专利名称：带波形显示的数字信号源的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种测量装置，具体涉及一种带波形显示的数字信号源。
背景技术：
在自动化设备和系统中，经常需要进行性能的测试和信息的传送，这些都离不开一定的波形作为测试和传送的依据。常用的波形有正弦波、矩形波、三角波等，信号源即是用于产生这些波形的仪器。
工程实践中，经常需要频率和振幅可以调节的信号源作为电子设备的组成部分，或是用来作为测试、调整电子设备的实验仪器。
现有的信号源设备存在以下不足之处(1)现有信号源面板上按键太多，用户操作困难；(2)现有的信号源只显示信号频率，不显示信号幅值，信号幅值需要通过交流毫伏表来测量得到；(3)现有的信号源不显示信号的波形，用户常需要通过示波器来观察信号波形是否失真。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服上述现有技术的缺陷，提供一种可在面板上直接显示信号频率和幅度且操作简单之数字信号源。
本发明的技术问题是通过下面的技术方案实现的。其特征在于它包括控制器、波形采样与处理模块、程控程控时钟模块、测频与键盘控制模块及液晶显示模块，所述控制器分别与波形采样与处理模块、程控程控时钟模块、测频与键盘控制模块及液晶显示模块相连，输入信号送入波形采样与处理模块和测频模块中，程控程控时钟模块同时与波形采样与处理模块相连。所述控制器包括两单片机和缓冲器，其中一单片机通过缓冲器与外围电路相连，通过串口与另一单片机相接；所述波形采样与处理模块包括静态储存器、模数转换器、可编程逻缉器件，所述静态储存器与可编程逻缉器件相连，模数转换器则分别与静态储存器和可编程逻缉器件相连；所述程控时钟模块包括发光二极管、程控时钟发生器、电平转换芯片和光耦，其中光耦与三极管组成信号隔离电路；所述测频与键盘控制模块由两个缓冲器、比较器、计数器、数模转换器、运算放大器和发光二极管组成，其中比较器与计数器相连；所述液晶显示模块包括液晶控制器、液晶显示器和存储器，其中液晶控制器分别与液晶显示器和存储器相互连接。
本发明具有下列技术效果(1)简化了面板，面板上按键较少，操作简单，使用方便，不易出错；(2)除显示信号的频率外，还显示信号的幅度；(3)带波形显示，用户不必接示波器来观察波形是否失真；(4)用户可减少购买其它设备的费用，节约开支。
图1为本发明电路原理框图；图2为本发明控制器模块电路图；图3本发明波形采样与处理模块电路图；图4为本发明程控时钟模块电路图；图5为本发明测频和键盘控制模块电路图；图6为本发明液晶显示模块电路图；图7为本发明系统工作流程图；图8为本发明操控面板图。
具体实施例方式如图1所示，本发明包括控制器、波形采样与处理模块、程控程控时钟模块、测频与键盘控制模块及液晶显示模块，上述各模块组成的电路实现了本发明所要达到的功能。其中控制器是本发明之中心部件，分别与波形采样与处理模块、程控时钟模块、测频与键盘控制模块及液晶显示模块相连，输入信号送入波形采样与处理模块和测频模块中，程控时钟模块同时与波形采样与处理模块相连。
下面分述各电路。
如图2所示，本发明控制器模块主要采用八位总线缓冲器U14和两单片机U1、U17，其中单片机U17通过缓冲器U14与外围电路相连，通过串口与另一单片机U1相接，这样不但可以提高实时性，而且方便电路板布局布线。U17是通用MCS51系列单片机，型号为89C52，主要负责采样、数据处理以及程控时钟和液晶的控制工作。
