一種基于DDS和Qt的“所見即所得”波形發(fā)生器

0 引言
    隨著電路設(shè)計(jì)的多樣化，電路測試也對信號源提出了更高的要求。傳統(tǒng)的信號源只能產(chǎn)生幾種固定的波形，靈活度較差。任意信號發(fā)生器(AWG)很好地滿足了這個(gè)要求，它不僅可以輸出標(biāo)準(zhǔn)信號，而且可以方便地產(chǎn)生任意波形，在測控、通信，醫(yī)療等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。任意信號發(fā)生器通常采用直接數(shù)字頻率合成(direct digital frequency synthesizer，DDS)技術(shù)實(shí)現(xiàn)。DDS技術(shù)是J．Tiemev在1971年首次提出的一種以全數(shù)字技術(shù)，它從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的合成原理。Qt是一個(gè)跨平臺的C++圖形用戶界面應(yīng)用程序框架。它提供給應(yīng)用程序開發(fā)者建立圖形用戶界面所需的所用功能。Qt是完全面向?qū)ο蟮?，模塊化程度非常高，很容易擴(kuò)展，并且允許真正地組件編程。  Qt具有優(yōu)良的跨平臺特性，支持多種系統(tǒng)和平臺，包括Windows系統(tǒng)，所有的UNIX系統(tǒng)以及嵌入式系統(tǒng)等。Qt遵循GPL(general public lice-nse)協(xié)議，開放主要的源代碼，用戶可以在GPL的規(guī)定下自由添加新特性。

1 DDS模塊的設(shè)計(jì)
1．1 DDS在FPGA中的實(shí)現(xiàn)
    DDS由相位累加器，波形存儲器，D／A轉(zhuǎn)換器，低通濾波器等部分組成。該系統(tǒng)的DDS模塊根據(jù)需要做了適當(dāng)?shù)男薷?。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

    (1)增加了通信接口電路和DD8控制模塊用于接收用戶數(shù)據(jù)和控制DDS的運(yùn)行狀態(tài)。
    (2)基準(zhǔn)時(shí)鐘采用5 MHz，經(jīng)過可控分頻器分頻后作為DDS的時(shí)鐘信號，周期分辨率最高可達(dá)200 ns(即分頻為1)。
    (3)相位累加器的頻率控制字固定為1，相位控制字固定為0。
    (4)波形存儲器采用RAM，可以寫入用戶自定義的波形數(shù)據(jù)以產(chǎn)生任意波形，其地址寬度設(shè)置為11 b，這樣存儲深度可達(dá)2K點(diǎn)。
    (5)電平偏移電路用于消除D／A輸出信號中疊加的無效直流分量，對于有效的直流分量會保留。
1．2 通信接口及控制寄存器的設(shè)計(jì)
    DDS控制寄存器控制整個(gè)DDS模塊的運(yùn)行參數(shù)和狀態(tài)，并通過通信接口接收來自ARM的數(shù)據(jù)。根據(jù)需要共設(shè)置了8個(gè)寄存器，地址從O～7。其功能和分配如表1所示。

   表1其中：
    (1)0～3 B存儲分頻參數(shù)，占用32位，因此分頻范圍為1～232。
    (2)4～5 B存儲相位累加器的參數(shù)，用于控制波形點(diǎn)數(shù)和觸發(fā)模式，其各位的含義如表2所示。

    (3)6 B只使用了最低位，為1啟動DDS，為0則停止DDS。
    (4)地址7是一個(gè)虛地址，并不對應(yīng)著實(shí)際的物理寄存器，而是與相位累加器組合指向RAM的某一個(gè)單元，通過對地址7的寫操作就間接的實(shí)現(xiàn)了對整個(gè)RAM的操作，這樣大大簡化了對DDS的控制操作。
1．3 電平偏移及放大電路
    電平偏移及放大電路用于消除輸出信號中疊加的無效直流分量(允許有效直流量輸出)和調(diào)整信號增益，其電路圖如圖2所示。

    根據(jù)圖2電路有：
   
    式中：Rv是R4兩部分的并聯(lián)電阻，當(dāng)
   

2 Qt程序設(shè)計(jì)
2．1 GUI設(shè)計(jì)
    GUI(圖形用戶界面)是人機(jī)交互的窗口，GUI的設(shè)計(jì)直接關(guān)系到產(chǎn)品的可操作性，是軟件設(shè)計(jì)中非常重要部分。考慮到觸摸屏面板的空間有限，因此控件(Widgets)的設(shè)計(jì)盡量緊湊。該系統(tǒng)的GUI設(shè)計(jì)見圖3。

