摘 要： 介紹一種晶體穩(wěn)頻超低頻移相信號發(fā)生器的工作原理和設計方法。系統采用了數字波形合成技術，具有以數字控制其輸出信號的頻率、波形和信號之間相位差的功能。實際應用表明，該信號發(fā)生器具有輸出信號精度高、穩(wěn)定性好和調節(jié)精度高等特點，具有廣泛的應用前景。
關鍵詞： 超低頻信號 數字合成波形 信號發(fā)生器
作為測量各種電子元器件和電子儀器設備參數和性能的信號源，信號發(fā)生器的品種繁多，按輸出波形可分為正弦信號發(fā)生器、脈沖信號發(fā)生器、函數信號發(fā)生器和噪聲信號發(fā)生器等；按輸出頻率可分為超低頻信號發(fā)生器、低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和超高頻信號發(fā)生器等。
過去，信號發(fā)生器的電路基本上是由運算放大器和一些外接阻容元件組成的振蕩電路，電路調試困難，工藝結構復雜，且對阻容元件參數的選擇要求嚴格；另外，由于阻容元件的穩(wěn)定性差，加上頻率、相位的調節(jié)和換檔是通過按鈕改變橋路阻值來實現的，所以，其可靠性不高，難于保證輸出信號的頻率和波形的精確度，因而其應用范圍受到一定的限制。
現在，隨著大規(guī)模集成電路技術的發(fā)展，可以利用大規(guī)模集成電路來實現直接數字波形合成。采用這種技術制成的信號發(fā)生器具有電路簡單，性能可靠，輸出信號的波形和頻率值精度和準確度高，且所用阻容元件少，易于調試。
目前，利用直接數字波形合成技術制成的信號發(fā)生器概括起來有四種形式。
第一種是采用微處理器和數模轉換器組成的數字式低頻信號發(fā)生器。這種信號發(fā)生器具有價格低，在低頻范圍內可靠性好，體積小，耗電少，操作方便等特點[1]。但是，它輸出信號的頻率(f0)是由微處理器向數模轉換器輸出數據的頻率(fs)和信號在一個周期內的采樣點數(N)來決定的，因此，其輸出頻率不能連續(xù)可調，控制不便。
第二種是信號發(fā)生器是利用DSP(Digital Signal Processing)處理器，根據幅值、頻率和相位參數，計算產生高精度的信號所需數據表，經數模轉換后輸出，形成需要的信號波形[2]。這種信號發(fā)生器可實現程控調幅、調頻和調相。同第一種信號發(fā)生器一樣，這種信號發(fā)生器亦具有輸出頻率不能連續(xù)可調，控制不便的缺點。
第三種是運用單片機、計數器、只讀存儲器、D/A轉換器和濾波器等組成的信號發(fā)生器。這種信號發(fā)生器輸出信號精度高、穩(wěn)定性好、可靠性高，且功耗低，調頻、調相和調幅都很方便[3]。
第四種是利用單片機與精密函數發(fā)生器構成的程控信號發(fā)生器[4]。這種信號發(fā)生器能夠克服常規(guī)信號發(fā)生器的缺陷，保證在某個信號的頻帶內正弦波的失真度小于0.5%。它的輸出信號頻率調整和幅值調整都由單片機完成。但是，由于數模轉換器的非線性誤差和函數發(fā)生器本身的非線性誤差，這種信號發(fā)生器輸出信號的頻率與理論值會有一定的偏差。
上述4種信號發(fā)生器各有其特點，但是，他們都只能產生單路信號，且僅能輸出正弦波，因而其使用場合受到一定的限制。為了克服這些不足，本文設計了一種晶體穩(wěn)頻超低頻移相信號發(fā)生器。采用直接數字波形合成技術，該信號發(fā)生器輸出信號精度高，穩(wěn)定性好；不僅可對輸出信號實現數控調頻、調相和波形選擇，而且調節(jié)精度高。它可輸出兩路信號，每路信號可以是正弦波、三角波、鋸齒波、方波或其他周期函數信號，兩路信號輸出的波形可以單獨選擇，且信號之間可以實現0°～359°的相位差。
1 工作原理