单片机U17的P0口和P2口主要完成下述三项任务通过八线缓冲器U14对存储器U15进行读写操作；与可编程逻辑器件U18进行交互操作；将采集到的数据送到液晶控制器U11进行显示输出。P1口用来对程控时钟发生器U21进行参数配置，确定程控时钟发生器U21输出的采样时钟的频率。
单片机U1是通用MCS51系列单片机，型号为89C52，主要完成测频、DAC输出和键盘接口处理功能，单片机U1通过串口与U17进行通信。
单片机U1的P0口和P2口用来和面板上的按键相连，确定用户要执行的命令。P1口用来给串行接口的模数转换器U9送配置字，确定其输出模拟电压的大小。单片机U1的定时器用来测量输入信号的频率。
U14为缓冲器，型号为74F245。主要功能是完成8位数据总线的接收和发送功能。
控制器模块电路中单片机U17通过缓冲器U14与外围电路进行数据交换，通过串口与单片机U1进行通信。
如图3所示，本发明波形采样与处理模块电路包括静态储存器U15、模数转换器U16、可编程逻缉器件U18，所述静态储存器U15与可编程逻缉器件U18相连，模数转换器U16则分别与静态储存器U15和可编程逻缉器件U18相连。
下面分述各元器件D18、D19为发光二极管，对应操作面板上的指示灯。
U15为静态存储器，型号为CY7C128A-25，主要功能是对采集到的数据进行存储。
U16为模数转换器，型号为TLC5540，主要功能是将输入的模拟信号转换为数字信号后输出，它分别与静态储存器U15和可编程逻缉器件U18相连。
U18为可编程逻辑器件，型号为ISPLSI1016-E80，主要功能是自动完成信号的采集功能，无需CPU干预，与静态储存器U15相连。
JP2、JP3、JP4、JP5、JP8为跳线器，主要功能是完成电路的测试功能。
U19为三端稳压器，型号为7905，主要功能是输出-5V电源电压。
U8A、U8B、U8C及U8D为与非门，型号为74HC00，主要功能是将输入的两个TTL信号与操作后求反。
U20A、U20B、U20C、U20D、U20E及U20F为非门，型号为74HC14。主要功能是将输入的TTL信号反相。
U8与U20组成的电路的功能是对输入信号进行逻辑运算，求得控制信号。
波形采样与处理模块主要由40MSPS的模数转换器U16、静态存储器U15和可编程逻辑器件U18组成。由可编程逻辑器件U18产生地址，控制模数转换器U16进行采样，以程控的频率写入静态存储器U15。一次性采样256点后，将静态存储器U15的控制权转交给单片机U17，由单片机U17读取处理送液晶显示。其具体操作过程为经处理的输入信号送到模数转换器U16的模拟端口，按照可编程逻缉器件U18给出的采样频率完成采样工作，采集到的数据存储到静态存储器U15中，静态存储器U15的地址由可编程逻缉器件U18给出。采满数据后，可编程逻缉器件U18停止对模拟信号的采集工作。
本发明模数转换器U16其转换速率范围为5到40MSPS，模拟带宽为80MHz。由于其低端采样率受到限制，因此采用控制RAM写入速度的方式来控制采样速率。为了控制误差使复现的波形尽量准确，实际在1到40MHz的信号范围内每周期采样一个点，在40到80MHz的信号范围内每周期采样2个点来复现波形。
如图4所示，本发明程控时钟电路包括发光二极管D20、程控时钟发生器U21、电平转换芯片U22和光耦U26、U27、U28，其中光耦U26、U27、U28与三极管Q1、Q2、Q3组成信号隔离电路。
下面分述各元器件D20为发光二极管，对应操作面板上的指示灯。
U21为程控时钟发生器，型号为SY89429V，主要功能是给AD转换芯片提供采样时钟。
U22为电平转换芯片，型号为SY100ETL23L，主要功能是将程控时钟发生器U21输出的信号转换为TTL电平。
