1 緒論
本章闡述了選題的背景和意義，介紹了課題相關技術的國內外發展狀況，給出了論文所做的主要工作及其重點和目標。
1.1 國內外的發展與現狀
1.1.1 信號發生器的發展歷史
函數發生器是信號發生器的一種。它是一種可以產生正弦波、方波、三角波、鋸齒波，甚至任意波形的多波形信號源，是設計開發、生產調試以及教學科研中的一種不可缺少的重要測試設備。函數發生器的工作頻率范圍很寬，使用范圍很廣，可以用于生產測試、儀器維修和實驗室，還廣泛使用在其它科技領域，如醫學、教育、化學、通訊、工業控制、軍事和宇航等。
早在二十年代，當電子設備剛開始出現的時候，信號發生器就出現了。隨著通信和雷達技術的發展，四十年代出現了主要用于測試各種接收的標準信號發生器，使信號發生器從定性分析的測試儀器成為定量分析的測量儀器，同時還出現了可用來測試脈沖電路或用作脈沖調制器的脈沖信號發生器。早期的信號發生器機械結構比較復雜，功率比較大，電路比較簡單(與數字儀器、示波器等相比)，因此發展速度較慢。自六十年代以來，信號發生器有了迅速的發展，出現了掃頻信號發生器、合成信號發生器、程控信號發生器等新種類。各類信號發生器的主要性能指標也都有了大幅度的提高，同時在簡化機械結構、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進展。八十年代以后，數字技術日益成熟，信號發生器絕大部分不再使用機械驅動而采用數字電路，從一個頻率基準由數字合成電路產生可變頻率信號。數字合成技術使信號發生器變為非常輕便、覆蓋頻率范圍寬、輸出動態范圍大、容易編程、適用性強和使用方便的信號源。九十年代以后虛擬儀器進入了人們的視野。這種完全以計算機軟件為核心，輔以相應的硬件設備的測試系統代表了未來測試儀器的發展方向。人們可以在友好的人機界面環境中輕松地進行各種復雜的操作，信號發生器也從一個完全獨立的測試設備，而成為整個虛擬儀器系統中一個必不可少的模塊。
1.1.2 信號發生器的技術現狀
從信號產生器實現的核心器件與技術方法上看，當前的各種方案有著各不相同特性和不足：
(1)利用DSP芯片產生信號
利用DSP芯片產生信號的方法有3種，它們各有優劣，滿足不同的需求。
①查表法：在查表法中，表對應于DSP芯片中的存儲器，輸入變量作為存儲器地址，訪問該地址的值，便可得到相應的正(余)弦值。查表法是幾種方法中運算速度最快的，但如果要求運算精度高，頻率連續可變，表就會很大，占用存儲空間也要大大增加(DSP芯片的存儲容量相當小)。因此，查表通常用于對精度要求不高的場合。
②遞推公式法：利用遞推公式計算三角函數需要已知余弦值和余弦的前兩個值，用這種方法可以求少數點的余弦值，但若要產生連續余弦波，其積累誤差太大，也存在缺陷。
③泰勒級數展開法：把函數展開成泰勒級數，這是一種實際運用中很有效的方法，與查表法相比，它需要的存儲單元很少，而且，運算精度高。采用此方法，展開項數越多則計算精度越高，但相應的運算速度會降低。
(2)利用鎖相環產生高穩定的信號
基于鎖相環的信號發生器系統主要由以下幾個部分組成：壓控振蕩電路、鎖相環、單片機、頻段選擇電路、電壓采集電路、鍵盤顯示電路等等。利用PLL技術實現的高穩定高頻正弦波信號發生器，與其它信號發生器相比，具有電路簡單、可擴展、成本低等優點，尤其在頻率穩定度和輸出頻率范圍等方面比較有優勢，具有很大的實用價值。輸出正弦波形無失真、幅值穩定，頻率穩定度可以達到10-6，輸出頻率可擴展到幾百兆赫茲。PLL多采用模擬技術實現，因此實現難度和成本較數字電路稍高。
(3)利用專用信號產生芯片進行信號合成
用于信號合成的專用集成電路芯片有AD9854、AD9858等。它們是由美國AD公司推出的高集成度頻率合成芯片。以AD9854為例，它內部集成了正余弦波形表，12位雙通道D/A轉換器和超高速內置比較器，AD9854能完成頻率調制、相位調制、幅度調制以及IQ正交調制等多種功能。因而，具有很高的性能價格比和廣闊的應用領域。缺點就是單片的DDS專用芯片無法完成整個系統的設計，需要額外的控制電路(可以由各種處理器、單片機、CPLD、FPGA實現)來實現DDS芯片控制字寄存器的寫入控制。外加控制電路使得設計變得復雜，同時外圍電路設計的信號完整性、電路兼容等問題都會影響電路的性能。這增加了整個系統的成本和開發難度。
(4)利用可編程邏輯器件產生信號
區別于上述方法中的直接采用DDS芯片，而是利用可編程器件、濾波器、DA轉換器等分立器件進行信號產生。直接從DDS的原理出發，在FPGA芯片上設計實現一個頻率合成器，用于產生常用的信號。DDS是開環系統，無反饋環節，其合成頻率的時間快，頻率穩定度高，因其FPGA實現時功能、信號參數可定制、開發周期相對較短的原因，是非常具有發展前景的信號產生技術。
