本發(fā)明公開(kāi)的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置，其所述的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器，涉及電子測(cè)量?jī)x器領(lǐng)域，具體涉及波形發(fā)生器。

背景技術(shù)：
本發(fā)明公開(kāi)的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置，旨在解決多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器結(jié)構(gòu)復(fù)雜問(wèn)題，針對(duì)各個(gè)通道電路插卡中的數(shù)字和模擬電路具有電路結(jié)構(gòu)和參數(shù)完全相同的特點(diǎn)，本發(fā)明將多個(gè)插卡掛在一條一主多從結(jié)構(gòu)的串行總線(xiàn)上，由一個(gè)控制器通過(guò)發(fā)送含有標(biāo)志位的命令幀與擴(kuò)展槽的地址碼訪問(wèn)多個(gè)或特指的插卡，由于本發(fā)明所述的插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置，有別于PXI或VXI機(jī)箱插卡式復(fù)雜總線(xiàn)儀器，又有別于單板式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、清晰，易于擴(kuò)展的顯著特點(diǎn)，同時(shí)減小了噪聲干擾和電路工藝布線(xiàn)的難度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明公開(kāi)的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置，所述的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器由四個(gè)系統(tǒng)模塊組成，它們是面板控制系統(tǒng)模塊（100）、主控制器系統(tǒng)模塊（200）、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)&總線(xiàn)隔離系統(tǒng)模塊（400）和波形生成系統(tǒng)模塊（300），其中，所述的面板控制系統(tǒng)模塊包括：前面板控制器電路、數(shù)字編碼開(kāi)關(guān)電路、鍵盤(pán)電路和LED指示電路；所述的主控制器系統(tǒng)模塊包括：主控制器電路、RS-232接口電路、USB接口電路、局域網(wǎng)接口電路LAN、觸摸屏&LCD電路、數(shù)字輸出接口電路、GPIB接口電路、存儲(chǔ)器及接口電路、鼠標(biāo)接口電路和晶振電路；所述的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)&總線(xiàn)隔離系統(tǒng)模塊包括：含有一個(gè)溫補(bǔ)晶振的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單元、串行總線(xiàn)以及序號(hào)為1#~n#的n個(gè)總線(xiàn)隔離單元；所述的波形生成系統(tǒng)模塊包括：序號(hào)為1#~n#的n個(gè)通道的函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元、n個(gè)插卡擴(kuò)展槽和n個(gè)擴(kuò)展槽地址設(shè)定電路；所述的函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元包括：波形生成&控制電路、DAC電路和濾波&信號(hào)調(diào)理電路；其特征在于：面板控制系統(tǒng)模塊（100）、串行總線(xiàn)（500）、主控制器系統(tǒng)模塊（200）、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)&總線(xiàn)隔離系統(tǒng)模塊（400）和波形生成系統(tǒng)模塊（300）順序連接。所述的串行總線(xiàn)，其特征在于：可以是同步串行總線(xiàn)還可以是異步串行總線(xiàn)。所述的總線(xiàn)隔離單元，其特征在于：串行總線(xiàn)（410）為一主多從的串行通信總線(xiàn)，總線(xiàn)隔離器單元是非電氣耦合的器件。所述的序號(hào)為1#~n#的n個(gè)通道的函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元，其特征在于：各個(gè)通道的函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元具有相同的電氣結(jié)構(gòu)、電氣參數(shù)和幾何尺寸。