JP6、JP7为跳线器，主要功能是完成电路的测试功能。
U23为开关电源，型号为LT1086CM-3.3，主要功能是输出3.3V电源电压。
U26、U27、U28为光耦，型号为6N137，主要功能是将输入和输出信号隔离。
Q1、Q2、Q3为PNP型三极管，型号为9012，主要功能是电流放大作用，它与光耦U26、U27、U28组成信号隔离电路。
U26、U27、U28、Q1、Q2、Q3组成的电路的主要功能是将输入信号隔离后送到程控时钟发生器U21处。
U24A、U24B、U24C、U24D、U24E、U24F为非门，型号为LCX14，主要功能是将输入的TTL电平求反，U24A、U24B、U24C、U24D、U24E、U24F组成电路的主要功能是完成输入信号的逻辑运算。
U25A、U25B、U25C、U25D、U25E、U25F为非门，型号为LCX14，主要功能是将输入的TTL电平求反，U25C、U25D、U25E、U25F组成电路的主要功能是完成输入信号的逻辑运算。
程控时钟电路是本系统实现等效采样的关键，采用程控时钟发生器U21实现。程控时钟发生器U21是一种可编程频率合成器，它输出时钟范围是25MHz～400MHz，步进值0.125MHz～1MHz。程控时钟发生器U21采用差分PECL电平输出，内部采用高频锁相环实现，对干扰很敏感，因此采用以下方法来保证其工作稳定。由于程控时钟发生器U21工作电压范围较宽，此部分电路采用3.3V单独供电；在制板时将此部分电路覆铜接地后单点接至电源接入点，并精细布线，所用晶振外壳接地；尽量选用贴片元件；按要求用10uF钽电容、0.1uF和0.01uF瓷片电容对各电源管脚滤波，并区分数字电源和模拟电源；程控时钟发生器U21与控制器的串行接口用光耦U26、U27、U28进行隔离。
程控时钟模块的工作原理是单片机U17将要写入的控制字通过光耦U26、U27、U28隔离后送到程控时钟发生器U21处，得到相应的AD转换频率，再通过程控时钟发生器U21送到模数转换器U16的CLOCK IN引脚。
由于程控时钟发生器U21输出的频率范围有限，因此需要外加分频电路，将低频部分扩展，此功能用LATTICE公司的可编程逻辑器件U18来实现。CPLD将程控时钟发生器U21输出的频率先程控二分频，一方面提供给模数转换器U16作为工作频率，另一方面再程控二五十进制分频来控制RAM写入速度。
如图5所示，本发明测频与键盘控制模块电路由两个缓冲器U2、U3，比较器U4，计数器U5，数模转换器U9，运算放大器U10和发光二极管D1～D16组成，其中比较器U4与计数器U5相连。
下面分述各元器件U2为缓冲器，型号为74LS245，主要功能是将输入信号驱动后送到各发光二极管。
U3为缓冲器，型号为74LS245，主要功能是将输入信号驱动后送到各发光二极管。
U4为比较器，型号为TL3016CD。U5为计数器，型号为74VHC4040N。U4和U5组成的电路功能是将输入的模拟信号转换为数字信号并分频。
U6A、U6B、U6C及U6D为与非门，型号为74HC00。U6A、U6B、U6C及U6D组成的电路功能是对输入信号进行与运算然后求反。
U7A、U7B、U7C及U7D为与非门，型号为74HC00。U7A、U7B、U7C及U7D组成的电路功能是对输入信号进行与运算然后求反。
U9为数模转换器，型号为TLC5620CN，主要功能是完成数字信号到模拟信号的转换。
U10为运算放大器，型号为LM324，主要功能是完成对信号的放大功能。
JP1为跳线器，主要功能是完成电路的测试功能。
D1～D16为发光二极管，对应操作面板上的指示灯。