在研究實踐中，基于DDS技術的函數發生器的研究多數都局限于正弦波、方波、三角波等常規波形，少數的任意波形發生器的設計多是采用任意波形和常規波形分別產生的方案進行，并沒有真正將基于DDS技術的AWG設計應用函數發生器的設計中。真正意義的任意波形發生還主要是通過數字芯片的組合來完成。將現代數字系統設計方法應用于信號發生器的設計有助于簡化設計，提高信號發生器的性能。最為重要的是它可以將常規波形、函數波形以及任意波形的產生方法統一起來，實現功能與結構成為有機的整體。近幾年來信號發生器發展很快，其技術發展主要體現在以下幾個方面：
(1)輸出波形頻率的提高，使波形發生器能應用于越來越廣的領域。
(2)波形發生器軟件的開發使波形數據的輸入變得更加方便和容易。波形發生器不僅允許用一系列的點、直線和固定的函數段把波形數據存入存儲器，而且也可以利用數學方程輸入方式，復雜的波形可以由幾個比較簡單的公式復合成v=f(t)形式的波形方程的數學表達式產生，從而促進了函數波形發生器向任意波形發生器的發展。各種計算機語言的飛速發展對任意波形發生器軟件技術起到了推動作用。目前可以利用可視化編程語言(如Visual Basic，Visual C++)編寫任意波形發生器的軟窗口，允許從計算機顯示屏上輸入任意波形，來實現波形的輸入。
(3)各種總線競爭發展。目前，信號發生器由獨立的臺式儀器向適用于個人計算機的插卡或外圍擴展設備發展。由于USB總線的廣泛普及與應用和它的靈活便捷特性，在很多設備中開始采用或兼容USB總線。由于供電能力的局限，USB接口的信號發生器仍主要是小型化便攜式測量模塊或設備。與此同時，專為設備儀器開發的VXI系統具有明顯的優越性。但其開發周期長和需要專門的配套機箱等因素，使得波形發生器VXI模塊的應用僅限于航空、軍事及國防等大型領域。
(4)新臺式儀器的形態，和幾年前己有很大的不同。這些新一代臺式儀器具有多種特性，可以執行多種功能，而且外形尺寸越來越小、價格越來越低。隨著計算機技術、集成芯片技術的快速發展，信號發生器也將日益向數字化，智能化，虛擬化方向發展。基于DDS的AWG、ARB、AFG等信號發生技術也將日趨完善并成為主流技術。
1.1.3 USB技術的發展與前景
USB是英文Universal Serial Bus的縮寫，中文含義是“通用串行總線”，是一種廣泛應用在PC領域的接口技術。為了解決日益增加的PC外設與有限的系統硬件和中斷資源之間的矛盾，1994年Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等世界上著名的7家計算機公司和通信公司成立了USB聯盟，并于1994年11月11日，在USB總線規范草案的基礎上幾經修訂，提出了USB 0.7正式版通用串行總線規范，標志著USB標準的誕生。
1996年1月USB組織公布了USB1.0版。1997年開始有真正符合USB技術標準的外設出現。1998年9月23日，USB-IF推出了支持低速和全速兩種速度的傳輸工作模式的USB1.1版標準。速度峰值分別可達到1.5Mbps和12Mbps。這一版本得到了計算機業界的廣泛響應，到1999年，USB己經被廣泛應用。2000年4月27日，USB組織發布了新的高速模式(傳輸速率最高可達到480Mbps)版本USB2.0版規范。2001年12月，提出USB 2.0的追加規格USB OTG(On-The-Go)，實現了沒有USB主機系統情況下USB設備間的數據傳輸。2005年5月底，USB組織完成了無線USB標準1.0修訂版規范。WUSB1.0數據傳輸有效距離10米，在3米內可達到480Mbps，十年內將達到1Gbps。2008年11月17日，USB-IF發布了USB3.0規范，傳輸帶寬高達5.0Gb/s，也就是625MB/s。USB 3.0采用了對偶單純形四線制差分信號線，而且引入了新的電源管理機制，支持待機、休眠和暫停等狀態。這些改進使USB更加鞏固了它在PC外設接口領域的統治地位。
