信号发生器的设计[文献综述]

文献综述

电子信息工程

信号发生器的设计

摘要：波形发生器信号源作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是部队技术保障中，都有着广泛的使用。直接数字频率合成（DDS）是一种重要的频率合成技术，具有分辨率高、频率变换快等优点，在雷达及通信等领域有着广泛的应用前景。通过对微处理器模块、显示模块、键盘控制模块、信号产生模块的比较，分析各个模块的优缺点，确定DDS信号发生器方案。

关键词：直接数字频率合成；模块；信号源

波形发生器信号源作为一种基本电子设备无论是在教学、科研还是在部队设备技术中，都有着广泛的使用。随着科学技术的发展和测量技术的进步，普通的性能单一的波形发生器已经无法满足目前日益发展的电子技术领域的生产调试需要。常用波形发生器只能产生方波、三角波、正弦波等规则波形，而在某些应用（如利用超声导波对管道缺陷进行检测）中需要一种"任意波形发生器"（Arbitrary Frequency Generator）. 要想实现性能复杂、波形多样的发生器就必须使用频率合成技术[1]。它不仅能够输出频带宽、频率分辨率高且稳定的标准波形，而且能够简便、直观地指定波形形状，并设定波形的复现频率和幅值。

近些年发展起来一种新兴技术——直接数字频率合成（DDS）技术，它具有频率分辨率高、频率切换速度快、切换相位连续、可输出宽带正交信号、输出信号相位噪声低、可产生任意波形、全数字化易于集成、体积小、重量轻等优点[2]。DDS的这些优点使得它已成为雷达、通信、电子战等系统中信号源的首选。随着科学技术发展以及现代战争的需要，DDS在电子领域中将有着更广泛的应用[3]。

之前已有许多关于信号发生器的设计和研究，留下许多新颖、多样方案。并由于大规模集成电路控制芯片的高速发展，各种芯片品种多样，导致对整个设计控制部分的不一致性，进而又使对数据的处理及显示的方式的多样性。

经过对大部分资料文献综合之后，本人对实现信号发生器的方案分4个不同模块进行分析，分析如下文所述：

1、信号产生模块

方案（1）：使用集成函数发生器芯片

集成函数芯片有ICL8038等。ICL8038能输出方波、三角波、正弦波和锯齿波四种不同的波形，将它作为正弦信号发生器。它是电压控制频率的集成芯片，失真度很低。可输入不同的外部电压来实现不同的频率输出。但是发挥部分要求正弦波以1Hz为步进增加，所以用ICL8038不方便控制。

方案（2）：采用锁相式频率合成（PLL）

锁相式频率合成是将一个高稳定度和高精度的标准频率经过加减乘除的运算产生同样稳定度和精确度的大量离散频率的技术，它在一定程度上解决了既要频率稳定精确，又要频率在较大范围内可变的矛盾，但频率受VCO可变频率范围影响，高低频率比不可能作得很高，随着频率稳定度的提高，PLL的锁定时间越来越来越长[4]。

方案（3）：直接数字频率合成（DDS）

直接数字频率合成技术是根据相位间隔对正弦信号进行取样、量化、编码，然后储存在EPROM中构成一个正弦查询表[5]。频率合成时，相位累加器在参考时钟的作用下对时钟脉冲进行计数，同时将累加器输出的累加相位与频率控制字K预置的相位增量相加，以相加后的吉果形成正弦查询表的地址；取出表中与该相位对应的单元中的幅度量化正弦函数值，经D ／A转换器输出模拟信号，再经低通滤波器平滑得到符合要求的模拟信号。相位累加器的最大计数长度与正弦查询表中所存储的相位分隔点数相同，由于相位累加器的相位增量不同，将导致一周期内的取样点数不同，在取样频率(由参考时钟频率决定)不变的情况下，输出信号的频率也相应变化[6]。如果设定累加器的初始相位，则可以对输出信号进行相位控制。2、微处理器模块

