多功能智能函数信号发生器的设计

收稿日期:2002-09-27

作者简介:熊飞丽(1963)),女,讲师,主要研究方向为智能仪器与网上实验技术。

文章编号:1000-8829(2003)04-0009-04

多功能智能函数信号发生器的设计

Design of an Intelligent Sign al Generator With Multiple Functions

(国防科技大学机电工程与自动化学院,湖南长沙 410073)

熊飞丽,王光明,刘国福

摘要:介绍了一种采用传统的信号发生器的原理结合直接数字波形合成(DDS)技术、高速D P A 、A P D 转换技术、数字信号处理(DSP)技术和智能仪器仪表技术而设计的一种多功能智能函数信号发生器。它不仅具有输出信号波形种类多、精度高、可程控等特点,并且具有实时显示输出信号波形及其主要参数的功能。关键词:信号发生器;DSP;DDS;高速A P D 转换;高速

D P A 转换

中图分类号:TP346文献标识码:B

Abstract :The article introduces the design of an intell-i

gentized generator with multiple func tions,which is based on the principle of the traditional signal generator integrated with the techniques on Direc-t digita-l frequency -synthesizer,

High speed A P D conversion,Digital signal processing and In -telligentized instrument.The generator has virtues of Gener -ating multiple sorts of signals,high precision and program -ming of output signals.The waveform and parameters of out -put signals are displayed timely on LC D screen.

Key words :signal generator;DSP;DDS;high speed A P D;

conversion;high speed;D P A conversion 信号发生器按工作原理[1,2]

可分为:调谐信号发生

器、锁相信号发生器和合成信号发生器。

(1)调谐信号发生器是由调谐振荡器构成。传统调谐信号发生器都是由调谐振荡器和统调的调幅放大器(输出放大器)加上一些指示电路构成。这种信号发生器结构复杂、频率范围窄,而且可靠性、稳定性较差,但其价格低廉。随着半导体器件的发展,其性能有所改善。

(2)锁相信号发生器是由调谐振荡器通过锁相的

方法获得输出信号频率的信号发生器。这种信号发生器频率精度和稳定度高,但快速、程控比较困难,同时输出信号的频率分辨率较差。

(3)合成信号发生器是采用频率合成的方法构成的信号发生器。由于合成信号发生器具有较高的频率稳定度,很容易实现数字显示频率,因此,频率分辨率高和频率的置定重复性好,以及能方便实现频率的程序控制是合成信号发生器的重要特点。然而,合成信号发生器本身在进行频率运算的过程中会产生寄生分量,将对信号正常处理过程产生干扰。

由于调谐信号发生器结构复杂,不易实现程控,且频率范围窄;而合成信号发生器最方便实现智能化,且有较高的综合性能。根据这些特点,本文介绍了一种采用传统的合成信号发生器的原理结合直接数字波形合成(DDS)技术、高速D P A 、A P D 转换技术、数字信号处理(DSP)技术和智能仪器仪表技术而设计的一种具有实时显示输出信号波形及其主要参数功能的新一代智能函数信号发生器。

1 方案设计

1.1 函数周期信号的产生

对于周期信号的产生有3方案可以实施。

方案一:采用波形数据的产生和波形的拟合相分离[5]

,利用数字信号处理器DSP 生成数据与查表相结合的方法合成高频周期信号,结构框图见图1。基本波形数据固化在EPROM 中,输出某种波形时,首先根据基本波形或公式算出波形数据送入RAM,然后再由查表电路不断地、周而复始地从RAM 中取出数据,通过高速DAC 和程控放大器输出,频率由控制器通过频率合成器设定。特点是既能产生任意的周期信号,又便于程控,但其控制器结构复杂,生成高频信号对器件性能和电路设计制作要求高,价格昂贵。例如产生20MHz 的信号,用20个点的数据进行拟合,则需要速度高达400MS P s 的DAC 转换器。

图3 系统原理硬件框图

图1 方案一结构框图

方案二:周期信号完全利用硬件电路的方法产生。随着半导体集成器件的迅速发展,出现了许多外围电路简单、调节方便、性能好、价格较低廉的单片集成精密函

数波形发生器[6]

。例如美国MAXI M 公司研制的单片高频精密函数波形发生器MAX038,美国Harris 公司生产的单片精密函数波形发生器IC L8038),可选用单片集成函数波形发生器,通过DAC 将数字信号转化为模拟信号对其参数进行程控,产生波形经程控放大器输出,结构框图如图2所示。特点是产生信号的频率范围宽,电路结构简单,价格便宜,但产生的周期信号波形受限,仅能生成正弦波、方波、矩形波、锯齿波、三角波这几种函数的波形,对于梯形波、指数信号、高斯信号、随机信号、扫频信号等特殊测试信号则无能为力。

图2 方案二结构框图

方案三:利用方案一与方案二相结合的方法,即常用周期信号(如正弦波、方波、三角波等)的生成采用方案二的方法,而对于频率小于2MHz 的特殊测试信号采用方案一的方法生成。由于采用直接数字合成的波形频率较低,对DAC 的要求很容易满足,且DSP 可对其直接控制进行波形拟合,从而可大大简化频率合成器和控制器的结构。特点是产生的波形精度高、稳定性好、电路结构简单、能产生任意的周期信号,但产生的特殊测试信号频率范围不够宽。1.2 控制系统及显示部分

控制系统采用双微处理器方法实现,CP U 选用易于快速实现各种数字

信号处理算法的DSP 芯片[3]

和控制能力强、编程灵活、价格便宜、应用技术

成熟的MCS -51系列单片机[4]

。DSP 作为主微处理器,主要进行数据处理和控制函数波形的产生,MC S -51单片机作为辅助微处理器,主要控制人机

对话,进行对键盘与显示器的管理和控制。显示器选用具有体积小、外型薄、耗能小、无辐射、显示信息量大等优点的液晶显示器LC D 。1.3 数据采集系统

在系统中对于函数波形信号的测试和处理需经过高速数据采集模块对函数波形信号进行实时采集,采集的数据可同时送到LC D 直接显示和送给DSP 进行处理、分析(计算频率、幅值等参数)。并且,高速数据采集模块可以采集系统外部输入信号,与整个系统配合实现外部输入信号的测试和再现。

在为某电子仪器仪表公司研制开发的智能函数信号发生器中,采用了方案三的方法设计了一种具有较高性能价格比的多功能智能函数信号发生器。下面对其系统整体方案作具体阐述。

2 系统硬件总体框图及原理

系统原理硬件框图如图3所示,由3部分组成:任意周期信号产生模块,高速数据采集模块,处理系统及显示部分。

2.1 任意周期信号产生模块

主要完成常用周期信号的产生与任意周期波形的合成,由控制器、多路DAC 、MAX038、高速DAC 、程控模拟信号放大器和低通滤波器组成。特点:

(1)对于正弦波、方波、矩形波、锯齿波、三角波等常用信号采用基于高频精密函数波形产生器件

MAX038[6]

为核心的硬件电路产生。MAX038不仅具有