LabVIEW-波形发生器精讲

系统设计方案
• 扫描发生技术
可变 时钟 波形 存储器 D/A 转换器
低通 滤波器
信号输出
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 扫描频率就可以得到不同频率的输出，再通过Ｄ/Ａ转 换器及滤波器即可得到任意波形的信号。
输出频率fout fclkin / N fclkin 可变时钟；N-波形数据点数
应用软件
驱动程序
WDM VXD
系统软件设计
控件
LABVIEW编程
用户态
核心态
调用
DLL
访问
驱 动
LabVIEW
CLF接口
设备
系统软件设计
• • • • 函数波形数据生成 任意波形数据生成 频率控制 数据传输
函数波形数据生成
• • • • • 正弦波 方波 三角波 锯齿波 直流
－正弦波数据生成
波形数据
控制字＝２
控制字＝４
输出频率f out Wcon f clkin / 2 N Wcon Hale Waihona Puke Baidu频率控制字；f clkin 系统时钟；N-控制字位数
直接数字合成芯片ＡＤ９８５０正是采用了这种方案，产生正弦波． 该方法的缺点是：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． 该方法的优点是：可以产生频率很高的规则波形，而且相位连续．
NI-5401 16MHz函数发生器
• 16MHz正弦波 • 1MHz方波,三角波,斜波 产生 • 9.13mHz频率分辨率 • 40MS/s更新速率 • 12位幅值分辨率
NI-PCI 6024E 多功能数据采集卡
• 基于PCI总线 • 16个模拟输入的程控放大器 • 1个12位的A/D转换器 (200KS/s) • 2个12位的D/A转换器(10KS/s) • 2个24位的定时/计数器 • 8个TTL电平的数字I/O端口.
系统设计方案
• 直接频率合成技术（DDS）
参考 频率源 频率 控制字 频率 累加器
波形 存储器
信号
D/A 转换器 低通 滤波器 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， 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 量化的数字信号通过Ｄ/Ａ转换器及低通滤波器即可得到合成的模拟信号。
系统设计指标
• • • • • • • • • USB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 输出波形频率:0.01Hz~100KHz 频率分辨率:0.01Hz 垂直分辨率:16位 波形幅度：0~5 Vpp 波形存贮容量:32K 采用LabVIEW或LabScene作为上层软件 微型,低功耗,无需外部电源，工作电流<500mA
MAX5541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
• • • • USB接口介绍 USB硬件开发 USB固件程序开发 特点：
价格低廉 即插即用 低功耗 总线供电 多种 设备类
多种速度 模式
PC驱动程序开发
AD9850管脚图
AD9850功能框图
W_CLK、FQ_UD控制信号由CPLD内部产生； 总线DATA在W_CLK上升沿将数据装入寄存器，40位需重复5次。最后 在FQ_UD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 据寄存器。
AD9850控制时序
D/A转换－MAX5541
• D/A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 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； 2. 一周期的数据点数越多，模拟信号越平滑； 3. 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 行D/A的输出速率高，控制方便，但是价格高，占用的I/O 也多； 综合上述因素，本设计采用了MAXIM公司的MAX5541， 它是16位D/A，2.5V外部基准，0~2.5V电压输出，10MHz 三线式串行总线接口，1us的信号建立时间。
本系统采用该方案实现任意波形发生器 该方案的缺点是：输出频率不够高．
系统设计框图
应用程序 (LabVIEW/ LabScene)
USB接口 通信模块
可变时钟生成 (AD9850)
out
微控制器 89S52
放大 滤波
D/A变换 MAX5541
CPLD 逻辑控制模块 波形存储器 (62256)
扫描时钟发生－AD9850
• 综合了其他信号源产生波形的能力 • 产生波形可编程控制 • 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
• 利用插值可达400MS/s有效采 样率 • SFDR接近91db • 8、32或256MB的板载内存 • 16位LVDS数字模拟输出 • 具有波形连接与循环的功能
n sin(2 ) 1 N Y 2
－方波波数据生成
• AD9850是AD公司生产的DDS芯片 ，32bits频率控制 字,5bit相位调制,具有简化的控制接口（并行或串行输 入）。32位相位累加器，截断成14位，输入正弦查询表， 查询表输出截断成10位，输入到１０位DAC。 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，其最高输出可达４０M．
虚拟仪器系统 —
基于USB的任意波形发生器
提纲
• • • • • 研究意义及现状 系统指标及设计方案 系统硬件设计 系统软件设计 任意信号发生器测试效果
研究意义及现状
• 传统信号发生器
正弦波信号源 函数发生器 脉冲发生器 扫描发生器 针对特定应用,产 生波形种类有限, 波形不可编程
虚拟任意波形发生器
NI-5421 40MS/s 任意波形发生器
• • • • • 40MS/s更新速率 12位分辨率/60dB SFDR 16MHz正弦波输出 波形连接与循环 4或16MB板载内存
NI-5404 100MS/s 时钟和频率发生器
• 可生成9KHz~100M正弦波 • 生成直流~100MHz采样时 钟频率 • 1.07uHz的频率分辨率 • 12位幅值分辨率