所述的n個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元通過(guò)相應(yīng)的擴(kuò)展槽掛到一條串行總線(xiàn)BUS_COM上，其特征在于：工藝上要求從主控制器總線(xiàn)端口通過(guò)隔離器再到各個(gè)擴(kuò)展槽的總線(xiàn)端口的各條信號(hào)線(xiàn)等長(zhǎng)。所述的時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)&總線(xiàn)隔離系統(tǒng)模塊，其特征在于：所述的串行總線(xiàn)（410）可以是串行外設(shè)接口（SerialPeripheralInterface，縮寫(xiě)為SPI）四線(xiàn)制總線(xiàn)，舍掉NSS，使用其中的三根信號(hào)線(xiàn)，一根串行時(shí)鐘線(xiàn)SCLK，用來(lái)同步發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；一根MOSI線(xiàn)，用來(lái)發(fā)送同步串行數(shù)據(jù)；一根MISO線(xiàn)，用來(lái)接收同步串行數(shù)據(jù)；相應(yīng)的總線(xiàn)隔離單元也使用三個(gè)端口。所述的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器，其特征在于：主控制器向n個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器波形插卡單元（301、302、303、……、30n）發(fā)送的命令幀中設(shè)有一位群發(fā)/單發(fā)標(biāo)志和按n=2^a的規(guī)律設(shè)置的a位函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元的地址碼標(biāo)志，對(duì)于某次發(fā)送的命令幀，各個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器波形插卡單元接收到命令幀首先對(duì)群發(fā)/單發(fā)標(biāo)志位加以判斷，或執(zhí)行群發(fā)功能或執(zhí)行單發(fā)功能；若為單發(fā)功能則要將命令幀中a位單發(fā)標(biāo)志與本板插卡擴(kuò)展槽設(shè)定電路的地址碼比較，若一致，則可確認(rèn)是發(fā)送給本函數(shù)/任意波形發(fā)生器波形插卡單元的單發(fā)命令并加以執(zhí)行，其它插卡則不執(zhí)行任何操作。上述的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置完全按照模塊化設(shè)計(jì)原則設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、清晰，同時(shí)降低了功耗，減小了布線(xiàn)難度，特別是在通道數(shù)較多，例如通道數(shù)n≥4的場(chǎng)合十分可觀。附圖說(shuō)明附圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中編號(hào)100是面板控制系統(tǒng)模塊，編號(hào)200是主控制器系統(tǒng)模塊，編號(hào)300是波形生成系統(tǒng)模塊，編號(hào)400是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)&總線(xiàn)隔離系統(tǒng)模塊，編號(hào)500是串行總線(xiàn)。附圖2是本發(fā)明所述的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置的結(jié)構(gòu)框圖，編號(hào)100是面板控制系統(tǒng)模塊，其中，100_1是前面板控制器電路，100_2是數(shù)字編碼開(kāi)關(guān)電路，100_3是鍵盤(pán)電路，100_4是LED指示電路；編號(hào)500是面板控制系統(tǒng)模塊與主控制器系統(tǒng)模塊連接的串行總線(xiàn)BUS_ITF；編號(hào)200是主控制器系統(tǒng)模塊，其中，200_1是主控制器電路，200_2是RS-232接口電路，200_3是USB總線(xiàn)接口電路，200_4是網(wǎng)絡(luò)接口電路LAN，200_5是觸摸屏&LCD電路，200_6是數(shù)字輸出接口電路，200_7是GPIB接口電路，200_8是存儲(chǔ)器及接口電路，200_9是鼠標(biāo)接口電路，200_10晶振電路；編號(hào)300是波形生成系統(tǒng)模塊，其中，301、302、303、……、30n分別是序號(hào)為1#、2#、3#、…、n#的n個(gè)通道的函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