S1～S8为按钮，对应操作面板上的按钮。
测频与键盘控制模块的工作原理是输入模拟信号经比较器后输出与其频率对应的方波，再经过计数器分频，就可由单片机U1来测量。
由于输入信号的频率范围较宽(0.1Hz～100MHz)，幅度变化范围较大(0.1V～2.2V)，并且含有直流分量，所以整形电路采用高速比较器U4实现，采用正负电压供电。比较器U4的参考电压由8位串行数模转换器U9提供，具体数值由单片机U17控制的采样电路对信号采样获得。整形后的信号经过程控分频器，并使信号经过一个可选低通电路，以消除输入低频信号时比较器产生的振颤现象，最后送至单片机U1的T0口，通过测频或测周期的方法得到达4位有效数字的测频精度。还可选择将程控时钟接至测频输入端，以自检并校正程控时钟的输出。
如图6所示，本发明液晶显示模块主要包括液晶控制器U11、液晶显示器U13、存储器U12和负压发生器U29，其中液晶控制器U11分别与液晶显示器U13和存储器U12相互连接，负压发生器U29与液晶显示器U13相连。
下面分述各元器件U11为液晶控制器，型号为SED1335FOA，主要功能是实现对液晶显示器的控制功能。
U12为存储器，型号为62256，主要功能是缓存要显示的文本和图形。
U13为液晶显示器，型号为LCD160160，主要功能是完成对文本和图形等内容的显示。
U29为负压发生器，型号为VOLTAGE100V，主要功能是输出-100V电源电压。
液晶显示模块的工作原理是单片机U17将要显示的数据发送到液晶控制器U11，并缓存到存储器U12中，然后控制液晶显示器U13完成显示功能。
本发明液晶控制器U11硬件构成可分成MPU接口部，内部控制部和驱动LCM的驱动部，能在很高的工作频率下迅速的解译MPU发来的指令代码，将参数置入相应寄存器内，并触发相应的逻辑功能电路运行。控制部可以管理64K字节显示RAM，管理内藏的字符发生器及外扩的字符发生器CGRAM或EXCGROM。图6中，单片机U17将要显示的波形数据送到液晶控制器U11中，再由液晶控制器U11控制液晶显示器U13完成显示工作。
单片机U17首先对输入信号进行粗采样，输出中间值作为高速比较器U4的参考电压，由高速比较器U4实现整形，再经过程控分频器送至单片机U1测频，单片机U17从串口接收单片机U1的测频结果，根据输入频率确定采样方式，并控制精密时钟发生电路为模数转换器U16提供采样时钟。然后在采样时钟的控制下，CPLD产生存储器地址，将模数转换器U16采样数据以程控频率写入静态存储器U15，写满256个点后，将静态存储器U15的控制权通过数据选择器转交给单片机U17，由其处理采样数据并送液晶显示器U13显示。液晶显示器U13上同时显示信号的波形、频率及幅值。
如图7所示，本发明工作流程如下首先，单片机U17经过波形采样与处理模块采集输入的模拟信号的幅值，用来作为比较器U4的电压比较基准。此时，精度要求不高，只要知道输入模拟信号的幅值的大致范围即可，称为粗采样。单片机U17将这个电压幅值通过串口送到单片机U1，单片机U1对这个电压幅值进行处理，并通过数模转换器U9转变为模拟参考电压送到比较器U4的基准电源端口。此时就可精确测量出输入信号的频率。
其次，单片机U1将测得的模拟信号频率通过串口回送到单片机U17来确定合适的采样方式，若信号频率低于1.25MHz，则采用实时采样方式，若信号的频率高于1.25MHz，则采用等效采样方式，在实时采样方式中，为使采集到的波形尽量准确，系统又将由以下的信号分为三个频率范围，在每个频率范围内由程控时钟电路产生某一固定的基准时钟，结合相应的分频进行采样，具体设置如下(1)输入信号频率为1Hz～1KHz，由单片机U17提供40KHz采样时钟。
