信号源发生器范文（精选11篇）
信号源发生器 第1篇
函数信号发生器是一种不可缺少的通用信号源, 是生产设计、仪器维修及实验室不可或缺的仪器。采用了现场门阵列 (FPGA) 技术实现了可以产生正弦信号且频率步进可调的正弦信号函数发生器, 该正弦函数发生器其频率调整范围是1kHz ～10MHz, 能实现了幅度调制 (AM) , 频率调制 (FM) 以及二进制信号PSK、ASK。
1 硬件电路设计
硬件设计以微控制器AT89C55WD为控制核心[1], 基于RTX51实时多任务操作系统, 以 FGPA和微控制器为核心并结合所需的外围模块, 实现键盘输入数据处理、红外无线收发、正弦信号和PSK, ASK, AM, FM等调制信号的发生和LCD演示[2], 如图1所示。
1.1 直接数字频率合成 (DDFS) 模块设计
DDFS模块的设计采用VHDL语言实现, 其设计框图如图2所示, 在FPGA中, 其RTL门级图如图3所示。
在图2中相位累加器是DDFS的核心, 它由一个N位字长的二进制加法器和一个由固定时钟控制的N位相位寄存器构成。相位寄存器的输出与累加器的一个输入端相连, 而MCU送来的频率控制字K经同步寄存后与累加器的另一个输入端相连。当每个时钟脉冲到达时, 相位寄存器采样上一个时钟周期内的值与频率控制字K的和, 取其高位部分作为这一时钟周期的输出序列。频率控制字K决定了相应的相位增量, 相位累加器则不断的对该相位增量进行线性累加, 当相位累加器计满会产生一次溢出, 完成DDFS合成信号的一个频率周期。DDFS的输出频率Fout和步进Δf可采用式 (1) 和式 (2) 表示, 其中N为相位累加器字长, Fclk为基准时钟信号;K为频率控制字[3]。
为了使输出结果最优化, 在本设计中将输出划分为10Hz～100kHz和100kHz～10MHz两个档次, 由FPGA根据输入频率字自动选择, 为了使为了使频率扩展到10MHz, 步进达到10Hz, 选用波形表宽度为10位、深度为1024位, 即每周期波形有1024点。相位累加器字长N为24位 (224=1677216) , 在FPGA上通过使用内部锁相环PLL将50M晶振倍频得到 (Fclk≈166.66667M) 以及通过3分频得到 (Fclk≈16.66667M) , 使得2N≈Fclk, 这样输出频率Fout就近似等于频率控制字K, 且步进为式 (3) 和式 (4) ;频率控制字K为2位, 则最高输出频率为式 (5) 和式 (6) 。
1.2 信号调制模块设计
信号调制模块设计利用FPGA的DDFS技术, 产生一路1kHz的正弦信号, 采用高速A/D转换器TLC5510采样, 然后在FPGA中在FPGA中通过调制信号、载波信号数据点的运算产生所需要的AM, FM, FSK, ASK波形数据, 送入12位并行输入高速D/A转换器THS5651输出所需波形[4]。
1.2.1 幅度调制模块 (AM)
AM调制模块硬件设计原理如图4所示。
调幅就是用调制信号x去控制高频载波信号的幅值。常用的是线性调幅, 即让调幅信号的幅值按调制信号x线性函数变化。调幅信号us的一般表达式可写为
Δus= (Um+max) cosωct (7)
式中, ωc为载波信号的角频率;Um为调幅信号中载波信号的幅度;ma为调制度, 在本模块设计宽带模拟乘法器AD834及必要的外围器件实现, 载波由IN1端输入, 调制信号由IN2端输入, X1、Y2端为交流地电位。外接W1组成Y通道馈通调节电路。调节W1可改变Y1、Y2的直流电位实现AM波或DSB波。宽带模拟乘法器AD834输出端经LC双端变单端送入T1放大输出[5]。
1.2.2 频率调制模块
调频就是用调制信号x去控制高频载波信号的频率。常用的是线性调频, 即让调频信号的频率按调制信号x的线性函数变化。调频信号us的一般表达式可写为
us=Umcos (ωc+max) t (8)
式中, ωc为载波信号的角频率;Um为调频信号中载波信号的幅度;ma为调制度, 在本设计中, 正弦波256级量化后每一级所对应频偏值写入ROM, 然后由8位高速A/DTLC5510将1kHz基波值读入, 读入数值作为ROM的输入地址, 读出值与要求的载波频率相加后作为频率字输出到DDS模块, 最终产生FM信号。
1.3 红外遥控模块设计
红外键盘遥控系统由发射和接收两大部分组成:发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。本模块设计采用主控和从控两个单片机实现。红外遥控系统通过从控单片机系统解码后, 由FPGA以总线方式提供给主控单片机系统, 并由FPGA给主控单片机系统提供中断。这样极大地节省了主控单片机的系统开销, 这样大大节省了主控单片机的资源, 并且使主控单片机实现了与82C79键盘共同操作系统。
1.4 FPGA与主单片机通信
微控制器与大规模的可编程逻辑器件有着很强的互补性。前者性价比高、功能灵活、易于人机交互且又有良好的数据处理能力;后者则具有高速、高可靠以及开发便捷、规范等特点。此两类器件相结合的电路结构可以大幅提高系统的性能和设计的灵活性。本设计选择了Altera公司的FPGA器件EP1C3T144C8与单片机相搭配, 在FPGA里构建了与单片机的模拟总线接口, 作为之间数据交换的“通道”, 如图5所示。
2 软件设计
软件设计基于RTX51嵌入式系统[6]。RTX51是应用于MCU的一种多任务实时操作系统 (Real Time Operation System) 。支持任务按时间片循环任务调度和任务间的信号传递, 并且可以并行地利用中断。应用在微控制器上, 可大大提高系统的执行效率和实时性。
FPGA系统采用硬件描述语言VHDL按模块化方式进行设计, 通过Quartus II8.0软件开发平台对设计文件自动完成逻辑编译、逻辑化简、综合及优化、逻辑布局布线、逻辑仿真, 最后对FPGA芯片进行编程, 实现系统的设计要求。硬件使用Altera公司的Cyclone EP1C3T144C8。其程序主流程图如图6所示。
3 系统测试与分析
系统测试采用双通道数字示波器、数字频率计GFC—8131H;系统存在的误差主要为相位量化误差, 波形是通过一系列有限的离散采样点表示的, 这就不可避免地引入了相位量化误差, 增加采样点数可以减小这种误差。本文在一个周期内取了256个采样点, 这样就大大减少了误差, 使其在允许的范围内。
4 结束语
FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。它采用高速CHMOS工艺, 功耗低, 可以与CMOS、TTL电平兼容, 本文采用FPGA技术实现的正弦函数发生器具有红外遥控输入, 键盘输入, 能输出频率范围的1kHz～10MHz的正弦波, 能产生幅度调制 (AM) 信号, 频率调制 (FM) 信号。具有比较强的实用价值。
摘要：以微控制器和FPGA为核心, 基于RTX51编写软件系统, 结合必要的外围电路, 完成正弦信号发生器的设计, 该系统由红外控制模块、键盘输入模块、LCD显示模块, 直接数字频率合成模块, 信号调制模块组成, 根据输入的频率字, 能自动产生1kHz10MHz的正弦波, 实现了幅度调制 (AM) , 频率调制 (FM) 以及二进制信号PSK、ASK等功能。
关键词：现场可编程门阵列,微控制器,直接数字频率合成
参考文献
[1]纪宗南.单片机外围器件实用手册——输入通道器件手册[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2002.
[2]曹龙汉.MCS-51单片机原理与应用[M].重庆:重庆出版社, 2004.
[3]黄智伟.FPGA系统设计与实践[M].北京:电子工业出版社, 2004.
[4]潘松, 黄继业.EDA技术实用教程[M].2版.北京:科学出版社, 2005.
[5]邵时.数字电路设计与实践[M].上海:华东大学出版社, 2003.
