高精度多路实时可编程信号源设计及关键技术研究

论文摘要

高精度多路实时可编程信号源旨在提供多路、多种信号形式的高精度模拟信号。在本课题中有针对性地提出了一种信号源实现方法：结合DDS原理利用高精度D／A转换器构建波形重构电路，用电子开关实现多路切换，利用USB总线将计算机与测试台相连可完成波形数据的实时下载，实现了信号源的实时可编程。在设计中，利用单片机集成的高精度A／D构建了反馈自检模块，建立了一个闭环控制系统，有效地改善了系统的整体精度。该方法有效结合了DDS原理，将单片机技术、FPGA技术等进行了有机的结合，使其充分发挥了各自的优点。在进行硬件设计前期对影响信号幅值输出精度的因素进行了详细的理论分析与量化描述。根据以上分析，在确定了硬件设计方案后，分别对关键电路的主要误差进行了估算，并通过电路上的一些技巧及降噪技术来保证其误差尽量小。之后对系统误差进行了估算，并保证所估算的系统误差在最终误差要求的70％以内。在软件方面，模块化了各单元要实现的功能，深入分析了计算机与单片机以及单片机与FPGA之间的通信过程并制定了完备且可扩展的通信协议。最终研制出样机，证明了该方法的可行性，给出了相关的测试数据及结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 信号源概述
• 1.1.1 信号源的种类及功能
• 1.1.2 信号源的实现方法及优缺点
• 1.2 高精度多路可控信号源的国内外发展概况
• 1.3 课题背景及意义
• 1.4 高精度信号源输出策略
• 第二章 信号重构理论及影响精度的因素分析
• 2.1 信号重构理论
• 2.1.1 采样理论
• 2.1.2 理想情况下信号的恢复
• 2.2 信号重构在信号源技术中的应用
• 2.3 影响信号输出精度因素分析
• 2.3.1 噪声建模分析及定量描述
• 2.3.2 集成运算放大器的静态误差
• 2.3.3 D/A转换器及参考电压
• 2.3.4 电子开关切换电压保持电路对精度的影响
• 2.3.5 闭环控制系统对信号精度提高的贡献
• 第三章 匹配装置测试台及高精度信源卡方案设计
• 3.1 系统工作原理
• 3.2 系统整体设计方案
• 3.2.1 功能设计
• 3.2.2 结构设计
• 3.2.3 背板设计
• 3.2.4 供电设计
• 3.3 系统设计分析
• 3.3.1 可行性
• 3.3.2 可靠性
• 3.3.3 维修性
• 3.4 匹配装置测试台的主要技术指标
• 3.5 高精度信号源卡的实现方案
• 第四章 高精度信号源卡的软、硬件设计
• 4.1 关键电路及时序
• 4.1.1 接口调理电路
• 4.1.2 控制电路设计
• 4.1.3 波形重构电路设计
• 4.1.4 多路切换及后端调理
• 4.1.5 反馈模块
• 4.1.6 系统误差估算
• 4.2 软件设计
• 4.2.1 软件开发平台
• 4.2.2 FPGA程序设计
• 4.2.3 C8051F060程序设计
• 4.3 关键技术总结
• 4.4 硬件调试
• 4.4.1 技术问题及解决方案
• 4.4.2 信号源输出测量
• 4.4.3 反馈标定
• 第五章 结论
• 5.1 结论
• 5.2 后续工作展望
• 附录1 高精度信号源卡板卡实物图
• 附录2 电路原理及PCB版图
• 附录3 优先权交叉开关译码表
• 参考文献
• 硕士期间参与的主要项目及发表论文
• 致谢