關(guān)于教學(xué)實(shí)用信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)的初步初探

羅毅 余云

摘 要：信號(hào)發(fā)生器是一種作為激勵(lì)源或者是信號(hào)源的電子的設(shè)備，它能夠產(chǎn)生各種的波形和頻率，其在教學(xué)實(shí)驗(yàn)、生產(chǎn)實(shí)踐和科技領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用，是最普遍使用的電子儀器之一。目前，市面上的信號(hào)發(fā)生器主要有：模擬信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和DDS信號(hào)發(fā)生器。本文通過(guò)對(duì)不同信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)原理進(jìn)行分析和對(duì)比，提出作者的一些看法。

關(guān)鍵詞：信號(hào)；發(fā)生器設(shè)計(jì)；分析

對(duì)于電子類專業(yè)的學(xué)生，除了學(xué)習(xí)理論知識(shí)外，還必須將所學(xué)理論知識(shí)付諸實(shí)踐，在實(shí)踐操作的過(guò)程中應(yīng)用理論知識(shí)、提高動(dòng)手能力，從而提高發(fā)現(xiàn)、解決問(wèn)題的能力，所以，實(shí)驗(yàn)是必不可少的環(huán)節(jié)，而信號(hào)波形發(fā)生器是實(shí)驗(yàn)過(guò)程最普遍、最基本、也是應(yīng)用最廣泛的電子設(shè)備之一。目前能夠?qū)崿F(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的技術(shù)，把其分為：模擬信號(hào)發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)發(fā)生器和DDS信號(hào)發(fā)生器。在這幾種信號(hào)發(fā)生器中，DDS信號(hào)發(fā)生器優(yōu)點(diǎn)最突出，可塑性更強(qiáng)，代表著目前信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)技術(shù)的主流。直接數(shù)字頻率合成（DirectDigitalSynthesis，簡(jiǎn)稱DDS）技術(shù)是一項(xiàng)比較新的頻率合成技術(shù)，它的產(chǎn)生，給信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了新的方向。近年來(lái)，直接數(shù)字頻率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis簡(jiǎn)稱DDS或DDFS）隨著微電子技術(shù)的發(fā)展得到了飛速的發(fā)展，相比于其它頻率合成方法，它的優(yōu)越性非常明顯。

1、信號(hào)波形發(fā)生器的發(fā)展概況及現(xiàn)狀

信號(hào)波形信號(hào)發(fā)生器歷史非常的久遠(yuǎn)，它產(chǎn)生于上個(gè)世紀(jì)20年代，那會(huì)，電子設(shè)備剛剛誕生。隨后，雷達(dá)發(fā)展起來(lái)了，通信技術(shù)也在不斷地發(fā)展，到了40年代，標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器開(kāi)始出現(xiàn)了，它的出現(xiàn)主要為了進(jìn)行各種接收機(jī)的測(cè)試，使信號(hào)發(fā)生器誕生之初主要是用來(lái)做定性分析的，隨著使用的要求不斷提升，慢慢發(fā)展成為了定量分析的測(cè)量?jī)x器。還是在這個(gè)時(shí)期，脈沖信號(hào)發(fā)生器也出現(xiàn)了，這個(gè)主要是用于脈沖方面的測(cè)量的。上面說(shuō)的這些信號(hào)波形發(fā)生器都是早期的一些產(chǎn)品，復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，比較大的功率，比較簡(jiǎn)單的電路，速度發(fā)展總體是比較慢的[2]。這種發(fā)展速度一直持續(xù)到1964年，第一臺(tái)用全晶體管做的信號(hào)波形發(fā)生器出現(xiàn)。

從60年代以候，信號(hào)波形發(fā)生器的發(fā)展速度就開(kāi)始加快了，有個(gè)代表作產(chǎn)品，那就是函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，但是模擬的電子方面的技術(shù)在這段時(shí)期是占主要的，組成的部分一般都是分立元件，或者是采用的模擬的集成方面的電路，電路結(jié)構(gòu)相比于60年代以前，要復(fù)雜了，產(chǎn)生的波形也多了些。70年又是一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，出現(xiàn)了微控制器，這個(gè)時(shí)候信號(hào)波形發(fā)生器的功能就開(kāi)始強(qiáng)大起來(lái)了，波形的產(chǎn)生也能比較復(fù)雜了。對(duì)信號(hào)波形發(fā)生器而言，軟件成為了這個(gè)時(shí)期的主要特征，通過(guò)程序用微控制器進(jìn)行相應(yīng)的處理，就能方便、靈活的或者一些比較簡(jiǎn)單的信號(hào)波形。這種方式也是有缺點(diǎn)的，那就是波形輸出的頻率不會(huì)很高，比較低，產(chǎn)生這個(gè)原因主要是微處理器的工作速度的問(wèn)題，當(dāng)然，還是有一些方法來(lái)提高輸出頻率。

2、研究信號(hào)發(fā)生器的意義

信號(hào)波形發(fā)生器，顧名思義，就是用來(lái)產(chǎn)生各種波形的，比如說(shuō)：三角波、正弦波、方波、鋸齒波等等。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，它的功能也在不斷地增強(qiáng)。作為一個(gè)電子工程師，信號(hào)波形發(fā)生器是必備的工具之一，除此之外，信號(hào)波形發(fā)生器的應(yīng)用幾乎滲透到教學(xué)、生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、科研、乃至日常生活等眾多領(lǐng)域，使用相當(dāng)普遍，是一種基礎(chǔ)儀器。