作為USB的主要競爭對手FireWire因其新版標準IEEEl394-2008的傳輸速度不高(只有3.2Gb/s，相當于USB 3.0的60%多一點)，加之蘋果等業界廠商普遍對其失去了興趣，在尚未開始真正競爭錢已不戰而敗。然而操作系統的霸主Microsoft公司在2008年的Super Speed技術大會上表示將在Windows XP系統中增加對HID類的USB Super Speed設備的支持，最終在新的Windows7系統中全面支持USB體系的Super Speed規范。在測試行業，測量儀器大廠泰克(Tektronix)在2008年10月第一家宣布了用于USB 3.0的測試工具。安捷倫科技公司也在2008年12月初宣布推出超高速USB 3.0設備綜合測試解決方案。隨著高速USB在個人計算、消費電子以及移動等各種細分市場內的普及，加之以英特爾、惠普、NEC、NXP以及TI等公司組成的強大的USB推廣小組促進，USB3.0將迅速取代USB2.0端口成為高帶寬應用領域的最新標準，其卓越的性能將再更多的領域得到應用。將USB應用于測量儀器領域將是一個迅速發展、內容豐富的嶄新的課題。
1.2 研究課題的目的與意義
USB在儀器儀表領域有著廣闊的應用前景，越來越多的測試測量儀器儀表開始采用USB接口與外部通信，以PC機為核心基于USB總線的多種測試分析儀器組成的綜合測量系統必將成為一個發展方向。
USB接口進入測試測量儀器儀表領域是從1998年開始的。當時IOtech和NI兩家公司首先在他們的數據采集儀器中使用了USB接口，隨后許多著名儀器公司都采用了USB接口。2000年，橫河電機開始在數字示波器上安裝USB接口，之后知名儀器廠商安捷倫、力科、泰克等也在數字示波器上配備USB接口。Aglient的U2761A就是一款出色的基于USB總線的虛擬函數發生器。2004年國內唯一以自有知識產權生產數字存儲示波器的企業，北京普源精電科技有限公司(RIGOL)發布了國內第一款具有USB接口的DS5000。基于USB接口的函數發生器僅有青島漢泰科技有限公司的在2006年推出的DDS 3005任意波形發生器。所以研究USB總線接口的信號發生器對于提高我國測量技術水平，推動儀器技術自主化發展具有很重要的應用實踐意義。
目前，高校擴招使在校學生人數迅速增多，以往的實驗儀器已經遠遠不能滿足需求，而要增強學生的動手與實踐能力，必須為學生提供良好的實驗條件。但大量的設備投資成本又是面臨的一大問題，而將虛擬儀器技術用于實驗可增強學生的積極性、趣味性、實驗的靈活性，同時大大降低成本。作為實驗儀器的必備成員，信號發生器的虛擬化對于現代教育發展緩解當前教育資源不足有著重要的實際意義臨。
總之，選課題的研究意義主要在于通過研究前沿的波形發生技術和總線應用技術，結合現代數字系統設計方法設計一種適應現在信息化發展需求的新型信號發生器。
1.3 主要研究內容與目標
隨著計算機技術的發展和計算機的日益普及，電子測量技術領域迫切需要設計以PC機軟硬件系統為平臺的虛擬式函數發生器。主要研究以下內容：
(1)通過學習USB總線系統構成、物理與邏輯拓撲關系、傳輸類型、通信協議等，研究USB總線在儀器設備中的應用方法。基于此設計并實現基于控制傳輸的USB函數發生器設置接口和基于批量傳輸的波形傳輸接口。
(2)研究常規與復合波形的數字化的方法以及運算方法。設計并實現從用戶輸入到波形RAM存儲數據的轉換與處理算法。
(3)通過學習WDM驅動程序的層次結構、USB驅動程序的系統框架等及其實現方法。基于此設計并實現USB函數發生器驅動程序。
(4)運用VC++6.0在Windows環境下編程，開發USB接口的通信應用以及人機交互接口應用程序，即虛擬可編程函數發生器的控制面板。
(5)研究DDS頻率合成技術的原理與性能分析。通過改進內建存儲方式使其適應具有復合波形生成功能的可編程函數發生器設計。設計并實現能夠產生預期頻率幅度范圍內任意波形發生的DDS模塊。
(6)學習現代數字系統設計方法并在本設計的硬件平臺開發中應用。實現一個可以通過簡單編程重新配置的虛擬儀器底層。
研究的目標是設計一個基于DDS技術的和USB總線的虛擬儀器概念的可編程函數發生器。它在必要的硬件平臺的支持下，在通用計算機平臺上通過軟件實現儀器中數據分析處理、人機交互和顯示等幾部分功能。硬件部分完成函數發生器所必需的硬件平臺，軟件系統上則為其編寫Windows系統下的設備驅動程序與功能應用程序。該可編程函數發生器所要完成的主要功能和技術指標如下所示：
(1)基本波形正弦波、矩形波、方波、三角波、鋸齒波；
(2)可以產生對基本波形進行加、減、乘、除基本運算后的波形；
(3)輸出模擬波形幅度一百毫伏到五伏連續可調；
(4) 輸出頻率五百Hz到+KHz按一、二、五步進可調。
基于USB總線可編程函數發生器的研究與設計（二）
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