(2)输入信号频率为1KHz～1MHz，由程控时钟发生器U21提供40MHz采样时钟。
(3)输入信号频率为1MHz～1.25MHz，由程控时钟发生器U21提供50MHz采样时钟。
当信号频率大于1.25MHz时，系统采用等效采样的方式。
等效采样的输入频率范围是1.25MHz～80MHz，为了使复现的波形尽量精确，系统中设计在1.25MHz～40MHz信号范围内每周期采一个点，在40MHz～80MHz信号范围内每两个周期采一个点来复现波形。即采样频率范围要在1MHz～40MHz之间，并有可控的小步进值。
由于程控时钟发生器U21的输出频率范围为25MHz～400MHz，因此需要外加分频电路将低频部分扩展。同时，本系统中选用的模数转换器U16为TLC5540，其转换速率的范围是5MSPS～40MSPS，所以低端采样率会受到限制，可以设计采用控制静态存储器U15写入速度的方式来控制采样速率。综合考虑，系统中采用CPLD器件，将程控时钟发生器U21之TEST输出的FOUT频率经过程控二分频器，一方面提供给模数转换器U16作为CLK工作频率，另一方面再经过程控二五十进制分频器控制静态存储器U15写入速度，作为低端信号的采样频率。
第三，当单片机U17选择好采样时钟后，就将要产生时钟的控制命令字送到程控时钟发生器U21，然后等待几毫秒后查询该芯片能否正常工作。在程控时钟发生器U21运行正常情况下，启动可编程逻缉器件U18进行采集工作。
最后，可编程逻缉器件U18对静态存储器U15完成256点采集工作后，通知单片机U17将数据取走，单片机U17根据采用的方式的不同对这些数据进行处理，得到合适的在液晶显示器U13上显示的数据格式后送到液晶显示器U13进行显示。
本信号源采用数字技术设计，具有精度高，与目前市场上常用信号源比较有操作简单的特点。
图8所示为本发明信号源设备的操控面板，在如图8所示的操控面板中，面板左部为液晶显示屏，在该屏中显示信号的振幅、频率与波形。面板右部的按钮和旋钮(从上至下、从左至右)说明如下1)“FREQUENCY”频率微调旋钮。
频率微调旋钮与图3电路图中J7.4(J7的4管脚)相连。
2)“R/P”占空比调节旋钮，与“ON R/P”按钮配合使用，当“ON R/P”按钮按入时，R/P指示灯亮，占空比在10％-90％内可调；当“ON R/P”按钮按出时，R/P指示灯灭，占空比为50％。
占空比调节旋钮与图3电路中J7.1(J7的1管脚)相连。
“ON R/P”按钮与图5电路中S4相连。
R/P指示灯亮与图5电路中D15相连。
3)“DC LEVEL”直流偏移调节旋钮，与“ON DC”按钮配合使用，当“ON DC”按钮按入时，DC LEVEL指示灯亮，直流电平从-10V～+10V内可调；当“ON DC”按钮按出时，DC LEVEL指示灯灭，直流电平为零。
直流偏移调节旋钮与图3电路中J7.2相连。
“ON DC”按钮与图5电路中S8相连。
DC LEVEL指示灯与图5电路中D7相连。
4)“AMPLITUDE”幅度旋钮，用于调节输出信号的幅度。
幅度旋钮与图3电路图中J7.3相连。
5)“RANGE-Hz”频率范围选择“HF”按钮每按动一次，频率范围向高频转换一档，且相应档指示灯亮，分六档，可循环。“LF”按钮每按动一次，频率范围向低频转换一档，且相应档指示灯亮，分六档，可循环。
“HF”按钮与图5电路图中S2相连。
“LF”按钮与图5电路图中S1相连。
六档指示灯分别与图5电路图中D9、D10、D11、D12、D13、D14相连。