函数信号发生器设计 第2篇
⑴ 设计并制作能产生正弦波、矩形波（方波）和三角波（锯齿波）的函数发生器，本信号发生器可以考虑用专用集成芯片（如5G8038等）为核心实现。⑵ 信号频率范围： 1Hz∽100kHz；
⑶ 频率控制方式：
① 手控通过改变RC参数实现；
② 键控通过改变控制电压实现；
③ 为能方便地实现频率调节，建议将频率分档；
⑷ 输出波形要求
① 方波上升沿和下降沿时间不得超过200nS，占空比在48%∽50%之间；② 非线性误差≤2%；
③ 正弦波谐波失真度≤2%；
⑸ 输出信号幅度范围：0∽20V；
⑹ 信号源输出阻抗：≤1Ω；
⑺ 应具有输出过载保护功能；
胃溃疡发生癌变时有哪些信号 第3篇
一、胃溃疡患者原来使用某种药物进行治疗时，效果明显，却突然出现了效果不佳或无效的情况。
二、胃溃疡患者平时出现的规律性腹痛（多为饭后疼痛）突然消失，转而出现了持续性无规则的腹痛。
三、胃溃疡患者出现了劳累、疲惫、乏力和食欲减退等症状，同时伴有消化不良性腹泻。这种消化不良性腹泻可在其进食肉类食物后明显加重。
四、胃溃疡患者的全身状况在短期内发生了急剧恶化，出现了营养不良、消瘦、贫血和顽固性呕吐等症状。
五、胃溃疡患者出现了原因不明的低热（一般在38摄氏度以下），同时伴有大便隐性出血（便潜血试验呈阳性）。这两种症状可持续1～2个月。
六、胃溃疡患者出现了上腹部不适和饱胀感（或在其上腹部扪及到包块），同时伴有左锁骨上淋巴结肿大等症状。
多信号的合成信号发生器系统设计 第4篇
信号发生器经历了自由振荡、频率运算、数字合成 (DDS) 等阶段。本合成函数信号发生器是基于DDS技术实现的。主要实现正弦波、方波、脉冲波、三角波、锯齿波信号输出, 和AM, FM, FSK, BPSK等调制信号输出。正弦信号由DDS芯片直接产生, 其它波形通过计数后送DA输出产生。AM信号采用在DDS的输出DA的参考上叠加调制信号的方式产生。FM信号通过改变DDS参考时钟的频率来实现调频。FSK, BPSK等数字调制使用DDS内部功能实现。
选用16*2的字符点阵LCD屏作为系统信息和用户输入信息显示。输入采用5*7的矩正式键盘。采用RS232串行通讯协议和PC通讯以实现上位机远控。拥有存储调用仪器工作状态的功能。处理器选用功能扩展的51系列单片机。
正弦信号产生的核心芯片采用AD公司的AD9852, 该芯片具有48位相位累加器, 最高300M采样频率, 可以实现1uHz频率分辨率。嵌入FSK, BPSK等数字调制功能, 内部集成了高速比较器和12位高速DA。很适合在数字系统中作为信号产生部件使用。方波信号通过将正弦信号送入AD9852的内部比较器获得, 其它波形通过将获得的方波信号送入计数器, 将计数器输出作为AD9852的内部DA输入, 通过改变计数器模式获得不同的函数波形, 改变方波频率即可实现不同的函数波形频率。
2、系统整体设计
系统主要由处理器相关部分、人机交互部分 (显示、键盘) 、信号发生部分、调制部分、放大器部分、系统软件部分。其中处理器相关部分主要实现对DDS芯片、DA、LCD显示屏、RS232通讯电路、键盘数据读取等功能。信号发生部分主体为DDS芯片和波形管理电路 (CPLD) , 实现正弦、方波、三角、锯齿波的输出。调制部分包括数字调制和模拟调制, 其中FSK、BPSK使用DDS芯片的附属调制功能实现。放大器部分由前置放大和功率放大两部分组成。系统软件由C语言编写, 嵌入在处理器芯片中。本文着重对系统软件部分和处理器相关电路部分进行深入讨论。系统框图如图1:
2.1 硬件部分设计
2.1.1 单片机相关电路设计方案
同处理器相连接的相关电路通过8位总线方式相连接。系统中使用了一片CPLD (LC4128V) 作为波形管理和译码等功能使用, 通过分配不同的地址空间使所有外设分享64K地址空间。
2.1.2 外部扩展RAM部分电路设计
由于系统需要存储大量的显示信息, 如频率参数, 幅度参数, 调制状态信息, 输出波形等。同时大量运算过程的中间信息也需要保存。W78E58系列单片机的内部128字节的和另外扩展的128字节RAM已经不能满足要求, 同时考虑到其它外设地址的分配, 我们扩展了一片32K容量的RAM。为其分配0X0000到0X7FFF的地址空间。具体连接如图2:
51系列单片机的低端地址和数据位为分时复用关系, 所以在使用外部存储器件时必须对低8位地址锁存。74HC373为锁存器, 用来锁存低端地址。W24258为32K静态RAM。其中D0~D7同单片机的P0口连接, ALE为地址锁存信号, A8~A14同单片机的P2口连接为高端地址。CS_RAM为RAM的片选信号, 由地址译码电路产生。
2.1.3 显示部分电路设计
显示部分采用外购的16*2的字符点阵LCD屏, 该屏提供标准8位并行数据接口。通过并行接口可以设置工作状态和发送需要显示的信息。所以在硬件连接上只要分配一个并行总线接口即可。具体连接关系如图3:
图中RP1为LCD屏对比度调节电位器。D0~D7同系统数据总线连接。CS_LCD为LCD屏片选信号和地址线A10信号共同构成LCD屏内部寄存器选通信号, 用来设置显示信息和控制信息。
2.1.4 按键部分电路设计
按键部分没有采用传统的总线或直接IO口读写的方式设置键盘矩阵的横向数据的方式。按键部分为一个安装在前面板上的独立结构, 为了减少主板和按键板的连线数量, 采用了串入并出的方式设置矩阵键盘横向数据。分别由SDA, SCL信号产生串行数据和时钟, 通过74HC164实现并行数据输出。矩阵键盘的纵向数据D0~D3分别和单片机的P1.0~P1.3连接实现键盘状态的读取。键盘扫描中断的产生由一外接的50Hz信号触发单片机的外部中断1产生。原理如图4:
2.1.5 幅度和方波占空比控制部分电路设计
采用了AD7528双8位DA分别控制信号输出幅度和设置方波占空比的比较电压。AD7528产生的幅度控制电压送到AD9852的信号输出DA的参考端, 通过改变参考电压实现输出信号幅度的变化。AD7528产生的占空比控制电压送到AD9852内部高速比较器的一端, 比较器的另输入端口接一个正弦信号, 通过改变比较电压从而获得占空比可以调节的脉冲波信号。如图5:
AD7528为8位并行总线连接方式。D0~D7同系统数据总线连接, CS_DA为片选信号, 由系统译码电路生成。DUTY-AMP用来选择DA数据的设置方向。RP4用来调节DA的参考电压, 决定幅度控制电压的大小。
2.1.6 DDS部分电路设计
DDS (AD9852) 部分是仪器的核心, 其主要功能是利用周期性信号相位连续变化的特点, 通过设置相位累加器的不同步进和开始相位从而得到不同的信号频率。通过相位信息提取对应的幅度信息, 然后把幅度信息送到输出DA合成模拟信号。AD9852除了具备基本的DDS功能外, 还整合了高速比较器、输出控制DA、FSK调制、BPSK调制等功能。该芯片还可以选择控制方式, 有串/并行方式供选择。
我们在应用中主要用来生成正弦波, 同时利用其内部的高速比较器生成方波, 通过改变比较器的比较电压实现方波占空比的调整。通过设置芯片内部的寄存器可以实现FSK, BPSK等数字调制模式。调节DDS输出DA的参考电压实现输出波形的幅度控制。同单片机的连接主要是数据总线, A0~A5的低位地址和WR写控制信号。因其同处理器连接部分主要是8位并行总线故不再图示。
2.1.7 串行通讯部分电路设计
仪器通过RS232协议同PC机进行信息交换, 实现远控功能。RS232协议部分已经由单片机固化为内部功能, 我们需要对其电平进行转换。如图6:
图中MAX232为电平转换芯片, 将单片机的TTL逻辑转换为符合RS232协议的电平。RXD, TXD信号分别接到W78E58的串行输入, 串行输出端口。
2.1.8 单片机系统资源分配信息
单片机被设置为总线工作方式, 数据总线分别与LCD显示屏, 外扩RAM, DDS芯片, 幅度控制DA和用来设置控制位的锁存器等外设相连接。通过地址译码电路为上述单元分配地址空间, 生成片选信号。
INT0外接一个50Hz信号, 产生20mS一次的外部中断事件, 用来作为对键盘的定时扫描。INT1接GPIB (仪器专用并行接口) 中断信号, 响应GPIB事件。RXD, TXD分别接外部串行输入输出信号。P1.0~P1.3接键盘矩阵的纵向接口, 用来接收键盘状态。RXD、TXD分别连接MAX232用于串行远程控制功能。
W78E58系列单片机内部自带程序存储器, 所以没有外接程序存储器, 单片机接成内部存储器模式, EA接高电平。
2.2 软件整体流程设计
主程序由系统初始化和一个循环判断工作状态并执行相应服务程序的循环组成。其它服务程序以中断方式触发调用, 如按键扫描、RS232数据接收等。流程图如图7:
初始化函数主要包括处理器工作状态设置、资源分配, 显示屏、DDS等设备初始化。更新显示函数根据用户设置显示输出信号频率、幅度、调制参数、波形等信息。命令解析函数的功能主要是解析通过RS232接收到的远程控制命令从而执行相应操作。按键处理函数通过获取键盘中断扫描函数反馈的键值分别调用功能键处理函数、数字键处理函数。其中功能键处理函数用于分别处理频率、幅度、波形等用户设置参数。
3、结语
本文基于直接数字频率合成技术 (DDS) , 以W78E58单片机和AD9852芯片为核心, 并辅以外围电路, 设计了信号发生器。简单方便、易于操作, 同时能对输出信号进行有效的滤波和放大, 完全能满足一般应用场合的需要, 具有很高的实用价值。
参考文献
[1]李朝青《.单片机原理及接口技术》 (简明修订版) .北京航空航天大学出版社, 2003.
[2]李大友等《.数字电路逻辑设计》.清华大学出版社, 1997.
[3]徐爱钧, 彭秀华《.单片机高级语言C51应用程序设计》.电子工业出版社, 2001.
