0～15，步進中位范圍是0～255，步進低位范圍是0～255。

? ②幅度設(shè)置
?? 依據(jù)公式
?? V——輸出的峰值幅度。
?? M——幅度初調(diào)（幅度分辨率），取值0.005，0.01，0.02，0.04。
?? N——幅度微調(diào)，取值范圍50～250。
?? 例如：“幅度初調(diào)”選擇為0.01N，則幅度分辨率M=0.01；“幅度微調(diào)”設(shè)定N=150，則可得輸出信號的峰值幅度? ?

? 4．矩陣式鍵盤的原理

?（1）矩陣式鍵盤

?? 鍵盤是由若干按鍵組合而成的，常采用矩陣式連接，稱為矩陣式鍵盤，即每條水平線和垂直線在交叉處通過一個按鍵加以連接。當(dāng)需要的鍵數(shù)比較多時，采用矩陣連接可以減少I/O口的占用。

? （2）矩陣式鍵盤的編程

?? 矩陣式鍵盤連接可分為編碼式和非編碼式兩種。對于非編碼式連接的鍵盤，其應(yīng)用編程可分為：判鍵、識鍵部分和鍵處理部分。
?? ①判鍵和識鍵
?? 即指判斷是否有鍵按下和確認(rèn)所按下鍵的位置。確定矩陣式鍵盤上何鍵被按下采用一種“行掃描法”。行掃描法又稱為逐行（或列）掃描查詢法，是一種最常用的按鍵識別方法。
?? 無鍵按下時，矩陣式鍵盤的行，列線通過上拉電阻均為高電平（見圖4）。然后，依次將鍵盤逐行置低，同時取出輸入列線狀態(tài)，若此時輸入不為全高（0xFF），則表明該行有鍵被按下。因為行線輸出有低電平，一旦該行有鍵按下，則輸入線就會被拉低。這樣，就可得判斷出是否有鍵按下了。同時，可根據(jù)置低的行線和讀入的輸入線的狀態(tài)，找出被按下的鍵位置。
在判鍵過程中，還要加入按鍵去抖動處理。一次按鍵的完整過程如圖3所示（按鍵按下時，鍵盤輸入線上呈現(xiàn)的波形），按鍵的抖動

???????????????????? 圖3 按鍵抖動波形

包括前沿抖動（剛按下時）和后沿抖動（釋放時）兩個過程，抖動持續(xù)時間與按鍵彈簧的機械特性有關(guān)，通常為幾ms至幾十ms，可采用軟件延時的辦法進行處理。
??? ②鍵處理
??? 鍵處理即在識別到某鍵按下后，作出不同的處理。在應(yīng)用上，一般將鍵盤分為功能鍵和數(shù)字鍵（也可兩者復(fù)用），功能鍵一般采用散轉(zhuǎn)的辦法，讓程序執(zhí)行不同的操作。
??? 實際上，鍵盤處理是很復(fù)雜的，它往往占到一個應(yīng)用程序的大部份代碼，但這種復(fù)雜不來自于設(shè)備的本身，而是來自于操作者的習(xí)慣等等問題。因此，在編寫鍵盤處理程序之前，應(yīng)先把它從邏輯上理清，然后用適當(dāng)?shù)?a target="_blank">算法表示出來，最后再編寫代碼。

?? 5．矩陣式鍵盤的實驗電路

???????????????????????? ?????? 圖4?? 矩陣式鍵盤連接圖

??? 實驗電路是采用2×8的矩陣鍵盤電路，鍵盤的行線通過由74LS273鎖存器構(gòu)成的輸出接口（端口地址為70H）輸出，列線通過74LS245總線接收器構(gòu)成的輸入接口（端口地址為74H）輸入。鍵盤共16個鍵，定義了功能鍵：F1、F2、F3、F4、CR鍵共五個；數(shù)字鍵：0~9及小數(shù)點共十一個（如圖4所示），使用者可以自己定義每個鍵功能和相應(yīng)的處理。

