智能仪器设计实例内容提要：一、背景和意义二、研究现状三、技术指标四、整体方案设计及工作原理五、波形数据的获取六、硬件电路设计七、软件设计一、背景和意义二、研究现状1、直接模拟法2、直接数字法1971年，美国学者J.Tierncy，C.M.Rader和B.Gold提出了以全数字技术，从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成原理。直接数字法是采用直接数字合成（DirectDigitalSynthesis）的方法实现信号产生。该技术具有频率转换速度快、频率分辨率高、易于控制的突出优点。直接数字合成技术近年来发展的很快，而要产生任意波形就必须采用直接数字合成技术。2、直接数字合成法（2种直接数字合成结构）1）、基于地址计数器的数字频率合成法工作原理：将波形数据存储于存储器中，而后用可程控的时钟信号为存储器提供扫描地址，波形数据被送至DAC，经数模转换和低通滤波器后得到所需的模拟电压波形。假定地址计数器的时钟频率为fosc，波形一周期内有n个采样值，那么合成的波形频率为：如果改变地址计数器的时钟频率或存储器的地址步进大小，合成波形的频率都会随着改变。而要改变波形，只要在只读存储器中写入不同的数据。2、基于相位累加器的直接数字合成法2、基于相位累加器的直接数字合成法核心是相位累加器，由一个加法器和一个相位寄存器组成，K是频率控制字，也是相位增量或步长；fclk是参考时钟的频率，N是相位累加器的位数，位宽是2N，数据存储器中存储的是一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中0-360°范围的一个相位点，存储器共有2N个地址空间，即把360分割成2N份。每来一个时钟fclk，相位累加器就把频率控制字K与相位寄存器输出的累加字相加，相加后得到的结果作为查询表（ROM存储器）的地址，同时把这个累加值再送到加法器作为下一次累加的输入。相位累加器的输出是一个等差数列，是相位累加器的初始值，n是参考时钟的个数。2、基于相位累加器的直接数字合成法2、基于相位累加器的直接数字合成法工作原理：从连续信号的相位出发将信号取样、量化、编码,形成一个函数表,存在波形存储器中。基于相位与幅度的对应关系,通过改变频率控制字K来改变相位累加器的相位增量,然后在参考时钟的控制下取样,取样得到的相位值通过相位－幅度转换得到相位值对应的幅度序列,幅度序列再通过D/A转换为相应的电压信号，D/A转换器输出的一系列的阶梯电压信号经低通滤波器后便输出了光滑的合成信号。DDS相位码和幅度码的关系型号三、技术指标四、整体方案设计及工作原理2、工作原理：仪器工作过程完全由计算机通过USB接口来控制；用户通过计算机软面板输入幅值、频率、基线和占空比等波形参数，计算机接收这些信息，分析后计算出地址计数器时钟信号的频率和一个周期的波形数据个数，再计算波形幅度量化数据，通过接口电路和控制器把波形数据顺序存储到波形存储器。利用可程控的时钟发生器推进地址计数器扫描地址，波形存储器中的数据被同步时钟循环地读出，同时启动D/A变换器，D/A变换器输出的模拟信号经过电压跟随器和低通滤波器即可得到所需要的模拟信号波形。采用标准函数法，是通过选取标准函数（如正弦函数，三角函数，方波函数，锯齿波函数等）来得到波形数据的。当波形的函数表达式已知时，利用软件编程产生波形数据；波形数据是信号波形幅值的数字量表示，是指在规定的同步时钟周期内用“1”或“0”数字状态来定义波形，即波形数字化。由于存储器存储容量有限，因此当系统连续的输出信号时，只能是周而复始地重复读出存储器中一部分或全部的波形抽样数据。为了保证波形质量，应该使一个周期内的存储点数足够多。以正弦波为例说明波形数据是如何产生的。正弦波的函数表达式是：式中：Amp—输出波形幅值，Base—输出波形的基线，N—波形在一个周期内的采样点数。其中Amp和Base是由用户设定的，Amp和Base应该满足：0＜Amp≤10，－10≤Base≤10。根据公式1，正弦波在一个周期内的采样点值是：再将f(i)按DAC的比特数取整，从而得到：双极性工作方式把数值转换成十六进制数，依次写入数据存储器中。当地址计数器在可程控时钟发生器的驱动下开始计数时，就会依次选中存储器中的0单元、1单元、……、N-1单元地址，从而将其中数据依次取出送到D/A变换器的数据线上，经过转换后，就能得到相应幅值的模拟信号。当地址计数器计满N个数时，就得到一个周期的正弦信号。然后计数器自动清零，再从存储器的0单元读出数据送至D/A变换器，计数器循环往复不断计数，即可得到连续的正弦波信号。为了保证波形质量，应该使一个周期内的数据个数足够多，所以电路中地址计数器的时钟频率应