1 绪论
本章阐述了选题的背景和意义，介绍了课题相关技术的国内外发展状况，给出了论文所做的主要工作及其重点和目标。
1.1 国内外的发展与现状
1.1.1 信号发生器的发展历史
函数发生器是信号发生器的一种。它是一种可以产生正弦波、方波、三角波、锯齿波，甚至任意波形的多波形信号源，是设计开发、生产调试以及教学科研中的一种不可缺少的重要测试设备。函数发生器的工作频率范围很宽，使用范围很广，可以用于生产测试、仪器维修和实验室，还广泛使用在其它科技领域，如医学、教育、化学、通讯、工业控制、军事和宇航等。
早在二十年代，当电子设备刚开始出现的时候，信号发生器就出现了。随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现了主要用于测试各种接收的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器，同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单(与数字仪器、示波器等相比)，因此发展速度较慢。自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了扫频信号发生器、合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。八十年代以后，数字技术日益成熟，信号发生器绝大部分不再使用机械驱动而采用数字电路，从一个频率基准由数字合成电路产生可变频率信号。数字合成技术使信号发生器变为非常轻便、覆盖频率范围宽、输出动态范围大、容易编程、适用性强和使用方便的信号源。九十年代以后虚拟仪器进入了人们的视野。这种完全以计算机软件为核心，辅以相应的硬件设备的测试系统代表了未来测试仪器的发展方向。人们可以在友好的人机界面环境中轻松地进行各种复杂的操作，信号发生器也从一个完全独立的测试设备，而成为整个虚拟仪器系统中一个必不可少的模块。
1.1.2 信号发生器的技术现状
从信号产生器实现的核心器件与技术方法上看，当前的各种方案有着各不相同特性和不足：
(1)利用DSP芯片产生信号
利用DSP芯片产生信号的方法有3种，它们各有优劣，满足不同的需求。
①查表法：在查表法中，表对应于DSP芯片中的存储器，输入变量作为存储器地址，访问该地址的值，便可得到相应的正(余)弦值。查表法是几种方法中运算速度最快的，但如果要求运算精度高，频率连续可变，表就会很大，占用存储空间也要大大增加(DSP芯片的存储容量相当小)。因此，查表通常用于对精度要求不高的场合。
②递推公式法：利用递推公式计算三角函数需要已知余弦值和余弦的前两个值，用这种方法可以求少数点的余弦值，但若要产生连续余弦波，其积累误差太大，也存在缺陷。
③泰勒级数展开法：把函数展开成泰勒级数，这是一种实际运用中很有效的方法，与查表法相比，它需要的存储单元很少，而且，运算精度高。采用此方法，展开项数越多则计算精度越高，但相应的运算速度会降低。
(2)利用锁相环产生高稳定的信号
基于锁相环的信号发生器系统主要由以下几个部分组成：压控振荡电路、锁相环、单片机、频段选择电路、电压采集电路、键盘显示电路等等。利用PLL技术实现的高稳定高频正弦波信号发生器，与其它信号发生器相比，具有电路简单、可扩展、成本低等优点，尤其在频率稳定度和输出频率范围等方面比较有优势，具有很大的实用价值。输出正弦波形无失真、幅值稳定，频率稳定度可以达到10-6，输出频率可扩展到几百兆赫兹。PLL多采用模拟技术实现，因此实现难度和成本较数字电路稍高。
(3)利用专用信号产生芯片进行信号合成
用于信号合成的专用集成电路芯片有AD9854、AD9858等。它们是由美国AD公司推出的高集成度频率合成芯片。以AD9854为例，它内部集成了正余弦波形表，12位双通道D/A转换器和超高速内置比较器，AD9854能完成频率调制、相位调制、幅度调制以及IQ正交调制等多种功能。因而，具有很高的性能价格比和广阔的应用领域。缺点就是单片的DDS专用芯片无法完成整个系统的设计，需要额外的控制电路(可以由各种处理器、单片机、CPLD、FPGA实现)来实现DDS芯片控制字寄存器的写入控制。外加控制电路使得设计变得复杂，同时外围电路设计的信号完整性、电路兼容等问题都会影响电路的性能。这增加了整个系统的成本和开发难度。
(4)利用可编程逻辑器件产生信号
区别于上述方法中的直接采用DDS芯片，而是利用可编程器件、滤波器、DA转换器等分立器件进行信号产生。直接从DDS的原理出发，在FPGA芯片上设计实现一个频率合成器，用于产生常用的信号。DDS是开环系统，无反馈环节，其合成频率的时间快，频率稳定度高，因其FPGA实现时功能、信号参数可定制、开发周期相对较短的原因，是非常具有发展前景的信号产生技术。