?? ? ?? ???? ???? ???? ??圖5 鍵盤端口地址

?右圖5為判鍵和識鍵過程中所需要用到的鍵盤地址和控制字。 本實驗共用到三個端口地址：70H：通過74LS273鎖存器，控制掃描鍵盤的行線。 74H：通過74LS245總線接收器，讀取控制掃描鍵盤的列線狀態(tài)。73H：控制鍵盤面板上的LED指示燈。

五、設(shè)計指導(dǎo)

?? 1.信號源高級設(shè)置部分

?? 1）結(jié)構(gòu)流程圖

??????? ????????????????? 圖6??? 高級設(shè)置部分結(jié)構(gòu)流程圖
??? ２）樹形圖

???? ?? ?? ?? ?? ?? ? ?? ?? ?? ?? ? 圖7?? 高級設(shè)置部分調(diào)用結(jié)構(gòu)
??? 3）功能與前面板設(shè)計

? ???? ?????? ?????? ????? ????? ????? ?????? 圖8?? 高級設(shè)置前面板

表1 ? 高級設(shè)置控鍵及顯示鍵匯總

??? 注：2通道的情況與1通道類似。

?? 4）動態(tài)調(diào)用鏈接
??? 本程序設(shè)計的主要實現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時可直接調(diào)用實驗箱提供的驅(qū)動函數(shù)動態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。

?? ??? ??? ??? ??? ??? ??? ?? ???? 表2?? 高級設(shè)置中動態(tài)調(diào)用說明

?

?? 2.信號源鍵盤控制部分

圖12 信號源鍵盤控制部分結(jié)構(gòu)流程圖

??? ２）樹形圖

?????? ???? ????? ???? ????? ????? 圖13? 信號源鍵盤控制部分結(jié)構(gòu)樹形圖

???? 3）功能與前面板設(shè)計

圖14??? 信號源鍵盤控制部分前面板

表3?? 信號源鍵盤控制部分控鍵及顯示鍵匯總

?? 4）動態(tài)調(diào)用鏈接
?? 本程序設(shè)計的主要實現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時可直接調(diào)用實驗箱提供的驅(qū)動函數(shù)動態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。

????????? ??? ?? ?? ?? ???? 表4?? 信號源鍵盤控制部分使用的動態(tài)調(diào)用一覽

?? 3.信號源公式輸入部分

??????? 圖22????? 信號源公式輸入部分結(jié)構(gòu)流程圖

２）樹形圖

????????? 圖23? 信號源公式輸入部分結(jié)構(gòu)樹形圖

?? 3）功能與前面板設(shè)計

圖24??? 信號源公式輸入部分前面板

表5?? 信號源公式輸入部分控鍵及顯示鍵匯總

注：公式編輯器設(shè)定的采樣頻率FT=4096,采樣點數(shù)為4096。

?? 4）動態(tài)調(diào)用鏈接
??? 本程序設(shè)計的主要實現(xiàn)已經(jīng)做成底層fp函數(shù)（用Labwindows/CVI實現(xiàn)），在程序?qū)崿F(xiàn)時可直接調(diào)用實驗箱提供的驅(qū)動函數(shù)動態(tài)鏈接（即.dll函數(shù)），驅(qū)動函數(shù)原型及常數(shù)和變量在cvidll.prj中。

????????? ????????? ?????? 表6?? 信號源鍵盤控制部分使用的動態(tài)調(diào)用一覽

?

?? 在執(zhí)行過程中寫入SRAM的文件為二進制文件形式。面板上顯示所調(diào)用的文件是由數(shù)組生成的波形文件。其中，各寫入SRAM的波形資料見下表：
?????????? ?????????? ???????????? 表7?? 波形存儲一覽

? 注：各種波形存儲位置：4096×（存儲編號－1）～ 4095×存儲編號。

六、調(diào)試與測試

?? 1、信號源高級設(shè)置部分
??? ①按如圖方式，進行硬件連線。

????????????????????
?????????????????????????