元；其中，301_2、302_2、303_2和30n_2分別是n個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元中的波形生成&控制電路，301_3、302_3、303_3、……、30n_3分別是n個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元中的數(shù)字/模擬轉(zhuǎn)換器（DAC）電路，301_4、302_4、303_4、……，30n_4分別是n個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元中的濾波&信號(hào)調(diào)理電路，301_1、302_1、303_1、……、30n_1分別是n個(gè)插卡擴(kuò)展槽，301_5、302_5、303_5……，30n_5分別是n個(gè)擴(kuò)展槽的地址設(shè)定電路，301_6、302_6、303_6、……、30n_6是n個(gè)通道的輸出的波形電壓信號(hào)；編號(hào)400是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)&總線(xiàn)隔離系統(tǒng)模塊，其中，400_1是時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)單元，401、402、403、……、40n分別是序號(hào)為1#、2#、3#、……、n#的n個(gè)總線(xiàn)隔離單元，410是串行通信總線(xiàn)。附圖3是將面板控制系統(tǒng)模塊與主控制器系統(tǒng)模塊合并的結(jié)構(gòu)圖。附圖4是一種晶振驅(qū)動(dòng)電路。附圖5是三線(xiàn)制總線(xiàn)SPI時(shí)的總線(xiàn)隔離單元接線(xiàn)圖。附圖6是地址設(shè)定電路一種實(shí)施方案的接線(xiàn)圖。附圖7是主控制器發(fā)送的命令幀示的標(biāo)志位示意圖。附圖8是主控制器訪問(wèn)n個(gè)通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元的工作流程圖。具體實(shí)施方式本發(fā)明所述的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置的具體實(shí)現(xiàn)方案簡(jiǎn)介如下：各個(gè)系統(tǒng)模塊、功能單元及電路的具體實(shí)施實(shí)例（一）、面板控制系統(tǒng)模塊方案（1）所述的面板控制系統(tǒng)模塊可以包括前面板控制器電路、鍵盤(pán)電路、數(shù)字式編碼調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)電路和LED指示電路，也可根據(jù)具體需要增減；前面板控制器電路用來(lái)監(jiān)控鍵盤(pán)電路、數(shù)字編碼開(kāi)關(guān)電路的動(dòng)作，分析后發(fā)送給主控制器電路，或接收主控制器發(fā)送的控制信息點(diǎn)亮前面板相應(yīng)的LED指示燈，完成與主控制器電路的信息交互；前面板控制器可選擇處理能力和運(yùn)算速度相對(duì)較低的微處理器，例如51單片機(jī)、AVR單片機(jī)、PIC單片機(jī)或ARM處理器等，也可選CPLD芯片完成。方案（2）面板控制系統(tǒng)模塊還可以并入主控制器系統(tǒng)模塊，前面板控制器電路的功能由主控制器電路一并完成，如圖3所示。隨著微處理器價(jià)格的不斷下降，將面板控制系統(tǒng)模塊和主處理器控制系統(tǒng)模塊分開(kāi)的方案，通過(guò)總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)主控制器系統(tǒng)模塊與面板控制系統(tǒng)模塊信息交互，更符合模塊化設(shè)計(jì)的要求。這里的總線(xiàn)可以是SPI串行總線(xiàn)，也可以是UART串行總線(xiàn)，還可以是I2C串行總線(xiàn)。（二）、主控制器系統(tǒng)模塊所述的主控制器系統(tǒng)模塊包括：主控制器電路、晶振電路、RS-232接口電路、USB接口電路、局域網(wǎng)接口電路LAN、觸摸屏&LCD電路、數(shù)字輸出接口電路、GPIB接口電路、存儲(chǔ)器及接口電路和鼠標(biāo)接口電路，很多都屬于可選項(xiàng)，可以根據(jù)需求增減，例如增加SD卡，或增減存儲(chǔ)器的容量或?qū)⑵淙∩帷?、主控制器電路主控制器電路一般由微處理器實(shí)現(xiàn)，可以選用DSP處理器、ARM處理器、單片機(jī)、酷睿CPU及接口或者PC104板等，對(duì)于本發(fā)明的精神無(wú)實(shí)質(zhì)性區(qū)別。例如選用SAMSING公司的ARM處理器S3C2410/2440A，還可選億法公司的STM32F10X/20X/40X等微處理器。