专利名称：虚拟万能信号发生器及其方法
技术领域：
本发明属于一种信号发生器，优其是一种用软件方法产生任意波形的虚拟万能信号发生器。
背景技术：
信号发生器是一种常用的电子仪器，广泛应用于生产、教学、科研等领域，现有的信号发生器共同特点是信号源是由硬件线路实现的，其不足是不同的波形信号源都是由不同的特定电子线路产生，对硬件依赖性高，当要产生多种信号波形时，电子线路变得非常复杂，制造维护费用也高，有些信号源用硬件根本无法实现，如机械驱动、振动信号等。
发明内容
本发明的目的为了克服现有信号发生器存在的问题，本发明提拱一种虚拟万能信号发生器，它是用计算机软件方法制作的波形信号取代现有信号发生器的硬件信号源，即用计算机软件方法制作任意波形，用硬件电路将其转换成真实的波形信号，它不仅能产生任意模拟波形信号(包括直流信号)和任意逻辑波形信号，而且能借助计算机强大软件功能对这些波形进行编辑、存储、查找、修改、删除、与加密。
本发明实现上述目的技术方案是一种虚拟万能信号发生器及其方法，它包括一种虚拟万能信号产生方法，其特征在于它是建立在计算机系统平台上，用计算机软件方法制作任意波形，并用硬件电路将其转换成真实的波形信号的方法。
一种虚拟万能信号发生器的制作方法，其特征在于，它包括计算机、应用软件、信号转换控制盒、连接计算机与信号转换控制盒的外部通讯接口电缆。
一种虚拟万能信号发生器的软件设计方法，其特征在于A.制作任意模拟波形的方法包括数学函数表达式法、直接波形图形绘制法、其它格式的波形数据转换法；
B.制作任意逻辑波形的方法包括直接逻辑时序波形绘制法、二进制/逻辑表达式法；C.上述A、B方法建立的波形保存在波形数据库中，波形数据库对各种波形进行管理，它包括各种波形数据的建立、存储、查找、修改、删除、加密。
一种虚拟万能信号发生器的信号转换控制盒的制作方法，其特征在于，信号转换控制盒能将计算机传来的任意波形数据按计算机设定的速率和方式转化为一路或一路以上的模拟信号或逻辑信号，它包括与计算机通讯的接口控制电路，用于存储计算机传来的波形数据的高速FIFO存储器，高速D/A转换电路，模拟信号输出电路，逻辑信号输出电路，触发控制电路，存储设备ID和控制器程序的存储器，电源电压调整电路。
一种虚拟万能信号发生器的信号转换控制盒的制作方法，其特征在于，外部通讯接口采用即插即用的计算机高速串行USB接口，它是自供电热插拔接口，可给信号转换控制盒供电，不需外接电源，使用非常方便。
本发明的有益效果是波形是由软件产生，利用计算机丰富的软件资源和强大的编辑功能，可产生任意波形，建立各种波形数据库，以便重复利用，节省人力物力；可对波形进行编辑修改，并对各波形数据进行加密处理，保护波形编辑人员的知识产权。大部分功能由计算机完成，硬件结构简单，制造维护费用低(只有传统信号发生器的1/3不到)；避免为产生各种波形而研制种类繁多的信号发生器，避免为使用各种波形而购置种类繁多的信号发生器，节省大量人力物力，在功能、使用、维护、升级等方面具有传统信号发生器无法比拟的优点。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明组成部分的连接示意图。
图2是本发明用软件方法产生任意波形的软件设计框图。
图3是本发明实施例的信号转换控制盒电路结构框图。
图4是本发明信号转换控制盒制作具体实施例USB接口信号转换控制盒电路原理图。
具体实施例参见图1本发明包括计算机1和在其上运行的操作系统软件(WINDOWS98/2000/XP或LINUX)、波形制作与波形数据库管理软件，连接计算机与信号转换控制盒的外部通讯接口电缆2，信号转换控制盒3，模拟信号波形输出接口4，逻辑信号输出接口5。
