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)示波功能的虛擬儀器。可網(wǎng)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++6.0Windows編程技術(shù)。

關(guān)鍵詞：完EDA ISP FPGA VHDL VC++ DLL

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)列為靈活、測(cè)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。

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、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)來產(chǎn)生掃頻信號(hào)。其基本原理如圖2所示。

設(shè)相位累加器的位數(shù)為n，累加器的輸入控制字為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：

Fout=(Fclk×F_word)/2 n

因此，通過計(jì)算機(jī)給DDS的累加器發(fā)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/2 32，一個(gè)周期內(nèi)最多有2 15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

IF(mid_address=addr_end)

--CHECK ONE CIRCLE'S END

THEN

mid_address=0000000000 00000000;

ELSE mid_address=mid_address + f_word;

--PHASE ADDER

END IF;

END IF;

END PROCESS;

Address=mid_address(31 downto 17);

--OUTPUT 15 HIGH BITS

BND 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，而輸入address為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)過被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)S2，首先分別經(jīng)過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P0。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。

最后通過積分電路得到平均電平Peven，送到A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。這里用R-S觸發(fā)器來進(jìn)行數(shù)字鑒相，鑒相范圍-π～π。

1.4 數(shù)據(jù)采集

通過A/D轉(zhuǎn)換電路，先后把S2經(jīng)過調(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，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_locig;

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硬件硬件語言來編寫，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）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。

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)理的衰減和放大器。

2.2 數(shù)據(jù)處理模塊

要得到網(wǎng)絡(luò)的頻率特性，就要處理采集過來的波形數(shù)據(jù)（采集過來的數(shù)據(jù)包括經(jīng)過被測(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類現(xiàn)圖函數(shù)進(jìn)行現(xiàn)圖。CpaintDC類中有豐富的畫圖函數(shù)，包括畫線（可選擇線的形式、顏色）、畫點(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）函數(shù)，被主執(zhí)行程序動(dòng)態(tài)調(diào)用。

通過以上分析可知，系統(tǒng)中有信號(hào)產(chǎn)生通道和數(shù)據(jù)采集通道。對(duì)濾形存儲(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，可和為掃頻儀、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)了虛擬世界的無窮魅力。