信号发生器调研报告 第5篇
汤代月 专业班级
通信工程 201 ２级 1 1 班
所在院系
电气工程系
指导教师
鞠艳杰
职称
讲师
所在单位
电子电路教研室
完成日期１ 5 年3
月
１ 3 日
调研报告
信号发生器就是现代电子技术发展得重要成果,又称信号源或振荡器,各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示．能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波得电路被称为函数信号发生器．函数信号发生器在电路实验与设备检测中具有十分广泛得用途，也就是应用最广泛得电子仪器之一。信号发生器就是能提供各种频率、波形与输出电平电信号得设备。在测量各种电信系统或电信设备得振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时,以及测量元器件得特性与参数时，用作测试得信号源或激励源。
信号发生器在测试、研究或调整电子电路及设备时,为测定电路得一些电参量,如测量频率响应、噪声系数,为电压表定度等,都要求提供符合所定技术条件得电信号,以模拟在实际工作中使用得待测设备得激励信号。当要求进行系统得稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知得正弦信号源。当测试系统得瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度与重复周期已知得矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号得参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好得稳定性。有输出指示信号源可以根据输出波形得不同,划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器与随机信号发生器等四大类。
一。
课题得来源及意义近年来由于电子器件得发展以及数字化微处理器技术得发展,信号发生器有了迅速得发展,出现了合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器得性能指标也都有了大幅度提高,据调查得知,在低价格、高时钟频率、高性能得新一代ＤDS 问世后，以后信号发生器得发展不可估量！信号发生器应用己经遍及国民经济得各个领域,深入了人们得日常生活。增加课题应用技术得论述,所以我选择利用 FＰGＡ实现信号发生器得设计 我作为新时代大学生中得一员，在学习了通信工程专业知识后，又加入了ＷNC企业中实习。实物接触应用机会多了，对信号发生器了解日渐加深,我想把理论知识转变为实际运用——完成信号发生器得设计与实现。在实际操作中找到自己不足,学习更全面得知识应用。自六十年代以来,信号发生器迅速得发展，种类繁多，可分为:
1、正弦信号发生器:正弦信号主要用于测量电路与系统得频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器与微波信号发生器；按输出电平可调节范围与稳定度分为简易信号发生器(即信号源）、标准信号发生器(输出功率能准确地衰减到—100 分贝毫瓦以下)与功率信号发生器（输出功率达数十毫瓦以上）；按频率改变得方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器与频率合成式信号发生器等。
２、低频信号发生器：包括音频(２00～20000 赫)与视频(1 赫～1０兆赫)范围得正弦波发生器。主振级一般用 RC 式振荡器,也可用差频振荡器。为便于测试系统得频率特性，要求输出幅频特性平与波形失真小。
３、高频信号发生器：频率为 100 千赫~30 兆赫得高频、３０～３0０兆赫得甚高频信号发生器。一般采用 LC 调谐式振荡器，频率可由调谐电容器得度盘刻度读出。主要用途就是测量各种接收机得技术指标。输出信号可用内部或外加得低频正弦信号调幅或调频,使输出载频电压能够衰减到 1 微伏以下。（图 1)得输出信号电平能准确读数,所加得调幅度或频偏也能用电表读出。此外,仪器还有防止信号泄漏得良好屏蔽。
4、微波信号发生器:从分米波直到毫米波波段得信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔得超高频三极管与反射速调管产生,但有逐渐被微波晶体管、场效应管与耿氏二极管等固体器件取代得趋势。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率,每台可覆盖一个倍频程左右,由腔体耦合出得信号功率一般可达 10 毫瓦以上。简易信号源只要求能加 1000 赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基准电平调节到 1 毫瓦,再从后随衰减器读出信号电平得分贝毫瓦值;还必须有内部或外加矩形脉冲调幅,以便测试雷达等接收机。
5、扫频与程控信号发生器：扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化得信号。在高频与甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件（如变容管或磁芯线圈)来实现扫频振荡；在微波段早期采用电压调谐扫频,用改变返波管螺旋线电极得直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频,以ＹIG 铁氧体小球作微波固体振荡器得调谐回路,用扫描电流控制直流磁场改变小球得谐振频率。扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控与远控等工作方式.6、频率合成式信号发生器：这种发生器得信号不就是由振荡器直接产生,而就是
以高稳定度石英振荡器作为标准频率源,利用频率合成技术形成所需之任意频率得信号,具有与标准频率源相同得频率准确度与稳定度。输出信号频率通常可按十进位数字选择,最高能达 11 位数字得极高分辨力。频率除用手动选择外还可程控与远控,也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波与放大等电路组成,变换频率迅速但电路复杂,最高输出频率只能达 1000 兆赫左右.用得较多得间接式频率合成器就是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器（在环路中同时能实现倍频、分频与混频),使之产生并输出各种所需频率得信号.这种合成器得最高频率可达２6、５吉赫.高稳定度与高分辨力得频率合成器,配上多种调制功能(调幅、调频与调相)，加上放大、稳幅与衰减等电路,便构成一种新型得高性能、可程控得合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。
7、函数发生器:又称波形发生器。它能产生某些特定得周期性时间函数波形（主要就是正弦波、方波、三角波、锯齿波与脉冲波等)信号。频率范围可从几毫赫甚至几微赫得超低频直到几十兆赫。除供通信、仪表与自动控制系统测试用外，还广泛用于其她非电测量领域。图２为产生上述波形得方法之一,将积分电路与某种带有回滞特性得阈值开关电路（如施米特触发器)相连成环路,积分器能将方波积分成三角波.施米特电路又能使三角波上升到某一阈值或下降到另一阈值时发生跃变而形成方波，频率除能随积分器中得ＲC 值得变化而改变外,还能用外加电压控制两个阈值而改变.将三角波另行加到由很多不同偏置二极管组成得整形网络，形成许多不同斜度得折线段，便可形成正弦波．另一种构成方式就是用频率合成器产生正弦波,再对它多次放大、削波而形成方波，再将方波积分成三角波与正、负斜率得锯齿波等。对这些函数发生器得频率都可电控、程控、锁定与扫频，仪器除工作于连续波状态外，还能按键控、门控或触发等方式工作。
8、脉冲信号发生器:产生宽度、幅度与重复频率可调得矩形脉冲得发生器,可用以测试线性系统得瞬态响应,或用模拟信号来测试雷达、多路通信与其她脉冲数字系统得性能.脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级与衰减器等组成。主控振荡器通常为多谐振荡器之类得电路,除能自激振荡外，主要按触发方式工作。通常在外加触发信号之后首先输出一个前置触发脉冲,以便提前触发示波器等观测仪器,然后再经过一段可调节得延迟时间才输出主信号脉
冲,其宽度可以调节.有得能输出成对得主脉冲,有得能分两路分别输出不同延迟得主脉冲.9、随机信号发生器：随机信号发生器分为噪声信号发生器与伪随机信号发生器两类。
1０、噪声信号发生器:完全随机性信号就是在工作频带内具有均匀频谱得白噪声。常用得白噪声发生器主要有:工作于 1000 兆赫以下同轴线系统得饱与二极管式白噪声发生器;用于微波波导系统得气体放电管式白噪声发生器;利用晶体二极管反向电流中噪声得固态噪声源(可工作在 18 吉赫以下整个频段内）等.噪声发生器输出得强度必须已知，通常用其输出噪声功率超过电阻热噪声得分贝数（称为超噪比)或用其噪声温度来表示。噪声信号发生器主要用途就是：①在待测系统中引入一个随机信号,以模拟实际工作条件中得噪声而测定系统得性能;②外加一个已知噪声信号与系统内部噪声相比较以测定噪声系数；③用随机信号代替正弦或脉冲信号,以测试系统得动态特性。例如,用白噪声作为输入信号而测出网络得输出信号与输入信号得互相关函数,便可得到这一网络得冲激响应函数。
1１、伪随机信号发生器:用白噪声信号进行相关函数测量时,若平均测量时间不够长,则会出现统计性误差,这可用伪随机信号来解决。当二进制编码信号得脉冲宽度墹Ｔ足够小，且一个码周期所含墹 T 数 N 很大时,则在低于 fb=１/墹 T 得频带内信号频谱得幅度均匀，称为伪随机信号。只要所取得测量时间等于这种编码信号周期得整数倍，便不会引入统计性误差。二进码信号还能提供相关测量中所需得时间延迟。伪随机编码信号发生器由带有反馈环路得 n 级移位寄存器组成,所产生得码长为 N＝2－1。
二。
国内外发展状况 1、发展史：单片微型计算机简称信号发生器,就是指集成在一块芯片上得计算机，信号发生器得产生与发展与微处理器得产生与发展大体同步自 197１年美国 Inｔｅl 公司首先推出 4 位微处理器以来它得发展到目前为止大致可分为５个阶段:
第 1 阶段（1971~１976):信号发生器发展得初级阶段。发展了各种 4 位信号发生器。
第 2 阶段(1９7６~19８0)：初级 8 位机阶段。以 197６年 Inｔel 公司推出得 MＣＳ—4８系列为代表，采用将 8 位 CＰU、8 位并行 I/O 接口、8 位定时／计数器、RＡM 与 ROＭ等集成于一块半导体芯片上得单片结构，功能上可满足一般工业控制与智能化仪器、仪表等得需要。