参见图2本发明的软件部分设计框图，任意波形数据由计算机软件产生，产生的方法包括模拟信号波形和逻辑信号波形两种类型，模拟信号波形产生的方法又分为数学函数表达式法、直接波形图形绘制法、其它格式的波形数据转换法；数学函数表达式法用于制作能用数学函数组合的函数波形，如Sin[正弦]、Cos[余弦]、Lg[对数]、Rand[随机]、Abs[求绝对值]、Acos[反余弦]、Asin[反正弦]、Atan[反正切]、cosh[双曲余弦]、exp[指数]、floor[向下取整函数]、log[自然对数]、log10[底为10的对数]、rand[随机数]、sqrt[求平方根]、tan[正切]、tanh[双曲正切]等多种函数组合的函数波形；图形绘制法用于制作不能用数学函数组合的任意波形，它用计算机绘图工具或其它波形编辑软件人工绘制波形；其它格式波形数据转换法，是把一些波形测量工具如数字示波器测量后保存的波形数据转化为本系统波形数据格式；逻辑时序波形产生的方法又分为二进制/逻辑表达式法、逻辑时序绘制法、其它格式波形数据转换法，二进制/逻辑表达式法是用逻辑表达式求出的二进制数据作为逻辑时序波形输出；逻辑时序绘制法用于不能用逻辑表达式制作的逻辑波形，它用计算机绘图工具或其它波形编辑软件人工直接绘制逻辑时序波形；其它格式波形数据转换法是把一些逻辑测量工具如逻辑分析仪测量后保存的逻辑波形数据转化为本系统逻辑波形数据格式；这些方法产生的波形数据保存在波形数据库中，波形数据库由计算机数据库软件管理，它包括各种波形数据的建立、存储、查找、修改、删除、加密；图3是本发明实施例的信号转换控制盒电路结构框图，本发明信号转换控制盒制作采用USB外部通讯接口，其特征是USB接口传输速率高，USB2.0最大传输速率达480Mbps，能满足信号转换控制盒快速传输大容量波形数据的要求，同时USB接口是带设备供电的即插即用接口，省掉了外部电源，使用方便；当信号转换控制盒通过USB接口接入装有此虚拟万能信号发生器驱动程序的计算机时，计算机通过USB接口读取信号转换控制盒内EEPOM存储器中存储的产品ID和厂商ID，并装入对应的驱动程序，与信号转换控制盒建立连接，此时信号转换控制盒就能接收和处理计算机送来的波形数据和控制指令。信号转换控制盒把接收到的波形数据通过USB接口控制器的输出端点传输到高速FIFO存储器中，把接收到的控制指令用来设定可编程时钟电路的时钟频率和可编程逻辑控制器CPLD的触发方式，根据设定的速率和触发方式把存储在高速FIFO存储器中波形数据一路传给高速D/A转换电路，转化为模拟信号波形；另一路传给高速数据缓冲器作为16通道逻辑时序输出。其它电路包括存储设备ID和控制器程序的存储器，电源电压调整电路。
图4是本发明信号转换控制盒制作具体实施例USB接口信号转换控制盒电路原理图，本实施例采用USB2.0高速接口(向下兼容USB1.1全速接口模式)为外部通讯接口，图中J1、U5(CY7C68013)、Rf3、Cf3、Y1、Cf1、Cf2构成接口控制电路，J1是连接计算机的USB插口，U5(CY7C68013)是USB2.0接口控制芯片，它提供了一种独特的架构(量子FIFO处理架构)，使USB接口和应用环境直接共享FIFO，以便于与高速FIFO存储器接口，Rf3、Cf3给U5提供复位信号，Y1、Cf1、Cf2是U5外部晶振电路；U4(DS1086)是I2C接口可编程时钟频率发生器，能产生266KHz到133MHz的时钟频率，给超高速D/A芯片U9提供可变的输入时钟，U3是I2C接口电平转换芯片，U4产生的时钟频率能通过USB接口控制芯片U5在线更改；U6(EMP3064)是一种高速可编程逻辑控制器CPLD芯片，它配合U5实现触发控制和产生波形转换控制电路的各种逻辑时序。