2、主控制器在系統(tǒng)中的作用結(jié)合圖附2，主控制器系統(tǒng)模塊一方面通過(guò)串行總線(xiàn)BUS_ITF與面板控制系統(tǒng)模塊中的前面板控制器電路完成信息交互，將用戶(hù)輸入的波形類(lèi)型、波形參數(shù)等技術(shù)指標(biāo)信息加以分析，生成訪問(wèn)函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元中波形生成&控制電路的寄存器命令；另一方面根據(jù)戶(hù)命令將系統(tǒng)的資源（例如波形數(shù)據(jù)等信息）發(fā)送給函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元中的波形生成&控制電路，最終使函數(shù)/任意波形發(fā)生器輸出用戶(hù)要求的波形；主控制器還監(jiān)視觸摸屏的輸入動(dòng)作并加以分析并執(zhí)行相應(yīng)操作，包括完成刷新LCD顯示屏界面圖形的操作。（三）、串行總線(xiàn)所述的串行總線(xiàn)是指連接面板控制系統(tǒng)模塊和主控制器系統(tǒng)模塊的串行總線(xiàn)，可使用UART或SPI總線(xiàn)。（四）、時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)&總線(xiàn)隔離系統(tǒng)模塊1、時(shí)鐘及時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)方案（1）波形生成系統(tǒng)模塊單獨(dú)使用一個(gè)晶振：在要求精度和穩(wěn)定性較高的函數(shù)/任意波形發(fā)生器，其波形生成系統(tǒng)模塊使用溫補(bǔ)晶振，為提高負(fù)載能力，加驅(qū)動(dòng)芯片，這里使用MAX公司的驅(qū)動(dòng)芯片MAX9120，其接線(xiàn)圖如圖4所示。方案（2）整個(gè)儀器使用一個(gè)晶振：此時(shí)取消主控制器的晶振（200_10），由400_1中的晶振完成，由主控制器內(nèi)部的鎖相環(huán)（PLL）調(diào)整主控制器的主頻。2、總線(xiàn)隔離單元所述的總線(xiàn)隔離系統(tǒng)模塊中的總線(xiàn)隔離單元一般選成品數(shù)字隔離器芯片，例如美國(guó)AD公司采用磁介質(zhì)隔離的ADuM1401芯片等。所述的串行總線(xiàn)可以是同步串行總線(xiàn)，還可以是異步串行總線(xiàn)，具體方案舉例如下：方案（1）使用SPI總線(xiàn)：SPI總線(xiàn)是四線(xiàn)制同步串行總線(xiàn)，本發(fā)明舍掉NSS信號(hào)不用，只使用SCLK、MOSI、MISO三條線(xiàn)（結(jié)合附圖2或3，x=3），使用SPI總線(xiàn)及隔離器ADuM1401芯片的方案接線(xiàn)圖如圖5所示。ADuM1401芯片的一側(cè)接與BUS_COM總線(xiàn)相連的主處理器芯片的SPI總線(xiàn)端口SCLK_COM、MOSI_COM和MISO_COM信號(hào)，芯片使用的電源+3.3DVDD_0和地DGND_0與主處理器電路共用；芯片另一側(cè)接與BUS_i總線(xiàn)相連的波形生成系統(tǒng)單元中的各個(gè)插卡擴(kuò)展槽引出的信號(hào)線(xiàn)SCLK_i、MOSI_i、MISO_i，這里i=1,2,…,n，芯片的電源+3.3DVDD_i和地DGND_i與相應(yīng)的插卡共用一套電源。方案（2）使用UART總線(xiàn)：UART總線(xiàn)是異步接收/發(fā)送總線(xiàn)，使用2根(x=2)信號(hào)線(xiàn)，即RXD和TXD信號(hào)線(xiàn)，由于UART總線(xiàn)速度較SPI低，可以使用光耦作為隔離器件，例如FAIRCHILD公司的6N137光耦芯片，此處不多贅述。方案（3）使用USART串行總線(xiàn)：USART串行總線(xiàn)有同步和異步方式。異步方式與UART總線(xiàn)一樣，同步方式要加一根同步時(shí)鐘線(xiàn)，此處不再贅述。（五）、波形生成系統(tǒng)模塊本發(fā)明所述的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置，其波形生成系統(tǒng)模塊使用了n=4個(gè)通道的函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元，插卡的個(gè)數(shù)可以依用戶(hù)對(duì)信號(hào)產(chǎn)生的通道數(shù)量需求來(lái)確定?？稍?~n塊之間選擇，很大的n是理論值，實(shí)際上要考慮總線(xiàn)的負(fù)載能力以及隔離器到各個(gè)插卡的信號(hào)阻抗匹配等諸多因素，n≤4可能最佳，n>4這種對(duì)信號(hào)通道要求過(guò)多的場(chǎng)合則可以考慮用多臺(tái)儀器級(jí)聯(lián)的方法來(lái)解決更佳。