第３阶段(1980～1９83)：高性能信号发生器阶段。这一阶段推出得高性 8 位信号发生器普遍带有串行口,有多级中断处理系统,多个 16 位定时器/计数器。片内RAＭ、ROM 得容量加大且寻址范围可达 64KＢ.第4阶段(１９83~80年代末):16位信号发生器阶段.198３年Inte公司又推出了高性能得１６位信号发生器 MＣS—96 系列,网络通信能力有显著提高。
第 5 阶段(90 年代）:信号发生器在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。
2、现状：目前，信号发生器正朝着高性能与多品种方向发展,尤其就是八位信号发生器已成为当前信号发生器中得主流。信号发生器得发展具体体现在如下四个方面:(1)ＣPU 功能增强:CＰU 功能增强主要表现在运算速度与精度得提高方面.为了提高运算速度与精度，信号发生器通常采用布尔处理机与把ＣPU 得字长增加到１6 位或 3２位。例如 MCS—96／98 与 HPCI6040 等信号发生器.（２)内部资源增多：ＲOＭ容量已达 32KB,ＲＡM 数量已达 1KB，并具有掉电保护功能,常用I／O电路有串行与并行I/Ｏ接口,A／Ｄ与Ｄ／A转换器,定时器/计数器,定时输出与信号捕捉输入，系统故障监测与 DMA？通道电路等。
（3）
引脚得多功能化：随着芯片内部功能得增强与资源得丰富,信号发生器所需得引脚数也会相应增加，这就是不可避免得。例如：一个能寻址１MB 存储空间得信号发生器需要 20 条地址线与 8 条数据线。太多得引脚不仅会增加制造时得困难,而且也会使芯片得集成度大为减小。为了减少引脚数量，提高应用灵活性,信号发生器中普遍采用一脚多用得设计方案。
(4)低电压与低功耗:在许多应用场合,信号发生器不仅要有很小得体积,而且还需要较低得工作电压与极小得功耗。因此,信号发生器普遍采用 CHMＯS 工艺,并增加空闲与掉电两种工作方式。
三。
研究内容
本课题要求对信号发生器采用编程语言进行设计实现,并用仿真软件进行验证。可以综合运用前序课程《电力电子技术》、《电子设计自动化(EDA）
》、《通信原理 》等课程中得相关内容，结合图书馆资源完成对整个控制结构得设计，以采用编程语对信号发生器进行设计实现并仿真验证,具有一定得实际意义。
学习相关资料,在掌握工作原理得基础上,运用Ｖｅrilog 数字设计与ＥＤA 知识,完成设计与实现。
四。研究方法及手段
第一，通过查阅资料、自我学习以及向她人请教，掌握概念与基本思路,并在此基础上总结方法。
第二，自我分析,查阅资料提出信号发生器实现得办法； 第三,明确制作类型,选择相应得电位器、电压放大器、衰减器、功率放大器等。
第四，利用ＱｕartｕsⅡ进行编程调试,仿真验证.设计过程中要注意如下几点：
(1）注意理解掌握各种分段方式得异同点。
(2)设计信号发生器时,通过插入死区延迟时间有效地防止逆变器桥臂短路事故得发生。
(3）
震荡现象。
由于 FPGA 得编程软件 QuartusⅡ自身带有一些 IP 核使得编程实现 SVPWM 会相对简单一些，所以要对ＦＰGA 得编程语言 VHＤＬ进行详细得了解并掌握.参考各种相关文献进行学习,掌握其中得要点,结合自己所学,对 SＶPＷM 进行编程设计以及仿真验证，以达到课题要求。
五..毕业设计进度计划
第一周:实习调研,根据题目，查找课题相关资料文献，初步从整体上了解课题。并撰写调研报告。
第二周:学习相关资料,完成并上交不少于 30０0 字得调研报告,学习编程语言VHDL 得语法。
第三周:继续学习相关资料，开始翻译相关得外文文献,学习编程语言ＶＨDL 得语法。
第四周:继续学习相关资料,完成并上交不少于 300０字得与研究内容相关得英文文章翻译,学习编程语言 VHＤＬ得语法.第五周:阅读国内外有关得相关资料并总结信号发生器得特点，学习编程语言 VＨＤL 得语法。
第六周：总结分析信号发生器得工作原理，进行分块总结,确定总体方案。
第七周:阅读资料，理解掌握信号发生器各个分块工作原理，学习编程语言 VＨDL 得语法.第八周：根据总体方案对各个分块进行编程实现，生成分块 IP 核。
第九周：根据总体方案对各个分块进行编程实现,生成分块ＩP 核。
第十周：将各个分块得 IP 核进行综合调试． 第十一周:检查验证最终综合模块得工作情况，进行错误纠正。
第十二周:继续检查修改各个模块得工作情况,并修改错误． 第十三周：完善修改综合程序,进行最终得结果仿真,验证结果，撰写毕业论文提纲,规划论文内容,并开始着手写毕业论文初稿.第十四周:整理材料,文件图标等,完成毕业论文得撰写，交指导教师审查。
第十五周:论文修改,打印，装订成册,并提交。复习各种资料，准备答辩.第十六周:答辩,毕业论文成绩评定.第十七周:整理毕业论文及相关资料，完成成册。
六..主要参考文献
[1] 中国信号发生器行业现状调研分析及市场前景预测报告、报告编号：159A71A [２］ 韩广兴等编著、电子元器件与实用电路基础[M］、电子工业出版社，2005 ［3] 康华光、电子技术基础(模拟部分)[Ｍ]、高等教育出版社，２007 [4］ 康华光、电子技术基础（数字部分）［M］、高等教育出版社，2007 ［５］ 潘松、黄继业、、ＥDＡ技术与 VHDＬ［Ｍ]、清华大学出版社,200５：
３1７—３47 ［６] 李俊、EDA 技术与 VＨＤL 编程 [M]、高等教育出版社,20１2: 47—94 ［７］ 李季、信号发生器发展浅析（上)[J]、电子产品世界、２０0２(1９)［8］ 李季、信号发生器发展浅析(下）[Ｊ］、电子产品世界、2０0２(19）
［9] 张兰英、双通道宽带信号发生器得设计[Ｄ]、哈尔滨理工大学 20１0 ［1０］ Pong Ｐ、Ｃhu、FPGA Pｒｏtotypiｎｇ by VHDL Ｅxamplｅs、Ｗiｌeｙ-inteｒsciｅnｃｅ，20０8：
56—63
信号源发生器 第6篇
贫血是肿瘤病人如妇科肿瘤、肺癌、胃肠道肿瘤等最常见的合并症之一。其发生与病人的年龄、肿瘤的类型、肿瘤的分期和是否合并感染等因素有关。另外，贫血还常发生于大多数接受放、化疗的病人。
贫血对全身各器官的功能都会产生不利影响，进而导致各种生理和病理改变。而疲劳则是病人最常见最主要的感觉。一般人因为劳累所产生的疲劳在充分休息后可满意缓解，而肿瘤性疲劳无论是休息还是睡眠都难以恢复，还有一部分病人合并有恶心呕吐。有些病人还表现在学习注意力不集中，工作效力下降，情感淡薄，夫妻生活情趣减退等。因此，对于突如其来，又找不到原因的疲劳要警惕肿瘤的可能。
在肿瘤病人，贫血除对病人生活质量有影响外，对肿瘤治疗也是不利的。因为在少氧状态下，肿瘤细胞可以发生基因组的点突变、基因扩增、染色体异常以及多倍体形成，使基因组的不稳定性增加，形成新的基因突变体，加之其他原因导致肿瘤进展。还有缺氧还可以引起DNA修复酶和多药耐药蛋白表达增加，使肿瘤细胞对放射线、某些化疗药物以及光动力学治疗产生抗拒，导致肿瘤的复发转移。
信号发生仪教具设计 第7篇
现有的信号发生仪只是作为一种信号源来使用, 而对于高校具体实践教学来说并不能真正达到教与学的目的。其缺点有三个:1) 外观封装比较严实, 对于初学者来说人为的增加了认识难度;2) 现有的信号发生仪侧重输出结果, 内部电路大多采用昂贵的集成块来代替分立元件, 这对于初学发生器电路者理解电路原理增加了很大的难度;3) 现有的信号发生仪只能通过外部的按键来改变输出信号的频率或者幅值, 对于初学者来说并不能直观的观察到那些参数的改变可以调整输出波形的频率和幅值。为了克服上述现有技术不足, 本文的主要目的是提供一种信号发生仪教具, 具有结构简单、操作简单, 使用方便, 经济实惠的特点。
1 设计思路
此信号发生仪教具针对以上的问题, 做了如下几个方面的设计改进:1) 外观采用有机玻璃或者透明硬塑料制成, 可以帮助初学者直观的认识信号发生仪的产生电路、工作原理及输出结果;2) 信号发生仪的主电路采用最便宜, 最常见的分立元件来制作, 采用这些元器件既减少了信号发生仪的生产成本, 又让初学者了解到每个元器件在电路中所起不同作用, 达到实践教学的真正目的;3) 此信号发生仪的部分重要元件用可调部件代替, 这样初学者可以在相同环境下改变电路参数, 观察对输出信号的影响, 达到举一反三的目的。
2 设计原理
信号发生仪教具, 包括有壳体, 壳体底部设有PCB元件板, PCB元件板上设有控制电路, 控制电路通过电源电路与壳体的背部的开关相连;壳体的前部设有正弦按钮、方波按钮和三角波按钮, 分别与控制电路相连;壳体前部还设有频率和幅值参数调整旋钮。
2.1 系统设计
采用RC正弦波振荡电路、电压比较器、积分电路共同组成的正弦波—方波—三角波函数发生器的设计方法。先通过RC正弦波振荡电路产生正弦波, 再通过电压比较器产生方波, 最后通过积分电路形成三角波。文氏桥振荡器产生正弦波输出, 其特点是采用RC串并联网络作为选频和反馈网络, 其振荡频率f=1/2πRC.改变RC的值, 可得到不同的频率正弦波信号输出。用集成运放构成电压比较器, 将正弦波变换成方波输出。用运放构成积分电路, 将方波信号变换成三角波。
2.2 单元电路设计
2.2.1 正弦波产生电路
正弦波由RC桥式振荡电路, 即文氏桥振荡电路产生。文氏桥振荡器具有电路简单、易起振、频率可调等特点而大量应用于低频振荡电路。正弦波振荡电路由一个放大器和一个带有选频功能的正反馈网络组成。其振荡平衡的条件是AF=1以及ψa+ψf=2nπ。其中A为放大电路的放大倍数, F为反馈系数。振荡开始时, 信号非常弱, 为了使振荡建立起来, 应该使AF略大于1。
放大电路应具有尽可能大的输入电阻和尽可能小的输出电阻以减少放大电路对选频特性的影响, 使振荡频率几乎仅决定于选频网络, 因此通常选用引入电压串联负反馈的放大电路。正反馈网络的反馈电压Uf是同相比例运算电路的输入电压, 因而要把同相比例运算电路作为整体看成电路放大电路, 它的比例系数是电压放大倍数, 根据起振条件和幅值平衡条件有Av=1+Rf/R1≧3, 且振荡产生正弦波频率f0=1/2ΠRc。D1、D2的作用是, 当Vo1幅值很小时, 二极管D1、D2接近开路, 近似有Rf=9.1K+2.7K=11.8K, , Av=1+Rf/R1=3.3>=3, 有利于起振;反之当Vo的幅值较大时, D1或D2导通, Rf减小, Av随之下降, Vo1幅值趋于稳定。
利用RC桥式震荡电路产生正弦波, 其中的RC串并联支路构成正反馈支路, 同时兼并选频网络, 电阻R2, R5, 以及热敏电阻构成负反馈支路并且稳幅。调节电位器R2, 可以改变负反馈深度, 以便于满足震荡的振幅条件和改变波形。
2.2.2 方波产生电路
正弦信号输入, 经过迟滞比较器后输出方波。电路工作原理:运放同相端接基准电压, 即U+=0, 反相端输入电压Uo1, 负向输入端电阻为平衡电阻。输入电压在阈值电压附近的任何微小变化, 都将引起输出电压的跃变, 单限比较器虽然灵敏, 但是抗干扰能力比较弱, 滞回比较器具有滞回特性, 既具有惯性, 因而具有一定的抗干扰能力, 所以我们在此选择滞回比较器产生方波。当输入为正弦波时, 产生的是方波, 其中稳压管的作用是限幅。