U2(24LC64)、Rf1、Rf2构成两线串口存储器电路，24LC64一种8KByte I2C接口EEPROM芯片，用来存储设备ID和控制器程序，U2的内容能过USB接口控制芯片U5在线升级U1是一片低压差电压调整模块，它将USB接口提供的5V电压调整为信号转换控制盒内的3.3V、2.5V、1.8V等各种工作电压；U7(IDT72T18125)是具有512K存储深度18位宽225MHz的高速同步FIFO存储器，特点是速度高，容量大，单周期存储的长度达512K点，无须地址线，简化电路结构；其读、写端口可以用不同的速率进行，便于与慢速USB接口接收其写入的波形数据，也便于与超高速D/A接口输出高速波形数据。U8(SN74ABT16244)是16位数据缓冲器，用作16通道逻辑时序输出缓冲放大，JG1是16通道逻辑时序输出插头。U9(DAC5674)、Co1、Co2、Co3、Ro1、Ro2、Ro3构成D/A转换电路，U9是14位200Msps数据输入速率，400Msps数据更新速率，带有2X/4X内插滤波器，1/2X、2X、4X PLL时钟电路，和1.2V内部基准电压源的高精度超高速D/A转换芯片，其作用是把存储在高速FIFO存储器中波形数据转化为模拟信号波形，Co1、Co2、Co3是滤波电容，Ro1、Ro2是输出匹配电阻，Ro3输出幅度调整电阻。触发控制电路U6用以设置超高速D/A输出速率和输出方式，U6能通过U9的HP1、HP2引脚可选择2X、4X内插滤波器，通过U9的DIV0、DIV1引脚可选择1/2X，2X、4X时钟转换速率；在单脉冲输出方式下U7为空时结束输出，在周期信号输出方式下U7为空时，通过U6的RT控制信号使U7读指针复位，从头开始重复转换，输出周期信号。
权利要求
1.一种虚拟万能信号产生方法，其特征在于它是建立在计算机系统平台上，用计算机软件方法制作任意信号波形，并用硬件电路将其转换成真实的信号的方法。
2.一种实施权力要求1的虚拟万能信号发生器，其特征在于，它包括计算机、应用软件、信号转换控制盒、连接计算机与信号转换控制盒的外部通讯接口电缆。
3.一种实施权力要求2的应用软件设计方法，其特征在于a.制作任意模拟波形的方法包括数学函数表达式法、直接波形图形绘制法、其它格式的波形数据转换法；b.制作任意逻辑波形的方法包括直接逻辑时序波形绘制法、二进制逻辑表达式法；c.用上述a、b方法建立的波形保存在波形数据库中，波形数据库对各种波形进行管理，它包括各种波形数据的建立、存储、查找、修改、删除、加密。
4.一种实施权力要求2的信号转换控制盒的制作方法，其特征在于，信号转换控制盒能将计算机传来的任意波形数据按计算机设定的速率和方式转化为一路或一路以上的模拟信号或逻辑信号，它包括与计算机相连的外部USB通讯接口，用于存储计算机传来的波形数据的高速FIFO存储器，高速D/A转换控制电路，模拟输出电路，逻辑时序输出电路，可编程时钟电路，存储设备ID和控制器程序的存储器，电源电压调整电路。
全文摘要
本发明公开了一种用软件方法产生任意波形的虚拟万能信号发生器，它是由计算机、应用软件、信号转换控制盒、连接计算机与信号转换控制盒的外部USB接口电缆组成，其特征在于，它是用计算机软件制作的波形数据取代现有信号发生器的硬件信号源，即用计算机软件制作任意波形，用硬件电路将其转换成真实的波形信号，不仅实现了硬件无法产生的任意波形信号，而且借助计算机强大软件功能对各种波形进行编辑修改，建立各种波形数据库，以便重复利用；大部分功能由计算机完成，硬件结构简单，制造维护费用低。
文档编号G06F19/00GK1540500SQ200310111310
公开日2004年10月27日 申请日期2003年10月31日 优先权日2003年10月31日
发明者邱祯祥 申请人:邱祯祥