所述的波形生成系統(tǒng)模塊是函數(shù)/任意波形發(fā)生器系統(tǒng)的核心模塊，一般包括波形生成&控制電路、DAC電路和信號(hào)調(diào)理電路；1、波形生成&控制電路波形生成&控制電路又是函數(shù)/任意波形發(fā)生器插卡單元的核心。波形生成&控制電路的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以根據(jù)用戶(hù)對(duì)信號(hào)類(lèi)型等需求來(lái)決定，例如用直接數(shù)字頻率合成（DDS）方法。所述的波形生成&控制電路還可以生成脈沖波、三角波、方波等，更具特色的還可以由函數(shù)生成的波形或觸摸屏界面畫(huà)出的波形以及由儀器系統(tǒng)軟件編輯的任意波。所述的波形生成&控制單元可以由一片現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）芯片實(shí)現(xiàn)，所述的FPGA可以是Xilinx公司生產(chǎn)的，也可以是Altera公司等生產(chǎn)的芯片，對(duì)于本發(fā)明無(wú)實(shí)質(zhì)性區(qū)別。2、DAC電路DAC電路可根據(jù)用戶(hù)對(duì)輸出波形的頻率、精度等指標(biāo)來(lái)決定，例如AD公司的AD9736、AD9755、AD9747等D/A轉(zhuǎn)換器芯片。3、濾波&信號(hào)調(diào)理電路濾波&信號(hào)調(diào)理電路是生成的模擬輸出信號(hào)不可缺少電路部件?？梢愿鶕?jù)輸出信號(hào)的類(lèi)型選擇切換使用不同的濾波器；信號(hào)調(diào)理也根據(jù)輸出信號(hào)的類(lèi)型、輸出信號(hào)的頻率和幅度等技術(shù)指標(biāo)確定。4、地址設(shè)定電路所述的地址設(shè)定電路，以四通道為例，這種地址設(shè)定電路方案含2個(gè)電阻R0、R1，它們的一端接波形生成&控制單元電路的輸入端口；另一端接電源或地，生成00、01、10、11四種編碼，為四個(gè)擴(kuò)展槽設(shè)定的地址碼供插卡地址識(shí)別使用。本發(fā)明給出的函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置是各個(gè)通道相互隔離的，對(duì)于四個(gè)通道則需要四組獨(dú)立的電源，附圖6所示的四組電源是：+3.3DVDD_1和DGND_1、+3.3DVDD_2和DGND_2、+3.3DVDD_3和DGND_3以及+3.3DVDD_4和DGND_4。所述的一種插卡式多通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)及裝置，其特征在于：以四通道函數(shù)/任意波形發(fā)生器為例，參見(jiàn)圖7，主控制器向函數(shù)/任意波形發(fā)生器波形插卡單元發(fā)送的命令幀中設(shè)有的群發(fā)/單發(fā)標(biāo)志位Bit_i+1，當(dāng)Bit_i+1=1時(shí)為群發(fā)；Bit_i+1=0為單發(fā)，群發(fā)是同時(shí)向n個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器波形插卡單元發(fā)送同樣的命令和數(shù)據(jù)，所有函數(shù)/任意波形發(fā)生器波形插卡單元接收到命令幀時(shí)對(duì)Bit_i+1位加以判斷，Bit_i+1=1執(zhí)行群發(fā)功能；Bit_i+1=0則要繼續(xù)對(duì)標(biāo)志位Bit_i和Bit_i-1加以判斷，Bit_i·Bit_i-1取值為00、01、10、11四個(gè)，與四個(gè)擴(kuò)展槽的地址設(shè)定電路的地址設(shè)定碼對(duì)應(yīng)，所有函數(shù)/任意波形發(fā)生器波形插卡單元接收到命令幀后，其中只有一個(gè)函數(shù)/任意波形發(fā)生器波形插卡單元與Bit_i·Bit_i-1取值一致，從而確認(rèn)是發(fā)送給本插卡的命令并加以執(zhí)行，其它插卡則不執(zhí)行任何操作，附圖8是發(fā)送和接收命令幀的工作流程。上所述實(shí)施方式中的具體實(shí)施實(shí)例，應(yīng)理解為僅為本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方式之一，并不用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍，凡在本發(fā)明的精神和設(shè)計(jì)原則之內(nèi)，所做的任何改動(dòng)、等同替換、改進(jìn)等，都應(yīng)視為包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之中。