在研究实践中，基于DDS技术的函数发生器的研究多数都局限于正弦波、方波、三角波等常规波形，少数的任意波形发生器的设计多是采用任意波形和常规波形分别产生的方案进行，并没有真正将基于DDS技术的AWG设计应用函数发生器的设计中。真正意义的任意波形发生还主要是通过数字芯片的组合来完成。将现代数字系统设计方法应用于信号发生器的设计有助于简化设计，提高信号发生器的性能。最为重要的是它可以将常规波形、函数波形以及任意波形的产生方法统一起来，实现功能与结构成为有机的整体。近几年来信号发生器发展很快，其技术发展主要体现在以下几个方面：
(1)输出波形频率的提高，使波形发生器能应用于越来越广的领域。
(2)波形发生器软件的开发使波形数据的输入变得更加方便和容易。波形发生器不仅允许用一系列的点、直线和固定的函数段把波形数据存入存储器，而且也可以利用数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生，从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展。各种计算机语言的飞速发展对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言(如Visual Basic，Visual C++)编写任意波形发生器的软窗口，允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入。
(3)各种总线竞争发展。目前，信号发生器由独立的台式仪器向适用于个人计算机的插卡或外围扩展设备发展。由于USB总线的广泛普及与应用和它的灵活便捷特性，在很多设备中开始采用或兼容USB总线。由于供电能力的局限，USB接口的信号发生器仍主要是小型化便携式测量模块或设备。与此同时，专为设备仪器开发的VXI系统具有明显的优越性。但其开发周期长和需要专门的配套机箱等因素，使得波形发生器VXI模块的应用仅限于航空、军事及国防等大型领域。
(4)新台式仪器的形态，和几年前己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种功能，而且外形尺寸越来越小、价格越来越低。随着计算机技术、集成芯片技术的快速发展，信号发生器也将日益向数字化，智能化，虚拟化方向发展。基于DDS的AWG、ARB、AFG等信号发生技术也将日趋完善并成为主流技术。
1.1.3 USB技术的发展与前景
USB是英文Universal Serial Bus的缩写，中文含义是“通用串行总线”，是一种广泛应用在PC领域的接口技术。为了解决日益增加的PC外设与有限的系统硬件和中断资源之间的矛盾，1994年Intel、Compaq、Digital、IBM、Microsoft、NEC、Northern Telecom等世界上著名的7家计算机公司和通信公司成立了USB联盟，并于1994年11月11日，在USB总线规范草案的基础上几经修订，提出了USB 0.7正式版通用串行总线规范，标志着USB标准的诞生。
1996年1月USB组织公布了USB1.0版。1997年开始有真正符合USB技术标准的外设出现。1998年9月23日，USB-IF推出了支持低速和全速两种速度的传输工作模式的USB1.1版标准。速度峰值分别可达到1.5Mbps和12Mbps。这一版本得到了计算机业界的广泛响应，到1999年，USB己经被广泛应用。2000年4月27日，USB组织发布了新的高速模式(传输速率最高可达到480Mbps)版本USB2.0版规范。2001年12月，提出USB 2.0的追加规格USB OTG(On-The-Go)，实现了没有USB主机系统情况下USB设备间的数据传输。2005年5月底，USB组织完成了无线USB标准1.0修订版规范。WUSB1.0数据传输有效距离10米，在3米内可达到480Mbps，十年内将达到1Gbps。2008年11月17日，USB-IF发布了USB3.0规范，传输带宽高达5.0Gb/s，也就是625MB/s。USB 3.0采用了对偶单纯形四线制差分信号线，而且引入了新的电源管理机制，支持待机、休眠和暂停等状态。这些改进使USB更加巩固了它在PC外设接口领域的统治地位。