2.2.3 三角波产生电路
利用积分产生三角波, 从矩形波产生电路中的电容器上的输出电压, 可得到一个近似的三角波信号。由于它不是恒流充电, 随时间t的增加uc上升, 而充电电流i随时间而下降, 因此uc输出的三角波线性较差。此电路通过保证电容器恒流充放电, 用集成运放组成的积分电路代替RC积分电路提高了三角波的线性。
3 设计实现
第一部分控制电路的组成:正弦波、方波和三角波发生器电路组成信号发生仪的核心控制器件。第一级正弦波输出采用RC桥式正弦波振荡器电路来完成, 接线是PCB元件板上的正弦信号输出端与壳体的正弦波接线旋钮相连;第二级方波输出采用滞回比较器电路来完成, 接线是PCB元件板上的方波信号输出端与壳体的方波接线旋钮相连;第三级三角波输出采用积分电路来完成, 接线是PCB元件板上的三角波信号输出端) 与壳体的三角波接线旋钮相连。
第二部分控制电路的组成:RW2负责调整波形的幅值和整个电路的起振, PCB元件板上的RW2调整端与壳体的幅值调整旋钮相连, RW2负责调整波形的频率, PCB元件板上的RW2调整端与壳体的频率调整旋钮相连。
第三部分电源电路包括变压器电路、桥式整流电路、电容滤波电路、三端稳压电路。变压器电路主要是由~220V-~9V降压来完成。具体接线端是变压器的~220V输入接线端通过开关与电源的接线端相连;桥式整流电路采用采用RS508来实现, 输入端与变压器的输出端相连;滤波电路采用电解电容和瓷片电容结合来实现, 输入端与RS508输出端相连;稳压电路主要采用有固定输出的三端稳压器LM7805和LM7905来实现。最终电源的+5V输出端分别于PCB板的两个集成电路LM358的8号管脚相连, 电源的-5V输出端分别于PCB板的两个集成电路LM358的4号管脚相连。
参考文献
[1]童诗白, 华成英.模拟电子技术基础[M].高等教育出版社, 2006.5
数显函数信号发生器 第8篇
1 系统概述
在现代电子学中, 函数发生器的实现方法有很多种, 本设计以单片集成芯片MAX038为核心, 利用单片机AT89C51检测其输出波形的频率、利用数码管LED显示频率值、键盘控制输出波形方式来设计函数发生器。
2 设计要求及方案选择
2.1 设计任务和要求。设计一个能产生正弦波、方波、三角波的函数信号发生器。主要性能指标: (1) 输出电压范围:0~10V; (2) 输出频率范围:20Hz~5MHz; (3) 显示位数:5位LED显示。
2.2 方案论证
方案一:存储器+数/模变换。利用数/模变换技术的多波形发生器。由EPROM (如, EPROM2716) 存储各种常用波形的二进制代码 (8位) , 每个波形代码占用256个字节 (1页) , 一块芯片可以存储8种常用波形的代码。有拨码开关实现对EPROM的页的寻址并确定输出波形的种类。再有二进制计数器 (如, 74LS393) 实现对EPROM的页内寻址, 计数器的计数速度决定了输出波形的速率, 调节电位器的阻值, 由V/F转换器 (如, AD537) 输出脉冲频率发生变化, 改变了计数器的计数速度从而调节输出波形的频率。D/A转换器将数字化的波形代码转换成模拟量, 通过放大器输出, 用电位器调节D/A转换器的Vref的电压实现对输出波形幅值的改变。
方案二:利用函数发生芯片ICL8038。利用微处理器函数发生器ICL8038, 也能够方便地发生频率 (0.001~300k Hz) 可变的正弦波、方波、三角涉及完成数控频率调整。可是, 其输出频率的安稳度低, 频率的步长操控难以达到抱负的成果, 更难以实现三种波形的叠加。
方案三:利用单片机与数/模转换结合, 实现频率可调、幅度稳定的函数发生器。利用单片机AT89C51与数/模转换芯片DAC0832相结合组成信号发生器, 频率调节采用软件延时, 也可以利用硬件的方法实现;幅值的变化可采用电阻网络或利用DAC0832内部的电阻网络实现。
方案四:利用单片机与函数发生专用芯片实现数显函数发生器。用单片机AT89C51与函数发生专用芯片MAX038组成。该信号发生器主振选用MAX038型高频精细函数信号发生器专用集成块, 单片机AT89C51控制波形输出类型、测量频率并显示输出频率。通过键盘改变输出波形, 单片机、迟滞对比器、前端计数器、数码管LED显现等构成精密频率计, 显示输出信号的频率。
2.3 方案比较。
从以上方案设计论证, 方案一运用集成化的元器件, 元件少, 电路工作可靠性较高, 精度也较高, 能输出的多种波形的频率和幅值也易于调节, 但工作频率不高, 不能满足设计的要求;方案二函数信号发生芯片ICL8038输出波形的频率较低, 它能作为低频信号发生器的信号源;方案三与方案二有一个相同点就是工作频率低, 但方案三可以作为优越的低频信号发生器, 其幅度与精度也能满足实际需要的低频信号源;方案四是一种宽频信号发生器设计方案, 其频率范围在2~20MHz变化, 在输出波形、信号幅度上, 均可满足设计的要求, 硬件、软件上稍微有点复杂, 但性能较好, 精度较高。经过以上比较, 方案四能精确的满足我们设计的要求, 为此本设计采取此方案。
2.4 总体方案确定。
本系统设计方案选用方案四, 函数发生器主振采用MAX038型高频精密函数信号发生器专用集成块, 经驱动和幅度控制电路输出, 通过键盘改动输出波形, 计数器、迟滞对比器、单片机、LED显现等构成精密频率计, 显现信号源的输出频率。
3 硬件设计
3.1 波形产生电路。
为了满足设计的要求, 我使用了专用的波形产生器件MAX038。
3.1.1 MAX038简介。
MAX038是Maxim公司出产的一种高速函数发生器, 工作频率规模为0.1Hz~20MHz, 扫频规模可达350倍。MAX038运用±5V的电源, 输出起伏为2V (p-p) , 输出阻抗的典型值为0.1, 可直接驱动100的负载。振荡频率由COSC引脚的电容量和IIN引脚的电流决定。输出信号的频率由流入引脚IIN的电流IIN、电容CF及引脚FADJ上的电压VFADJ决定的。它能产生正弦波、方波和三角波, 可利用地址线A0和A1的不同编码选择所要输出的波形
3.1.2 应用电路。
根据以上对MAX038性能分析, 其输出波形均满足本设计的要求, 为此, MAX038独自承当了函数信号输出的功能, 经过外部的电阻和电容的调理, 完结特定频率和幅值的信号输出。
3.2 输出驱动电路。
由于MAX038的输出信号为稳定的2V (p-p) , 且输出电流不高, 所以必须在输出级最少有一级的扩大电路来供给满意的输出电压和电流, 以满意通常使用需求。输出扩大电路是本信号发生器研制中首要的难点之一。由于输出信号最大基频为20MHz, 其三角波和矩形波的高次谐波成分很高, 所以要得到不失真的输出波形, 首要需求扩大器具有很高的频宽。其次, 高频大信号扩大需求扩大器有满意的输出电压变换速率, 在正弦波的情况下, 扩大器所需求的最大摆率Sr=2ωA=2лf A, 其间ω为信号的角频率、A为信号的幅值、f为频率。别的要带动低阻负载, 扩大器的电流输出才能也是个重要参数, 要在100负载上输出6V信号, 则扩大器最少要有60m A的连续电流输出才能。鉴于以上几点, 我们挑选AD公司的高速运放AD811作为输出扩大器, 它是一个宽带高速电流反馈型运算扩大器, 其各项参数非常适合上述需求:小信号带宽 (G=+2时) 达120MHz, 电压摆率Sr为2500V/μs, 全谐波失真THD为-74d B (10MHz) , 输出电流达100m A, 其短路输出电流可达150m A。
参考文献
信号发生器自动检定系统 第9篇
针对信号发生器具有频率范围宽、分辨率高、输出动态范围大、准确度高、平坦度好、频谱纯度高、调制能力强等特点,且国内普遍采用手动的测量方法对信号发生器进行检定,测量费时费力,本文设计开发了信号发生器自动检定系统。文中详细介绍了系统软硬件的设计方法;信号发生器和系统的自动控制问题的解决方案;面向多型号仪器、多参数测量、标准仪器可替换性的实现;采用程控开关单次连接实现全部参数的自动测量;采用误差理论和计算机自动修正技术,确保测量准确度;数据库的采用使系统具有较好的自动化、智能化水平。
1 系统设计概述
信号发生器自动检定系统采用计算机控制,实现对多型号信号发生器的自动检定。该自动系统组成如图1所示,系统通过加配HP3488程控开关来自动切换时基信号和射频信号,使该系统通过一次或两次连接就能实现多种参数的全自动测量。图1中以个人计算机作为系统控者,它内部配备了GPIB接口卡且具有面向GPIB测量的专用软件和高级语言接口,在Windows 98/2000/XP环境下采用虚拟仪器语言LabWindows/CVI 作为开发平台,联调被检的信号发生器(多种型号)、Agilent53132/53152频率计、HP436A功率计(HP8481A/HP8482A/HP11792A功率探头)、HP8902ATS测量接收机系统(HP11722/HP11792功率传感器;HP11793A微波变频器;HP83732B本振信号发生器)、HP8903B音频分析仪、HP8563EC/AgilentE4440A频谱分析仪、HP81110脉冲信号发生器、HP54750A取样示波器及HP3488程控开关,实现信号发生器多参数的自动测试。测试参数主要包括:
1)频率准确度(同时基);
2)内晶振频率准确度(不同时基);
3)RF电平准确度;
4)低RF电平准确度;
5)RF电平平坦度;
6)最大稳幅功率电平;
7)谐波失真;
8)非谐波失真;
9)单边带相位噪声;
10)内调幅准确度;
11)内调幅失真;
12)内调频准确度;
13)内调频失真;
14)内调相准确度;
15)内调相失真;
16)直流调频频率偏差;
17)脉冲调制开关比(外脉冲);
18)脉冲上升/下降时间;
19)频率准确度(不同时基)。
目前使用该系统进行自动检定的信号发生器已有四十多种,主要包括: HP8656/57系列、HP83731/32/11/12系列、AgilentE442X系列、R&S的SMR系列和SML系列等。
2 系统关键功能的实现
2.1 系统的同步控制
实现信号发生器自动检定的一个关键就是实现系统的同步控制。为了获得正确的测量结果,必须保证系统同步工作,这要求除了正确处理好测量方法外,还要在实践中研究摸索正确的程控命令发送序列。一方面充分利用仪器自身的同步、触发、等待等命令,另一方面利用高级语言的功能来实现对仪器状态的判断及等待,使系统在计算机控制下有序地进行命令、数据的传递和交换,而不发生冲突混乱,同时还可最大效率地实现仪器的功能。