方案（1）：基于FPGA芯片的DDS信号发生器设计

随着直接数字频率合成技术和现场可编程门阵列（FPGA）技术的迅速发展和广泛应用，为数字信号发生器的实现提供了更便捷的实现方式。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，密度高，速度快，稳定性好等许多有点[7]。FPGA在掉电后会丢失数据上电后须进行一次配置，因此FPGA在应用中需要配置电路和一定的程序。并且FPGA作为数字逻辑器件，竞争、冒险是数字逻辑器件较为突出的问题，因此在使用时必须注意毛刺的产生、消除及抗干扰性。

该设计利用DDS技术把各种信号的数字量通过DAC转换成模拟量。DDS系统主要由频率控制字、相位累加器、FLASH以及数模转换器DAC够成。在信号发生器的存储单元部分，需把波形数据存储在FPGA的存储块中，波形发生器的存储单元要具有强大的数据存储功能，需RAM和FLASH实现对波形存储[8]。在每一个时钟脉冲作用下，把信号波形输出频率数据累

加起来，并且将波形发生器的读写地址连接到累加器数据输出的一部分，从波形存储器读取出来的地址通过数模转换器转变成相对应的电压信号；通过DAC输出的电压信号是阶梯形的，并有一些干扰，需要通过低通滤波器对电压信号进行滤波处理，使信号波形光滑[9]。方案（2）：基于单片机C8051F系列芯片和DDS的信号发生器设计单片机具有体积小，使用灵活的，易于人机对话和良好的数据处理，有较强的指令寻址和运算功能等优点。且单片机功耗低，价格低廉的优点【10】。C8051F005单片机是完全集成的混合信号系统级芯片，具有与8051兼容的高速CIP—51内核，与MCS—51指令集完全兼容，内置32KB的FLASH程序存储器、具有256B内部RAM和2048B的XRAM[11]。C8051F005单片机具有片内调试电路，可通过JTAG接口可以进行非侵入式、全速的在系统调试。

通过芯片C8051F005控制数据采集和硬件电路的电压及频率显示，通过键盘控制完成频率调节，操作简便，实现效果良好。

3、显示模块

方案（1）：采用数码管显示

采用数码管价格低廉，而且外围电路简单。但是扫描要占用大量的I/O口资源，还增大了单片机的运算开销，显示的信息也不够丰富。

方案（2）：采用LCD液晶显示

LCD液晶显示的信息非常丰富，可以很形象的显示信号发生器的各个参数。电路结构简单，占用的I/O资源比较少，不需要循环扫描，节省了大量的程序开销。

方案（3）：采用12864显示

12864液晶可以显示8*4行16*16行点阵的汉字，也可以完成图形显示。相比同类图形点阵液晶显示模块，不论硬件电路结构和显示程序都要简洁得多。而且还有低压低功耗的优点[12]。

4、键盘控制模块

方案（1）：采用4*4键盘

该键盘占用8个I/O口，并采用查询方法读取键盘，电路结构简单，程序很容易实现，在系统中比较方便控制信号发生器及输入参数。

方案（2）：采用4键并口键盘

该键盘占用I/O口少。但缺点是输入信息也较少，需要多次输入调节，使得操作变得复杂化，程序设计也变的复杂【13】。

通过对上述方案比较，本设计采用专用芯片AD9851作为信号产生模块，C8051F005作为主控芯片，用此方法可以达到频率比较稳定的波形。AD9851芯片产生正弦波，然后通过自制的低通滤波器得到一个光滑的正弦信号，再通过外围运放电路实现调幅和输出方波信号。通过按键设置频率，和其它功能的选择，并由12864显示相应功能。软件部分的设计采用keil软件，使用C语言进行设计和仿真。

参考文献：

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（5）．

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[11]潘琢金译.C8051F000/1/2/5/6/7混合信号32KB ISP FLASH微控器数据手册[Z].沈阳新

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[13]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京航空航天大学出版社，2006, 1:

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