? ?????????????????????????? 圖28? 信號源高級設(shè)置實驗時的硬件連線

?? ②依據(jù)前面描述的原理，分別設(shè)定1通道各參數(shù)，點擊啟動，觀察示波器顯示的值是否與計算的一致。
?? ③對于2通道，重做②描述的過程。
?? ④完成下面的表格

??????? ?????? ??????????? ??? ???? 表8?? 信號源高級設(shè)置的數(shù)據(jù)觀察記錄表

?? 2、鍵盤控制部分
?? 鍵盤板在控制波形產(chǎn)生時的格鍵含義

表9?? 鍵盤各鍵復(fù)用一覽

?????????????????????? 圖29?? 鍵盤輸入實驗時的硬件連線

?? ②按下F1鍵選擇波形，觀察“波形設(shè)置”燈亮后，通過按鍵選擇波形，確定后，按下CR鍵，燈熄滅，表示波形選擇結(jié)束。
?? ③按下F2鍵準(zhǔn)備輸入幅度，觀察“幅度設(shè)置”燈亮后，通過按鍵輸入幅度值，此時輸入顯示在“幅度按鍵輸入”框，并同時由字串轉(zhuǎn)化為數(shù)字，顯示在“峰值幅度”框（注意字串不要輸錯）。若輸入結(jié)束，按下CR鍵，燈熄滅，表示幅度設(shè)定。
?? ④按下F3鍵準(zhǔn)備輸入頻率，觀察“頻率設(shè)置”燈亮后，通過按鍵輸入幅度值，此時輸入顯示在“頻率按鍵輸入”框，并同時由字串轉(zhuǎn)化為數(shù)字，顯示在“頻率”框（注意字串不要輸錯）。若輸入結(jié)束，按下CR鍵，燈熄滅，表示頻率設(shè)定。
?? ⑤按下F4鍵啟動信號源，此時“啟動指示”燈亮，然后熄滅，觀察此時波形顯示框的波形是否與選定波形一致，同時觀察外部的示波器，檢查頻率、幅度、波形是否與設(shè)定的值相同。
?? ⑥直接在程序面板上輸入波形、幅度、頻率，然后點擊啟動按鍵，觀察此時波形顯示框的波形是否與選定波形一致，同時觀察外部的示波器，檢查頻率、幅度、波形是否與設(shè)定的值相同。
?? ⑦完成下表

????????????????????????????????? 表10? 鍵盤控制波形輸出的數(shù)據(jù)觀察記錄表

?? 3、公式輸入部分
??? ①按如圖方式，進行硬件連線。

???????????????????????????

??????????????????????????????????????? 圖30?? 公式輸入實驗時的硬件連線

?? ②在波形公式框輸入任意周期信號，例如cos(w×t)，設(shè)置峰值幅度、頻率和頻率系數(shù)，，按下啟動按鍵，觀察示波器的頻率是否為頻率×頻率系數(shù)，峰值幅度，波形是否與設(shè)定的一致。
?? ③在波形公式框輸入任意周期信號，例如t+t^2，設(shè)置峰值幅度、頻率和頻率系數(shù)，，按下啟動按鍵，觀察示波器的頻率、峰值幅度、波形是否與設(shè)定的一致。
?? ④完成下表。
??????? ???? ????? ????? ???? ??? 表11?? 通過公式產(chǎn)生波形的數(shù)據(jù)觀察記錄表

七、備注

?? 注意：數(shù)字合成信號源的輸出信號頻率范圍：正弦在1Hz~2MHz，方波在1Hz~500KHz，其它波形在1Hz~200KHz范圍內(nèi)。峰值幅度范圍0.1V~8V，設(shè)定各參數(shù)時需保證輸出信號在此范圍內(nèi)。同時調(diào)幅波載波頻率為輸入頻率的16倍，調(diào)頻波載波頻率為輸入頻率的7~25倍。