目前而言，大部分信號(hào)波形發(fā)生器都采用了微處理器設(shè)計(jì)，相比于傳統(tǒng)的純硬件設(shè)計(jì)方式，它的精度更高、可靠性更好，而且價(jià)格便宜、操作方便，更重要的是具有智能化，代表著智能化儀器的一個(gè)發(fā)展方向，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

3、信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì)方案的探討與比較

方案一：電阻陣列和模擬開(kāi)關(guān)組合使用，實(shí)現(xiàn)階梯波。但是，模擬開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通電阻會(huì)形成干擾，為消除該干擾，需另加電位器微調(diào)，從而導(dǎo)致硬件體積過(guò)于龐大，精度也難以實(shí)現(xiàn)要求。同時(shí)在實(shí)現(xiàn)高精度的增益階躍的時(shí)候，選取精密電阻難度較大。

方案二：鎖相環(huán)（PLL）頻率合成。通過(guò)鎖相環(huán)鎖定高穩(wěn)定度的晶體振蕩頻率，改變環(huán)內(nèi)串接的可變分頻器N，得到N倍參考頻率的高穩(wěn)定輸出fo=1KHZ～10MHZ。這一工作頻率的鎖相環(huán)路fo=Nfr，fo經(jīng)可編程分頻器N后，送入鑒相器，以保持分辨率△fo=fr=100HZ=0.1KHZ，但由于可編程分頻器還不能工作到超低頻率和超高頻率，這就限制了合成器的輸出頻率。雖然合成器的輸出頻率通過(guò)加了前置固定分頻器得以提高，但是頻率分辨率卻降低了。普通鎖相環(huán)電路難以調(diào)節(jié)。另外此方案輸出信號(hào)的幅度控制是非線性的，步進(jìn)困難。因此該方案不可取。

方案三：由晶振產(chǎn)生穩(wěn)定的基準(zhǔn)頻率，經(jīng)過(guò)分頻后用作地址計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器的輸出與EPROM的地址線相接，地址計(jì)數(shù)器中產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)值，從EPROM中就會(huì)選出與之對(duì)應(yīng)單元的數(shù)據(jù)，送給D/A轉(zhuǎn)換器，經(jīng)轉(zhuǎn)換后由輸出部分輸出不同的波形，如正弦波、脈沖波等[7]。CPU主要用來(lái)控制和管理。

經(jīng)過(guò)相應(yīng)的理論分析與計(jì)算，我們得到：

（1）由于是采用計(jì)數(shù)器直接控制EPROM的方式來(lái)產(chǎn)生各種波形，可以提高輸出頻率。

（2）由于用晶振做基準(zhǔn)時(shí)鐘源，故輸出信號(hào)頻率穩(wěn)定。

（3）由于使用CPU（這里采用8089單片機(jī)）來(lái)控制分頻、控制波形的選擇、控制D/A轉(zhuǎn)換及輸出，波形的頻率、幅值能夠根據(jù)需要方便的產(chǎn)生，而且提高了顯示功能。

本方案的缺點(diǎn)是：用這種分頻的方法不能達(dá)到指標(biāo)所要求的信號(hào)在20Hz～20kHz范圍內(nèi)≤5Hz步進(jìn)可調(diào)這一指標(biāo)，分析如下：

令

式中 為輸出頻率， 為晶振的基準(zhǔn)頻率， 為基準(zhǔn)頻率經(jīng)分頻器分頻后的值，N為分頻器的分頻系數(shù)。令每個(gè)信號(hào)周期T所取的點(diǎn)數(shù)為50。

若步進(jìn)值為5Hz，用10MHz晶振，則有

式中 ， 為輸出信號(hào)的頻率，其差值為步進(jìn)值。

即，

可得：

則

由此可見(jiàn)，當(dāng)采用10MHz晶振時(shí)，輸出信號(hào)只能在20至100Hz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)位為5Hz。

方案四：利用數(shù)字頻率合成技術(shù)（DDS），依托FPGA這個(gè)核心部件平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)的信號(hào)波形穩(wěn)定性好、精度高、平滑。加上FPGA所具有的高速運(yùn)算能力，控制更方便，產(chǎn)生波形頻率更高，輸出信號(hào)頻率范圍大，同時(shí)步進(jìn)較小。由單片機(jī)AT89S52和4×4鍵盤(pán)電路來(lái)完成系統(tǒng)相位控制字和頻率控制字的輸入，把輸入信號(hào)送入FPGA；，同時(shí)相位與頻率由單片機(jī)控制LED顯示出來(lái)。由現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）查表輸出數(shù)字形式的波形數(shù)據(jù)，再經(jīng)高速數(shù)模轉(zhuǎn)換輸出波形，可以輸出幾乎無(wú)失真的穩(wěn)定波形。

4、結(jié)論

通過(guò)實(shí)踐證明：采用方案四最為可行，在FPGA平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)DDS原理更為靈活、適用。從理論上講，我們完全可以按照我們的需求來(lái)設(shè)計(jì)FPGA的功能，因?yàn)橥ㄟ^(guò)改變FPGA的數(shù)據(jù)，就能實(shí)現(xiàn)我們想要的波形，系統(tǒng)方便又靈活。雖然FPGA在實(shí)現(xiàn)波形精度方面會(huì)有不足，但是問(wèn)題不大，F(xiàn)PGA芯片能支持系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)升級(jí)，完全能滿足我們教學(xué)上的使用要求。FPGA平臺(tái)實(shí)現(xiàn)DDS從而產(chǎn)生信號(hào)波形，成本投入并不大，相反，采用DDS專用芯片的成本會(huì)高的多。綜上分析，我們的這種設(shè)計(jì)性價(jià)比很高。信號(hào)；發(fā)生器設(shè)計(jì)；分析

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