作为USB的主要竞争对手FireWire因其新版标准IEEEl394-2008的传输速度不高(只有3.2Gb/s，相当于USB 3.0的60%多一点)，加之苹果等业界厂商普遍对其失去了兴趣，在尚未开始真正竞争钱已不战而败。然而操作系统的霸主Microsoft公司在2008年的Super Speed技术大会上表示将在Windows XP系统中增加对HID类的USB Super Speed设备的支持，最终在新的Windows7系统中全面支持USB体系的Super Speed规范。在测试行业，测量仪器大厂泰克(Tektronix)在2008年10月第一家宣布了用于USB 3.0的测试工具。安捷伦科技公司也在2008年12月初宣布推出超高速USB 3.0设备综合测试解决方案。随着高速USB在个人计算、消费电子以及移动等各种细分市场内的普及，加之以英特尔、惠普、NEC、NXP以及TI等公司组成的强大的USB推广小组促进，USB3.0将迅速取代USB2.0端口成为高带宽应用领域的最新标准，其卓越的性能将再更多的领域得到应用。将USB应用于测量仪器领域将是一个迅速发展、内容丰富的崭新的课题。
1.2 研究课题的目的与意义
USB在仪器仪表领域有着广阔的应用前景，越来越多的测试测量仪器仪表开始采用USB接口与外部通信，以PC机为核心基于USB总线的多种测试分析仪器组成的综合测量系统必将成为一个发展方向。
USB接口进入测试测量仪器仪表领域是从1998年开始的。当时IOtech和NI两家公司首先在他们的数据采集仪器中使用了USB接口，随后许多著名仪器公司都采用了USB接口。2000年，横河电机开始在数字示波器上安装USB接口，之后知名仪器厂商安捷伦、力科、泰克等也在数字示波器上配备USB接口。Aglient的U2761A就是一款出色的基于USB总线的虚拟函数发生器。2004年国内唯一以自有知识产权生产数字存储示波器的企业，北京普源精电科技有限公司(RIGOL)发布了国内第一款具有USB接口的DS5000。基于USB接口的函数发生器仅有青岛汉泰科技有限公司的在2006年推出的DDS 3005任意波形发生器。所以研究USB总线接口的信号发生器对于提高我国测量技术水平，推动仪器技术自主化发展具有很重要的应用实践意义。
目前，高校扩招使在校学生人数迅速增多，以往的实验仪器已经远远不能满足需求，而要增强学生的动手与实践能力，必须为学生提供良好的实验条件。但大量的设备投资成本又是面临的一大问题，而将虚拟仪器技术用于实验可增强学生的积极性、趣味性、实验的灵活性，同时大大降低成本。作为实验仪器的必备成员，信号发生器的虚拟化对于现代教育发展缓解当前教育资源不足有着重要的实际意义临。
总之，选课题的研究意义主要在于通过研究前沿的波形发生技术和总线应用技术，结合现代数字系统设计方法设计一种适应现在信息化发展需求的新型信号发生器。
1.3 主要研究内容与目标
随着计算机技术的发展和计算机的日益普及，电子测量技术领域迫切需要设计以PC机软硬件系统为平台的虚拟式函数发生器。主要研究以下内容：
(1)通过学习USB总线系统构成、物理与逻辑拓扑关系、传输类型、通信协议等，研究USB总线在仪器设备中的应用方法。基于此设计并实现基于控制传输的USB函数发生器设置接口和基于批量传输的波形传输接口。
(2)研究常规与复合波形的数字化的方法以及运算方法。设计并实现从用户输入到波形RAM存储数据的转换与处理算法。
(3)通过学习WDM驱动程序的层次结构、USB驱动程序的系统框架等及其实现方法。基于此设计并实现USB函数发生器驱动程序。
(4)运用VC++6.0在Windows环境下编程，开发USB接口的通信应用以及人机交互接口应用程序，即虚拟可编程函数发生器的控制面板。
(5)研究DDS频率合成技术的原理与性能分析。通过改进内建存储方式使其适应具有复合波形生成功能的可编程函数发生器设计。设计并实现能够产生预期频率幅度范围内任意波形发生的DDS模块。
(6)学习现代数字系统设计方法并在本设计的硬件平台开发中应用。实现一个可以通过简单编程重新配置的虚拟仪器底层。
研究的目标是设计一个基于DDS技术的和USB总线的虚拟仪器概念的可编程函数发生器。它在必要的硬件平台的支持下，在通用计算机平台上通过软件实现仪器中数据分析处理、人机交互和显示等几部分功能。硬件部分完成函数发生器所必需的硬件平台，软件系统上则为其编写Windows系统下的设备驱动程序与功能应用程序。该可编程函数发生器所要完成的主要功能和技术指标如下所示：
(1)基本波形正弦波、矩形波、方波、三角波、锯齿波；
(2)可以产生对基本波形进行加、减、乘、除基本运算后的波形；
(3)输出模拟波形幅度一百毫伏到五伏连续可调；
(4) 输出频率五百Hz到+KHz按一、二、五步进可调。
基于USB总线可编程函数发生器的研究与设计（二）
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