基于嵌入式ARM的波形发生器的研究与实现

论文摘要

任意波形发生器（AWG, Arbitrary Waveform Generator）是随着不断进步的计算机技术和微电子技术在测量仪器中的应用而形成和发展起来的一类新型信号源。AWG能够产生各种标准波形信号和用户自定义任意波形信号,并且精度高、稳定性强、可重复性和易操作性好,具有广阔的应用前景。本文研究的是一种基于ARM （Advanced RISC Machines）嵌入式系统和直接数字合成技术（DDS, Direct Digital Synthesis）的新型任意波形发生器系统。其中,DDS是其核心技术原理。DDS技术是一种先进的频率合成技术,其主要优点是易于程控,相位连续,输出频率稳定度高、范围宽、分辨率高,是任意波形发生器研究的一个重要方向。本文详细讨论了DDS系统的基本组成、工作原理和特点。同时,对应用DDS技术合成信号的频谱杂散性作了详细分析,给出了改善合成信号频谱纯度的方法。DDS技术的实现依赖于高速、高性能的数字器件。本文选择基于S3C44B0X微处理器的ARM嵌入式系统实现DDS技术。S3C44B0X是三星公司的一款ARM7芯片,基于ARM公司的16/32位RISC处理器内核ARM7TDMI设计,拥有高速、低功耗、多功能、高性价比,特有双指令集等诸多优异的性能,适于作为仪器的主控制芯片。本文从工程应用的角度出发,深入研究基于ARM嵌入式系统、以DDS技术为核心的任意波形发生器技术。设计了一个以S3C44B0X+TMS320VC5416双核系统和AD9854 DDS专用芯片为主要功能单元的实际任意波形发生器,阐述了软/硬件详细开发过程,给出了任意波形发生器的电路框图、电路原理图、设计过程和详细的软件流程图,介绍了任意波形编辑软件的开发流程。通过测试,证明本任意波形发生器达到了预期的设计要求。最后,对全文的主要研究内容进行了总结,指出了设计过程中遇到的问题及存在的不足之处,给出了主要研究结论和今后的研究方向。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 波形发生器的大体功能及相关性能指标
• 1.3 当前波形发生器现状及发展趋势
• 1.4 研究波形发生器的目的和意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 任意波形发生器的理论研究和设计方案
• 2.1 波形发生器工作原理概述
• 2.2 DDS 技术原理简介
• 2.2.1 DDS 技术原理
• 2.2.2 DDS 技术特点
• 2.3 DDS 合成信号的频谱分析
• 2.3.1 理想状态下DDS 的频谱分析
• 2.3.2 非理想DDS 的频谱分析
• 2.4 任意波形产生原理
• 2.5 任意波形发生器的方案选择
• 2.6 本章小结
• 第三章 任意波形发生器的硬件构成与分析
• 3.1 任意波形发生器的总体设计方案
• 3.2 任意波形发生器的硬件构成原理
• 3.3 控制电路设计
• 3.3.1 什么是嵌入式
• 3.3.2 TMS320VC5416 简介
• 3.3.3 键盘及显示模块
• 3.3.4 信号采集模块
• 3.3.5 串行数据通信模块
• 3.3.6 ARM7 与DSP 通信模块
• 3.4 硬件电路的制作与调试
• 3.4.1 硬件抗干扰措施
• 3.4.2 电路板的测试
• 3.5 本章小结
• 第四章 波形的产生与调制电路设计
• 4.1 常规波形的产生与调制
• 4.1.1 滤波电路
• 4.1.2 时钟电路
• 4.1.3 方波的产生
• 4.1.4 运放电路
• 4.1.5 频率、相位与幅度控制
• 4.2 任意波产生与调制
• 4.2.1 DSP 芯片及外围配置电路
• 4.2.2 DSP 存储器扩展
• 4.2.3 任意波形信号调制电路
• 4.2.4 频率、相位与幅度控制
• 4.3 本章小结
• 第五章 基于ARM 技术的波形发生器系统软件设计
• 5.1 引言
• 5.2 嵌入式系统的特点及开发流程
• 5.3 系统软件的总体设计
• 5.4 基于ARM 技术系统软件的设计
• 5.4.1 S3C44B0X 启动代码
• 5.4.2 应用程序初始化
• 5.4.3 uClinux 操作系统
• 5.4.4 MiniGUI 图形用户界面支持系统
• 5.5 ARM 用户功能程序设计
• 5.5.1 数据采集模块
• 5.5.2 RS232 通信模块
• 5.5.3 HPI 通信模块
• 5.5.4 AD9854 控制模块
• 5.6 DSP 系统软件的设计
• 5.6.1 C5416 的启动代码
• 5.6.2 功能程序设计
• 5.7 波形编辑软件的设计
• 5.7.1 波形编辑器的设计框架
• 5.7.2 发送波形数据到硬件存储器
• 5.8 本章小结
• 第六章 实验及结果分析
• 6.1 波形发生器输出信号的性能测试
• 6.2 实验结果分析
• 第七章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 心得与体会
• 7.3 不足与展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录