信号源的发展和现状浅析

信号源的发展和现状浅析

[摘要] 信号源可以作为被测电路的激励源,再用其它仪器仪表测量电路的参数以达到验证电路的可靠性和稳定性的目的。信号源还可以作为标准源,对一般信号源进行校准。

[关键词] 信号源发展设计

信号源是我们常用的一种通用电子仪器,它可以产生各种波形的信号,还可以根据所适应系统的要求对所产生信号的频率、幅度和相位等进行实时改变,进行动态控制。它可以模拟与设备所需的实际环境相同的信号,以便于与其他仪表和仪器组成自动测试系统,测试电子通信等产品的使用寿命等参数,具有较高的测试准确率和效率。同时它还可以作为激励信号,广泛的应用在电子产品的测量、各种电类实验室、产品检测和修复以及现代通信等领域。例如在电子实验中,信号源可以作为被测电路的激励源,再用其它仪器仪表测量电路的参数以达到验证电路的可靠性和稳定性的目的。信号源还可以作为标准源,对一般信号源进行校准。

信号源的发展可以分为以下几个阶段:第一个阶段是20世纪初期,此时的信号源主要是模拟电路构成,其工艺采用电子管工艺为基础,由分立元件组成,因此当时的信号源电路不但产生的信号种类比较少、结构比较复杂,要想产生更复杂的波形,会使电路结构异常复杂,代价较高。而且信号的可控制性和精度都很不好,其性能极其不稳定,也不便于调试。第二个阶段是20世纪六十年代以后,出现了晶体管信号发生器,这之后信号源也得到了一定程度的发展,这时候主要有两种信号源:正弦波信号发生器、脉冲波信号发生器,能够提供正弦波、方波等几种常用标准波形,此时信号源电路比之前简单化,各项主要性能指标有了很大的提高。第三个阶段是80年代后期,随着微处理器的出现,使用微处理器、硬件和软件结合使信号源功能进一步扩大了。信号源采用数字合成电路,在标准时钟的激励下合成频率可变的信号,同时输出频率范围大大变宽,使用更加方便。还出现了宽频数字调制等更复杂的调制方式。在第四个阶段是90年代后,此时DDS(直接数字频率合成)技术发展迅速、各大芯片供货商都开发出了专用的DDS芯片,可以运用专用的DDS芯片和微处理器设计信号源,从而使应DDS技术的信号源也得到快速的发展,用DDS芯片和微处理器设计信号发生器不但能产生正弦波、三角波、方波等一些常规波形,还能产生任意的波形,达到很大的频带宽度和很高的频率精度。同时具有频率转换速度快等以往信号源很难达到的优点,而且DDS芯片的体积很小,功耗低,是取代传统信号源的新一代高性能信号源。

进入21世纪以来,集成电路得到了快速迅猛的发展,嵌入式处理器软核也发展成熟,这些技术的发展使我们可以应用大规模可编程逻辑器件以及嵌入式处理器软核技术在一片PLD上实现一个完整的数字处理系统,当然也可以实现信号源的设计。

市场上目前有多种专用DDS芯片开发的信号源,这类信号源的优点是输出波形失真较小,输出频率比较高、频率转换速度快和频率分辨率高,可以方便的应用

于数字调制和扩频通信。缺点是合成信号中有截断噪声,信号杂散比较高。而且DDS专用芯片控制部分需要高速微处理器协助,因此应用不够灵活方便。而且此类信号源功耗大、价格高。而可编程逻辑器件(PLD)的特点是容量大、速度高、成本低、并且可以利用先进的EDA工具进行电子系统设计和产品开发,因此现今的发展趋势是用可编程逻辑器件进行信号源设计。这类信号源具有输出稳定、频率精度高、频率范围宽、成本低,设计灵活、集成度高等特点。下面是两种基于PLD的信号源设计实例:

设计一、基于CPLD的信号源设计

以复杂可编程逻辑器件CPLD为核心,采用Altera公司的MAXII系列CPLD 作为主控电路,在CPLD上实现波形选择控制、频段选择控制、波形产生和输出等功能。电路的时钟是由施密特触发器提供,以八位T型电阻网络进行D/A转换; 最终实现三角波、矩形波、正弦波等波形输出。CPLD器件EPM570控制着波形产生和输出波形、输出频率选择。之所以选择EPM570,首先EPM570 的成本比较低,容量也不小,而且使用方便。而且EPM570 的基于宏单元的逻辑阵列块基于查找表方式,这样就比上一代CPLD成本更低,可以应用高密度环境,这种基于查找表的方式与FPGA 的LAB 阵列结构相似,用户通过原理图或硬件描述语言描述了一个逻辑电路以后,开发软件会自动计算该逻辑电路的所有可能的结果,并把结果事先写入随机存取存储器,这样每输入一个信号就等于输入一个地址进行查表,查寻出该地址对应的内容再输出即可。因此Altera的MAX® II 系列CPLD 秉承了上一代CPLD功耗低、成本低的优良性能,同时又有不少改进,

设计框图如下:

设计二、基于FPGA的DDS信号源设计

直接数字频率合成(DDS)于上世纪70年代被提出,它是一种从相位出发的新的频率合成技术,它在基准时钟的控制下,对相位进行相位累加,以得到相应频率的输出。DDS可以对信号进行多种调制,得到调幅、调频、调相等多种信号。由于DDS是一种数字技术,因此电路易于集成,并且扩展方便。除此之外,直接数字频率合成频率转换快,频率精确度高。目前已广泛应用于通信、雷达、仪器仪表等很多个方面。目前常用的是采用Altera公司的CycloneII系列FPGA(现场可编程门阵列)器件,在同一个FPGA器件中完成相位累加器、波形存储器、波形产生和输出等模块。只要改变存储波形信息的ROM数据,就可以产生任意波形的信号。可采用FPGA的PLL作为基准时钟,简单方便。采用的D/A转换器是高速高精度8位数模转换芯片DAC908,整个设计具有过程简单、效率高、灵活方便的特点,并可以根据实际需要对信号源功能进行修改。

下面是DDS信号源的基本结构:

通过上述介绍,我们对信号源的发展和现状有了一定的了解,通过两个基于PLD的信号源设计实例,了解目前基于PLD的信号源设计常用的方法,希望给读者一些参考。

参考文献:

[1] 徐志军等.EDA技术与PLD设计.北京:人民邮电出版社, 2006,06

[2] 何赓.PLD 与SOPC系统设计技术.北京:国防工业出版社,2006,01

[3] 舒鹏飞,李白,万时彪,赵含彬. 基于CPLD的DDS波形发生器.