6)“EXT”外测按钮，按入时外测指示灯亮，液晶显示屏显示从“EXT SIGNAL”端口输入的信号波形及参数。
外测按钮与图5电路图中S6相连。
外测指示灯与图5电路图中D8相连。
“EXT SIGNAL”输入端与图3电路图中J4相连。
7)“FUNCTION”功能按钮，用于波形选择，可选择正弦波、方波或三角波。每按动一次变换一次波形，且相应的波形指示灯亮，分三种，可循环。
功能按钮与图5电路图中S3相连。
波形指示灯分别与图5电路图中D1、D2、D3相连。
8)“SPSS”单次脉动按钮，按动一次则从“SPSS OUT”断口输出一单次脉冲信号。
单次脉动按钮与图5电路图中S7相连。
“SPSS OUT”端口与图3电路图中J7.5相连。
9)“FM”扫频按钮，按入时指示灯亮，输出扫频信号。
扫频按钮与图5电路图中S5相连。
扫频指示灯与图5电路图中D16相连。
10)“ATTENUATOR”衰减按钮，按动时转换衰减倍数，相应的衰减指示灯亮，分四档，可循环。
衰减按钮与图5电路图中J7.6相连。
衰减指示灯分别与图3电路图中D4、D5、D20、D21相连。
11)“POWER”电源开关，按入为开。
电源开关总电源相连。
12)“TTL”TTL电平方波输出端口。
TTL电平方波输出端口与图3电路图中J7.7相连。
13)“OUTPUT”信号输出端。
信号输出端口与图3电路图中J7.8相连。
权利要求
1.一种带波形显示的数字信号源，其特征在于它包括控制器、波形采样与处理模块、程控程控时钟模块、测频与键盘控制模块及液晶显示模块，所述控制器分别与波形采样与处理模块、程控程控时钟模块、测频与键盘控制模块及液晶显示模块相连，输入信号送入波形采样与处理模块和测频模块中，程控程控时钟模块同时与波形采样与处理模块相连。
2.根据权利要求1所述的带波形显示的数字信号源，其特征在于所述控制器包括两单片机和缓冲器，其中一单片机通过缓冲器与外围电路相连，通过串口与另一单片机相接。
3.根据权利要求1所述的带波形显示的数字信号源，其特征在于所述波形采样与处理模块包括静态储存器、模数转换器、可编程逻缉器件，所述静态储存器与可编程逻缉器件相连，模数转换器则分别与静态储存器和可编程逻缉器件相连。
4.根据权利要求1所述的带波形显示的数字信号源，其特征在于所述程控时钟模块包括发光二极管、程控时钟发生器、电平转换芯片和光耦，其中光耦与三极管组成信号隔离电路。
5.根据权利要求1所述的带波形显示的数字信号源，其特征在于所述测频与键盘控制模块由两个缓冲器、比较器、计数器、数模转换器、运算放大器和发光二极管组成，其中比较器与计数器相连。
6.根据权利要求1所述的带波形显示的数字信号源，其特征在于所述液晶显示模块包括液晶控制器、液晶显示器和存储器，其中液晶控制器分别与液晶显示器和存储器相互连接。
全文摘要
一种带波形显示的数字信号源，其特征在于它包括控制器、波形采样与处理模块、程控程控时钟模块、测频与键盘控制模块及液晶显示模块，所述控制器分别与波形采样与处理模块、程控程控时钟模块、测频与键盘控制模块及液晶显示模块相连，输入信号送入波形采样与处理模块和测频模块中，程控程控时钟模块同时与波形采样与处理模块相连。本发明面板上按键较少，操作简单，使用方便，不易出错；除显示信号的频率外，还显示信号的幅度；可带波形显示，用户不必接示波器来观察波形是否失真，可减少购买其它设备的费用，节约开支。
文档编号G01R31/00GK1564000SQ20041002312
公开日2005年1月12日 申请日期2004年4月19日 优先权日2004年4月19日
发明者张玘, 刘国福, 扈啸, 罗诗途, 王艳玲, 冯旭哲, 吴石林 申请人:张玘