同时在调试联试中发现,有些内部固化的仪器命令和程序存在缺陷,使指令的响应产生错误。如:当一次扫描并没有完成时,计算机误以为完成并继续下面的工作而产生错误。我们采取两种方法来解决此问题。一种是当计算机产生故障后,在出故障的地方让计算机延时等待,以使整套系统同步工作。这种方法带来的问题是不能确定等待时间的长短,更不能有效防止类似问题的发生;另一种是在不断的实验过程中发现,在一些命令的发送之后就进行状态的读取,换句话说就是让系统在收发命令、送取数据的过程中实现动态平衡,是解决系统同步问题非常有效的办法。程控的最大特点就是快速,但要在确保准确度的前提下进行。例如:功率计在触发读数以后,数据有一响应稳定的过程,计算机无法自动判断,这样就会带来测量误差。所以在程序中采用循环加判断,即计算机两次采样读数的差值在0.01 dB之间,认为功率计已经稳定,此时计算机可以读取数据,以保证数据准确可靠地传输。又如:我们在用8902接收机测量电平准确度时可用人为监控的方法来保证系统正确的校准。
2.2 系统的兼容性
系统的兼容性主要包括三方面的含义。从系统的服务对象来讲,主要指被检信号发生器的多型号;从系统完成的功能考虑,主要指信号发生器多参数的性能检测。从系统组成来讲,主要指标准仪器的可替换性。系统的兼容性是由软件的辅助设计来保证实施的。
2.2.1 多型号
在软件设计过程中最主要、最直接的问题就是多型号。
虽然现代信号发生器都带有GPIB接口,这使得利用自动化测试技术实现信号发生器的自动检定成为可能,但是不同厂家生产的信号发生器,甚至于同一厂家生产的不同型号的信号发生器,其内部固化的仪器命令不尽相同,而且数据处理的方法和途径也不同。虽然目前国际上多数仪器生产厂家均约定采用SCPI标准格式的程控指令,即使这样,由于某些功能的SCPI格式允许有多种表示,而一些厂家的命令在设计时只支持一种,所以还不能真正统一,给用同一个程序控制不同型号仪器的自动检定带来麻烦。程控命令的不同导致不同仪器的控制采用不同的命令字符串,我们采用统一各型号仪器命令的方法,建立信号发生器程控仪器命令库来统一指挥,授命各型号仪器。当新增新型号信号发生器时,程序能自动生成信号发生器程控仪器命令库,缺省命令为符合SCPI标准格式的程控指令。经过修改确认后提交系统,系统将自动建立该型号仪器的程控命令与统一仪器命令的对应关系。
2.2.2 多参数
在参数测量方面,系统建立了完整的参数数据库,包括:频率准确度(同时基)、内晶振频率准确度(不同时基)、RF电平准确度、低RF电平准确度、RF电平平坦度、最大稳幅功率电平、谐波失真、非谐波失真、单边带相位噪声、调幅(1)准确度、调幅(1)失真、调幅(2)准确度、调幅(2)失真、调频(1)准确度、调频(1)失真、调频(2)准确度、调频(2)失真、调相(1)准确度、调相(1)失真、调相(2)准确度、调相(2)失真、直流调频频率偏差、脉冲调制开关比(外脉冲)、脉冲上升/下降时间、频率准确度(不同时基)。不同型号的信号发生器性能不同,在测量范围和测量准确度方面存在着较大的差别。我们根据具体的指标要求,以相同的格式,不同的测量数据来构成26个测量参数的数据库。同时,被测信号发生器测试项目由信号发生器型号和选型决定。考虑到不同选型对参数的影响,建立了不同型号信号发生器选型对参数影响对照表。对照表中选型对参数的影响分为增加功能和改善指标两类,增加功能的选型影响被测信号发生器测试项目,改善指标的选型则改变测试项目的指标而不影响测试项目。考虑到不同选型对同一参数的影响,采取了型号带选型作为新仪器型号建立指标数据库。如SMR20信号发生器中B11选型,既增加功能又改善指标,在实现过程中,分别建立了SMR20和SMR20(B11)的指标数据库。而其他选型则在指标数据库内部实现。同时我们还建立了型号(全选型)和测量参数的对照表。系统可以由程序自动识别仪器的型号(选型),并选择合适的参数数据库进行自动测量。完备构思的参数数据库的有效建立,真正实现了数据控制的动态管理。
同时,在测量过程中发现,对不同指标要求的仪器的同一个参数进行测量,如果采用相同的测量方法会对测量速度和测量结果准确性产生影响。我们采用定义关键参数,采取不同的测量方法来解决这个问题。这样既保证了测量准确度,又不影响测量速度。
2.2.3 标准仪器的可替换性
系统软件面向测量接收机、音频分析仪、信号发生器、微波变频器、功率计、频谱分析仪、开关矩阵(可选)、频率计、脉冲信号发生器、数字示波器等标准仪器,对它们的控制和编程均用了模块化设计,为方便地选择标准仪器提供了前提条件。本系统通过建立统一的频率计、频谱分析仪、本振信号源的程控命令库,实现了标准仪器的可替换性。例如:频率计53132/53152的可替换性、频谱分析仪8563/E4440的可替换性、本振信号源83732/SMR20/83620的可替换性。
对于一些复杂功能,我们利用基本指令获得数据结果,由计算机进行数据处理,建立统一的数学模型,获得该功能的数据结果。总之,系统兼容性的设计使得具有不同程控命令的新仪器,只要输入简单的命令就可以进入系统进行测试。统一的程控命令库和数学模型实现了同一程序对多种型号仪器的控制,且程序结构开放。
2.3 自动信号处理和误差修正,提高测量准确度
该系统将测量理论与计算机技术相结合,通过计算机对采集的数据进行分析和处理,使测量速度更快,并确保了测量准确度。
HP436A功率计是测量功率电平准确度、平坦度指标的标准仪器,与其配套使用的功率探头有:HP8481A、HP8482A、HP11792A。HP436A功率计在自动状态下的测量值是校准因子为100%时的读数,由校准因子带来的测量误差须通过计算机进行修正。本文系统的程序中有对应探头型号、序号的校准因子建立、查看、修改表,表中根据定义的频率填写校准因子。根据该表数据,计算机按以下公式计算任一频率处的校准因子,并修正功率计的读数。这样可以获得更高的测量准确度。
频率为f2<f<f1时校准因子计算公式为
factor(f)=factor(f1)+
HP436A功率计的读数修正公式为
信号发生器自动检定系统中增加了HP3488A开关矩阵、适配器及电缆,完成信号发生器多性能技术参数单次(二次)连接的全自动测量。这必然引入HP3488A开关矩阵、适配器及电缆在不同频率响应时的插入损耗,因此影响信号发生器幅度特性的测量。系统在100 kHz～18 GHz频率范围选取测量频率点(最大频率间隔200 MHz),HP436A功率计在定义的频率处,分别测量信号源和信号源加HP3488A开关矩阵、适配器、电缆的功率电平A1和A2,则该频率点的插入损耗的修正为δ=A1-A2。整个过程均在计算机的控制下自动完成。
程控开关通路任意频率处插入损耗的修正方法参照修正功率计校正因子的方法。
频率为f2<f<f1时误差修正值δ计算公式为
功率计或测量接收机的读数修正公式为
同时,在进行小信号测量时,采用多次测量取平均的方法来减少噪声对测量的影响。
2.4 单次或两次连接实现信号发生器的全自动检定
为实现系统单次或两次连接完成信号发生器的自动检定,必须在系统中加配程控开关。本文采用HP3488程控开关,其中用四个44476开关切换RF信号(如图2所示),用一个44472开关切换时基参考信号。同时设计了射频信号的转接板,并采用音频信号的转接板实现系统的连接。
射频信号的切换包括:被测量信号发生器的输出、功率计输入、接收机输入、频谱分析仪输入、频率计输入、取样示波器输入。
时基信号的切换包括:被检信号发生器时基输出、频谱分析仪时基输入、频率计时基输入、频率计的信号输入。
此外该系统实现了更广义上的全自动测量:一方面指实现面向多型号多参数的自动测量(单次、二次连接),另一方面指实现被检信号发生器手动、自动、部分参数自动各状态的兼容。
本系统在检定开始以前,可以选择测量方式。系统中有五种测量方式供选择,它们是:“自动+开关”、“自动”、“DUT自动+库手动”、“DUT手动+库自动”、“DUT手动+库手动”,这些功能的选择使该系统能够测量无GPIB接口和GPIB接口功能损坏的信号发生器。本系统还有“用户定义测量参数”的功能,用来满足用户的特殊测量要求,自动建立测量参数,它是测量参数数据库的补充,对工程测量和校准具有特殊意义。
3 系统软件设计
在Windows 98/2000/XP环境下采用虚拟仪器语言LabWindows/CVI 作为开发平台,实现了多型号信号发生器多参数的检测。经过近几年的发展,LabWindows/CVI开发环境已经在仪器开发和系统集成方面发挥了重要作用。它已成为集应用程序开发、测试、查错等功能为一体的集成开发环境,在开发传统的应用测试程序方面,尤其是仪器的系统集成方面有着无比的优越性。同时它能快捷方便地形成各种友好的界面,充分利用链接、嵌入技术和自身数据库开发环境,使得程序功能更丰富。
系统软件设计总框图如图3所示。系统软件由“系统预置”、“检定项目”、“系统功能”、“帮助”四大模块组成。
“系统预置”模块完成信号发生器检定系统检定工作开始前的所有准备工作,包括系统的初始化、系统参数预置、系统功能正常性的检查、测量基本信息的获取等。 “检定项目”模块完成26个项目的检定,通过型号和序号程序自动确定待检项目,用户根据需要可以选择自动或手动等五种测量方法,测量的数据可以自动存取。“系统功能”模块的功能设计使得信号发生器检定系统的功能更强大,自动化、智能化水平更高,完成了各类数据的查询、报告的生成、数据和报告的打印、自动添加新型号的信号发生器、自动添加新型号的标准仪器以及程控开关插损的自动修正和实时验证、系统性能重复性和稳定性的自动验证等。同时系统还编制了“帮助”文件,界面友好,信息齐全,用户只要轻松阅读,就能正确使用该软件的所有功能。
4 应用前景及建议
信号发生器自动检定系统的开发与实现,使得原来两个专业测量工程师一天的工作现在只需一个普通操作人员2小时就能完成,大大节约了测量时间,提高了工作效率,有利于标准仪器及被检仪器的充分利用。其自动的数据处理和误差修正功能,确保了测量准确度;完备的数据查询和管理功能,更方便、可靠地反映了测量结果;齐全的系统功能设计,使系统具有较高的自动化、智能化水平。系统充分考虑软、硬件设计结构开放,使系统具有较强的兼容性、实用性和推广价值。多型号信号发生器自动检定系统的实现,从整体上提高了计测水平、保证了质量。它是同类多型号多参数微波仪器计量开发工作的尝试,对其他仪器的自动检测系统的开发具有普遍的指导意义。
摘要：信号发生器自动检定系统通过系统配置、硬件设计、系统及测量软件的编制和调试、误差分析与处理,实现了频率达到26.5 GHz射频、微波合成信号发生器性能的全自动检定。单次连接可完成频率、功率、调制、频谱纯度、失真等26个参数的全部自动检定,并兼容手动、半自动、全自动的状态;已完成的被检信号发生器的型号有四十余种,且系统可以实时自动添加;系统的标准仪器配置设计结构开放,可方便替换;系统运行高速、准确、可靠。系统良好的兼容性、适应性和实用性,使系统具有较强的推广应用价值。该信号发生器自动检定系统可广泛应用于计量技术机构的信号发生器的自动检定。该系统的建立是计量检定工作的发展方向,同时对射频、微波仪器实现计量检定的自动化有着普遍的指导意义。
关键词：信号发生器,自动,检定
参考文献
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[2]汤世贤.微波测量[M].北京:国防工业出版社,1991.