    左側(cè)為工具欄，右側(cè)黃色區(qū)域?yàn)槔L圖區(qū)。繪圖區(qū)提供了滾動條，用于繪制超出屏幕范圍的波形?？梢岳L制較長的序列信號。工具欄從上到下分為繪圖模式選擇區(qū)，波形輸出設(shè)定區(qū)，時(shí)間設(shè)定區(qū)及清屏和退出按鈕。波形的繪制只允許從左向右進(jìn)行，一個(gè)時(shí)刻只對應(yīng)一個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)；已繪制波形允許修改，修改過程中自動變成紅色，修改完畢自動變成默認(rèn)顏色。
2．2 Qt編程原理和方法
    Qt程序設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蠛褪录?qū)動的方法，整個(gè)GUI程序劃分為兩個(gè)類，其中主窗口為一個(gè)類，類名為MainWindow，繼承自Qt的QMa-inWindow類，它提供了工具條(toolbar)和一個(gè)主窗口(mainwindow)；另一個(gè)類是DrawWidget，提供了一個(gè)繪圖區(qū)域，有4種事件，分別為觸摸筆按下(mousePressEvent)，移動(mouseMoveEvent)，松開(mouseReleaseEvent)和繪圖區(qū)重繪事件(paintEvent)。同時(shí)提供了處理波形的函數(shù)waveProcess和調(diào)用底層驅(qū)動的接口。滾動條是通過QScrollView類提供的視圖功能來實(shí)現(xiàn)的。延遲輸出功能通過Qtimer類來實(shí)現(xiàn)，延遲范圍0～999 s。觸摸筆的3個(gè)事件的發(fā)生順序和處理過程見圖4。

    信號／槽機(jī)制是Qt的一個(gè)中心特征，用于對象間的通訊。繪圖事件(paintEvent)采用雙緩沖機(jī)制。雙緩沖技術(shù)是一種GUI編程技術(shù)，它指的是在一個(gè)不在屏幕上的位圖上渲染一個(gè)物件并把此位圖拷貝到屏幕上，常用于消除閃爍和提供一個(gè)快速用戶界面。該程序采用了Qpixmap類來實(shí)現(xiàn)雙緩沖。
2．3 驅(qū)動程序設(shè)計(jì)
    Linux設(shè)備驅(qū)動程序是系統(tǒng)內(nèi)核的一部分，運(yùn)行于內(nèi)核態(tài)。其可以以兩種方式被編譯和加載：直接編譯進(jìn)Linux內(nèi)核和編譯成一個(gè)可加載和刪除的模塊，通過modprobe／insmod和rmmod來加載和卸載驅(qū)動模塊。該系統(tǒng)即采用字符設(shè)備驅(qū)動。在系統(tǒng)內(nèi)部，I／O設(shè)備的存／取通過一組固定的入口點(diǎn)來進(jìn)行，具體到Linux系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動程序所提供的這組入口點(diǎn)由一個(gè)文件操作結(jié)構(gòu)file_operation來向系統(tǒng)進(jìn)行說明。該系統(tǒng)的驅(qū)動函數(shù)需要提供3個(gè)函數(shù)調(diào)用，read函數(shù)用于讀取DDS運(yùn)行狀態(tài)，write函數(shù)用于向DDS寫入?yún)?shù)和波形數(shù)據(jù)，ioctl函數(shù)用于復(fù)位／啟動／停止DDS。另外還需要打開(open)和關(guān)閉設(shè)備函數(shù)(close)。File_operatio的定義如下：
   
    驅(qū)動程序在wave_ioctl，wave_wirte，wave-read等幾個(gè)函數(shù)中具體實(shí)現(xiàn)。所需的波形參數(shù)和數(shù)據(jù)通過Qt程序打包，調(diào)用write函數(shù)(對應(yīng)驅(qū)動程序中的wave_wrtie函數(shù))一次性寫入DDS模塊。最終將驅(qū)動程序編譯為模塊文件(*．ko)，通過命令modprobe和rmmod來加載和卸載驅(qū)動模塊。

3 系統(tǒng)操作及測試
    (1)設(shè)置波形參數(shù)，包括繪圖模式，時(shí)間軸刻度，輸出延時(shí)等。
    (2)繪制波形，并作相應(yīng)的修改，最終完成波形繪制。在松開觸摸筆之后Qt程序根據(jù)所選擇的波形繪制模式對波形進(jìn)行處理和優(yōu)化并重新顯示出來。
    (3)點(diǎn)擊單次觸發(fā)模式或重復(fù)(循環(huán))觸發(fā)模式，此時(shí)Qt程序提取時(shí)間軸刻度參數(shù)，轉(zhuǎn)換為DDS中可控分頻器的分頻參數(shù)，并將這些參數(shù)和處理后的波形數(shù)據(jù)打包傳輸給DDS模塊，輸出延時(shí)完畢則啟動DDS，即產(chǎn)生與所繪波形相同的實(shí)際電信號，達(dá)到“所見即所得”的效果，如圖5所示(時(shí)間刻度為100μs)。

4 結(jié)語
    任意波形發(fā)生器是現(xiàn)代電子技術(shù)的一個(gè)新發(fā)展，本文給出了一種基于DDS和Qt的任意波形發(fā)生器的整體設(shè)計(jì)方案，分析了DDS在FPGA中的實(shí)現(xiàn)和Linux下Qt程序的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)最大的特點(diǎn)是“所見即所得”，即繪制何種波形就可立即產(chǎn)生何種波形，非常直觀，從而以滿足各種電路測試，通信等領(lǐng)域快速產(chǎn)生任意波形信號的要求。