通用通信干扰信号发生器设计 第10篇
关键词：通信干扰,干扰信号发生器,正交调制,直接数字频率合成系统
0 引言
通信技术的飞速发展, 使得通信设备呈现出品种多、更新快, 具体工作频带窄、总体通信带宽宽, 信号形式复杂、功率大以及信噪比高的特点[1,2,3]。要对现行通信设备实施有效干扰, 要求干扰信号生成系统具有信号覆盖频带宽、频率瞄准精度高、信号生成灵活和编码扫描的能力[4,5]。
1 需求背景
通信干扰技术的发展必然要求多种多样通信干扰信号形式, 如正弦信号、线性调频信号和振幅调制信号等, 传统的分立式干扰信号发生器通常针对特定通信设备产生相应形式的干扰信号, 而随着通信设备功能的多样化, 特别是软件无线电技术的应用, 一种通信设备通常具有多种通信信号形式, 因而干扰系统必须实现多种形式的干扰信号的产生。而按常规方法, 每产生一种干扰信号就需要一个硬件电路, 那么要使干扰系统同时产生几种、十几种通信信号, 其电路将会极其复杂, 工程上难以实现[6] , 且灵活性差, 不可重构。
FPGA (现场可编程门阵列) 既有ASIC (专用集成电路) 的高速处理能力, 又拥有很好的可重构性能, 而且开发成本低, 开发周期短, 非常适于解决上述问题[7]。基于本文提出采用FPGA技术实现通用通信干扰信号发生器的设计, 以实现多种通信干扰信号的高精度、灵活生成。
2 系统方案设计
本文设计的通信干扰信号生成系统主要完成各种信号的基带处理和信号调制功能, 输出各种形式的中频干扰信号, 该系统主要包括正交调制系统及直接数字频率合成系统 (DDS) , 其系统原理框图如图1所示, 其中正交调制系统主要产生线性调频、M-序列调相等各种中频调制信号, 直接数字频率合成系统主要产生单载波信号。
其中, 基带处理功能单元、DDS单元均通过FPGA来设计实现, 另外, 为了提供系统各个部分的工作时钟, 在FPGA内部还设计了PLL时钟管理功能单元, 通过FPGA内置的PLL锁相环接收来自DSP和外部晶振的时钟信号, 通过分频、倍频即可提供系统各个单元所需的时钟信号。
系统的工作流程如下:
① 仪器软件送来的波形控制参数, 将这些参数整理组织成单片机和DSP通信协议规定的数据格式, 形成波形控制命令字。选择需要产生的波形, 按确认进入波形参数设置界面;
② 单片机向DSP请求中断, DSP响应中断请求后, 系统加电, 各个单元初始化, 如单片机、DSP的初始化, FPGA的功能配置;
③ 单片机接收由键盘输入的信号波形控制指令, 或者通过RS232接口接收从微机信号波形监控虚拟接收单片机送来的波形控制命令字;
④ DSP根据波形控制命令字形成对系统各个功能单元的数控指令, 调用信号波形产生子程序控制各个单元产生所需要的波形;
⑤ 信号波形产生单元完成波形产生后, 收集本次工作信息, 整理组织成“当前工作状态信息”发送给单片机, 单片机再把“当前工作状态信息”发送给微机信号波形监控软件, 信号波形监控软件以图形界面显示出“当前工作状态信息”, 作为用户调整控制参数的依据。
3 关键技术
通信干扰信号产生的需要解决的关键技术是正交调制技术和DDS技术, 主要完成各种形式信号的生成。
3.1 正交调制技术
正交调制系统主要由基带处理单元、数字上变频单元及低通滤波单元组成, 基带处理单元通过多个功能模块产生各种不同干扰信号, 输出同相信号I及正交信号Q, 然后通过数字上变频单元将I、Q信号与中频载波进行正交调制, 最后经低通滤波单元进行滤波后输送出去。
基带处理单元主要完成基带信号处理, 产生线性调频、调幅、M-序列调相等多种形式的干扰信号, 输出同相信号支路I与正交信号支路Q。基带处理单元通过FPGA实现[7,8], 针对各种不同干扰信号分别设计相应的功能单元, 其中线性调频、调幅信号设计的数学原理分别如下所示:
I:
Q:
I:
Q:
式中, ω为低中频载波角频率;A为常数, 表示单频或线性调频信号幅度;θ为常数, 表示各种信号的初始相位;u为线性调频信号的扩频因子;T表示线性调频的信号周期;
数字上变频单元采用AD公司出产的数字上变频器AD9856, AD9856接收时钟管理单元输出的时钟, 并在参数控制下产生相应中频载波, 然后对FPGA基带处理单元输出的I、Q支路信号进行正交调制, 完成上变频处理得到中频输出信号, 上述处理过程中正交调制的数学原理如下式所示:
Sig_IF=cos (ω0t) I+sin (ω0t) Q, (3)
式中, Sig_IF为上变频后输出的中频信号;ω0为中频载波频率。
低通滤波单元完成AD9856输出信号的低通滤波, AD9856输出的是已经调制的带通信号, 这里没有采用带通滤波器是因为通过AD9856输出的信号类型多, 带通中心频率不固定, 因此只能统一用一个低通滤波器来代替, 因为AD9856输出信号带宽为0～80 MHz, 因此这里的低通滤波器为84 MHz低通滤波器。
3.2 DDS技术
DDS系统, 主要由DDS单元、D/A转换单元、信号放大和低通滤波单元等组成, DDS单元产生所需波形的数字信号, 经D/A转换得到模拟信号, 再通过增益放大、低通滤波后得到中频输出信号。
DDS单元:用FPGA按照DDS的基本原理和结构设计实现一个信号发生器[9,10]。用FPGA实现DDS系统具有极为方便的控制方式, 只需设计简单的DDS控制逻辑就可以产生各种信号, 并且可以把存放波形量化表的ROM换成可以改写的RAM, 这样通过与RAM的接口可以改变存放在波形RAM中的数据从而实现任意波形发生。
D/A转换和信号放大单元:包括D/A转换芯片AD9754和信号放大器AD8055, 将波形存储器输出数字信号进行D/A转换和信号放大。
低通滤波单元:低通滤波模块设计为55 MHz无源低通滤波器。信号放大器AD8055的输出通过65 MHz低通滤波器平滑滤波后输出模拟信号。
4 实验结果及分析
根据本设计方案开发的通信干扰信号生成系统PCB板如图2所示, 系统采用的FPGA芯片为Altera公司出产的EP2C20产生各种基带信号, 然后通过变频生成不同频率的通信干扰信号。EP2C20为Altera公司推出的CycloneⅡ系列FPGA中的一款中等性能的产品, 具体型号是EP2C20Q240C8。选用的封装为PQFP封装, 为CycloneⅡ系列FPGA中PQFP封装的最高性能芯片[11]。
利用该系统生成的100 kHz、1 MHz正弦信号波形如图3和图4所示, 线性调频、振幅调制信号波形如图5和图6所示。从产生信号的波形图可以看出, 所产生的信号完全按照用户定义的信号形式生成, 灵活性高, 同时, 通过该信号发生器产生的信号幅度、时间偏差较少, 具有较高的精度。
5 结束语
系统以一个通用的数字信号处理平台为支撑, 采用软件化的方式来产生各种通信干扰信号, 每种干扰信号形式都做成相应的软件模块, 要产生某种调制信号只需调用相应的软件模块即可, 可以不断更新干扰模块的软件来适应不断发展的通信体制, 采用该通用通信干扰信号发生器具有相当大的灵活性和开放性。
参考文献
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医用心电信号发生器的设计 第11篇
近年来, 随着医学的进步与科学技术的发展, 人们对疾病的诊治与健康的保障提出了越来越高的要求。心脏是人体重要的器官, 而心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一。据统计, 世界上每年平均有几百万人死于心血管疾病, 心血管疾病是威胁人类生命的主要疾病。全世界死亡人数中, 约有三分之一死于此类疾病, 在我国因心血管疾病而死亡的人数占总死亡人数的44%。可见心脏病己成为危害人类健康的多发病, 常见病, 因此心脏系统疾病的防治和诊断是当今医学界面临的首要问题。
人体的心电信号需要在心电产品上显示出来, 才能观察出人体的心脏功能是否完好。早在1887年法国著名的电生理学家AD Waller就应用Lippman毛细管静电计描记出人类史上第一份心电图, 开创了心电图记录的先河。1903年, 荷兰生物学家莱顿 (Leiden) 大学教授Willem Einthoven发明了世界上第一台采用弦线电流计和光学记录的方法制成的心电图机, 记录出了每个心动周期的心脏变化曲线, 并将其命名为心电图 (Electrocardiograph, ECG) , 于1905年应用到临床, 从而奠定了临床心电学的基础。1911年英国电器工程师杜德尔 (William.du.Bois.Duddell) 根据爱因托芬 (William Einthoven) 的论文设计出第一批推向市场的心电图仪。于是, 人类通过心电产品采集心电信号并显示出波形, 来对人体的心电信号进行研究, 进而通过观察波形来判断人体的心脏功能是否完好。
心电图仪是检查心脏病最基本而又必要的手段, 高质量的心电图 (ECG) 是医生诊断心脏病的得力助手。心电产品在使用的过程中必须满足人们对其性能方面的要求, 保证其测量参数的准确性以及高效和正常的使用。因此, 心电产品在投入使用之前, 要对其性能及各方面参数进行测试, 而心电信号发生器就是应用在心电产品开发的一种测试工具;类似的产品还有心电图仿真器、心电信号模拟发生器等。
目前使用的医用心电信号发生器, 基本是进口的, 价格昂贵。而国内生产的产品由分立元件组成, 其体积大, 功能少, 没有自己的核心技术。
基于此开发设计一款医用心电信号发生器, 不但具备普通心电信号发生器的功能, 而且可以把心电数据中实际人体的信号还原出来, 还可以达到利用标准的心电数据库的心电数据实现不同厂家心电产品的性能对比的目的。
2 心电图简介
心脏是人体中血液循环的动力源泉, 依靠心电的有节律性的搏动, 使得血液不断在体内循环, 以维持正常的生命活动。心脏在搏动之前, 心肌首先发生兴奋, 在兴奋过程中产生微弱的电流, 该电流经人体组织向各部分传导, 由于身体各部分的组织不同, 各部份与心脏间的距离不同, 因此在人体体表各部位, 表现出不同的电位变化, 这些电位变化可通过导线送至心电图机记录下来, 形成动态曲线, 这就是心电图 (Electrocardiogram, ECG) , 也称为体表心电图, 是由一系列的波组构成, 每个波组代表着每一个心动周期。
心电信号属于低频小信号, 频率一般在0-100hz之间, 幅度小于5m V, 心电电极阻抗交大, 一般在几十千欧以上。在检测心电信号的同时存在很强大的干扰, 主要有电极极化电压引起的基线漂移, 电源的工频干扰等。
3 心电图导联
将两个电极置于人体表面上不同的两点, 通过导线与心电图机相连, 就可以得到一系列的心电图波形。测定心动电流时电极安放的位置及导线与心电图机放大器的连接方式, 叫作心电图的导联。心电图是通过多个导联而得出的体表电位差不同时间的记录, 临床诊断上为便于统一比较, 对常用的导联作出了严格的规定, 为使得描记出的心电图波形更加明显易读, 有时电极还接入加权电阻或放大器。
目前, 常用的导联指的是三个双极肢体导联也叫标准导联 (Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ) , 三个单极肢体加压导联 (a VL、a VR、a VF) 及六个单极胸导联 (V1、V2、V3、V4、V5、V6) , 这12个导联经过长期的临床实践验证, 已成为国际公认的标准12导联。
4 系统原理
医用心电信号发生器是应用在医疗仪器公司内部的测试工具, 通过将从上位机下载的心电数据库心电数据还原为原始模拟心电信号输送给心电产品, 达到心电产品测试的目的。也可以在心电产品的开发过程中作为简单信号源使用。因为人体无法同时连接多台仪器, 故很难在同一时刻用相同的心电数据去比较多台仪器的性能。而该系统可以利用标准心电数据库的实际人体心电数据, 实现同一条件下多台机器之间的性能对比。
4.1 功能描述
输入:心电信号发生器需要与PC机相连, 将原始心电数字信号传输给心电信号发生器;心电数据的格式有MIT, CSE和EDAN三种, 通讯端口主要有串口、USB口、网口等, 所输入数据的采样率为1000Hz, 采样精度为12位。
输出:心电信号发生器可以实时的将心电数据还原, 也可以将心电数据存储起来再进行还原, 输出10个端点 (即12导联) 的模拟信号。也可以输出标准的心电波和正弦波方波。
存储:可以存储如正弦波、方波和正常心电波形等常用波形, 并选择输出。
4.2 系统开发步骤
(1) 将采集到的原始数字心电信号读取到PC机上进行显示; (2) 通过串口、网口将原始数字心电信号下载到模拟发生器上, 并显示及存储; (3) 将数字信号经D/A转换和放大器处理后, 输出模拟信号至心电图机上。
4.3 硬件设计整机的结构采用核心板+接口板的模块方式。
心电信号模拟发生器包括微控制器、以太网通信接口、串行通信接口、USB通信接口、电源电路、DA转换电路和信号处理电路。本设计中采用三星公司的ARM芯片S3C2410作为整个系统的主控芯片。整个系统的硬件框图如图1所示:
该系统综合了电路设计、微机控制技术、通信技术及相应的软件技术等, 所研究的内容包括: (1) S3C2410下位机控制程序的开发; (2) PC上用户界面的开发, 包括在PC机上打开读取显示心电数据, 以及心电数据文件的串口网口传输; (3) 心电信号发生器系统的固件的开发。
核心板上主要包括主控ARM芯片S3C2410、DRAM、NAND FLASH、以太网芯片、CPLD等器件, 组成了主频达200MHz的最小系统。
图2为核心板的原理框图。其主要功能是对整个系统进行控制, 接收、存储、管理来自PC端的心电数字信号, 响应键盘操作、将数字心电信号通过SPI或数据总线输出到DAC、在LCD上显示心电波数据的ID号和输出状态、输出指定幅值频率的正弦波和三角波以及方波等。
4.4 软件设计
(1) 上位机: (通讯方式为串口和网口两种) 訩文件打开;訪数据选择和读取;訫波形显示;訬单个连续发送和ID号的修改設批量连续发送。 (2) 下位机: (心电信号发生器) 訩数据接收;訪信号发生 (模拟转换及控制) ;訫输出10个端点的模拟信号 (12导联) ;訬存储波形并选择输出。 (3) 系统整体流程图心电信号发生器通过上位机软件将心电数据库中的数据读取进来, 经串口和网口下载到心电模拟发生器上然后通过导联线传输到心电产品上, 通过将心电产品上显示的的波形和心电信号发生器上位机上显示的波形进行对比来判断心电产品显示性能的好坏, 由于心电产品具有诊断功能, 而心电数据库中的数据均具有专家诊断的结果, 通过将心电产品的诊断结果和专家诊断的结果进行对比即可判断出心电产品的诊断功能的好坏。整个流程如图3所示。
5 结束语
完成后的上位机软件, 能够在PC端对CSE、MIT、EDAN格式的心电数据进行读取、显示及串口网口传送。其中传送时可以支持批量连续传送数据。另外, 还能够支持ID号的修改, 对CSE和MIT格式的数据转换成EDAN格式, 并以EDAN格式发送出去。
下位机能够接受上位机发送来的数据存储输出, 输出的模拟心电信号能够在任意导联叠加极化电压, 极化电压在-600-600m V之间可调, 输出波形准确无失真。下位机本身也存储了正常的心电信号、正弦波、方波信号, 并且它们的频率和幅度都是可变的。下位机还可以修改远程IP和本地IP, 为下位机的异地运用提供方便。
此心电信号模拟发生器主要的预期用途体现在如下三个方面: (1) 心电产品的性能检测; (2) 心电自动分析软件的诊断准确率、测量准确率等性能的评价; (3) 利用标准化数据库评价同类厂商所生产机器的性能。
可预见其市场前景广大。
摘要：随着医学的进步与科学技术的发展, 人们对疾病的诊治与健康的保障提出了越来越高的要求。心脏是人体重要的器官, 而心脏病已成为危害人类健康的主要疾病之一了, 因此心脏系统疾病的防治和诊断是当今医学界面临的首要问题。目前使用的医用心电信号发生器, 基本是进口的, 价格昂贵。而国内生产的产品由分立元件组成, 其体积大, 功能少, 没有自己的核心技术。基于此开发设计一款医用心电信号发生器。该设计中采用三星公司的ARM芯片S3C2410作为整个系统的主控芯片;包括微控制器、以太网通信接口、串行通信接口、USB通信接口、电源电路、DA转换电路和信号处理电路;综合了电路设计、微机控制技术、通信技术及相应的软件技术等。不但具备普通心电信号发生器的功能, 而且可以把心电数据中实际人体的信号还原出来, 还可以达到利用标准的心电数据库的心电数据实现不同厂家心电产品的性能对比的目的 。可预见其市场前景广大。
关键词：心电信号发生器,ARM,微控制器,微机控制技术,通信技术
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