直接數字波形合成技術的基本原理是設法將波形在采樣點的值依次通過數模轉換器(MDAC)轉換成模擬量輸出。在本文設計的超低頻信號發(fā)生器中，波形生成的基本原理如圖1所示，其基本環(huán)節(jié)由計數器(Counter)、只讀存儲器(EPROM)、數模轉換器(MDAC)和濾波器組成。
下面以正弦波的形成為例來說明數字波形合成的基本原理。
將正弦波函數在一個周期內的值按等距采樣N點，然后進行離散化函數求值，即有：
再將D(i)按一定的比特數(取決于后面所用MDAC的位數)取整，從而得到：
Dint(i)＝INT[2n－1+(2n－1－1)×D(i)]
式中，n——數模轉換器MDAC的位數；INT——取整函數。
然后把Dint(i)數值依次存入EPROM中。EPROM的地址線接到計數器的輸出端，其數據線接到MDAC數據線的輸入端。當計數器在計數脈沖的驅動下開始計數時，就會依次選中EPROM的0單元、1單元、……N單元地址，從而將其中數據依次取出送到MDAC的數據線上，經過MDAC轉換后，從其輸出就能得到相應幅值的模擬信號。當計數器計滿N個數時，就得到一個周期的正弦波信號。如果N太小，該正弦波可能會出現階梯。把此階梯信號經濾波器濾波后，便可得到平滑的正弦波信號。計數器循環(huán)往復不斷計數，即可得到連續(xù)的正弦波信號。其他周期信號波形的合成可依據同樣原理產生。
輸出信號的頻率由下式決定。
fout＝fCLK/N
式中，fout——輸出信號頻率；fCLK——計數脈沖頻；N——信號在一個周期內的采樣點數。
輸出信號的幅值Vm由MDAC的參考電壓Vref決定。
Vm＝Vref
由于本文中MDAC的輸出采用雙極性輸出，所以，輸出信號的峰－峰值為Vref的二倍。
由此可見，當周期信號在一個周期內的采樣點數確定后，輸出信號的頻率僅取決于計數頻率。因此，選用高性能的晶體振蕩器來產生計數脈沖，可保證輸出信號達到很高的精度。
2 硬件電路設計
在保證信號發(fā)生器的穩(wěn)定性、頻率范圍、幅值范圍等指標的同時，實現對輸出信號的頻率和相位的數字控制是現代信號發(fā)生器的發(fā)展方向。本文設計的晶體穩(wěn)頻超低頻移相信號發(fā)生器的原理框圖如圖2所示。系統中，由晶體振蕩器產生高穩(wěn)定度的時鐘信號，經分頻器分頻得到所需頻率的方波信號BSC(該方波信號的頻率值等于信號在一個周期內的采樣點數)、再由可預置計數器Ⅰ和鎖相環(huán)CD4046構成的倍頻電路產生高頻時鐘信號CLK，CLK作為計數器的計數脈沖，計數器輸出的計數值作為EPROM 2764的地址，使其中存放的波形采樣值不斷輸出，經MDAC轉換后得到所需波形信號。如果選擇不同波形輸出，只需改變EPROM的高位地址，以獲得不同波形采樣數據表的起始地址即可。
其中，頻率的調節(jié)是通過改變可預置計數器Ⅰ的計數初值來實現的，兩路信號之間的相位差調節(jié)是通過改變第二路信號輸出電路中的可預置計數器II的計數初值來完成的，而幅值的調整則只要分別改變MDAC I和MDAC II的參考電壓就可實現。
2.1 頻率調整方法
從圖2可見，輸出信號的頻率調整是通過由可預置計數器I和鎖相環(huán)CD4046構成的倍頻電路來實現的。由晶體振蕩器產生高穩(wěn)定度的脈沖信號，經分頻器輸出方波信號BSC，其頻率值fBSC等于信號在一個周期內的采樣點數N：設可預置計數器I的計數初值等于M，經過鎖相環(huán)倍頻后得到高頻時鐘信號CLK(fCLK＝M·fBSC＝M·N)，最后經計數器、EPROM(存放函數的采樣值)、MDAC和濾波器調控輸出相應頻率的信號波形。上節(jié)已給出輸出信號的頻率fout＝fCLK/N＝M·N/N＝M。
2.2 兩路信號之間相位差的調整方法
兩路信號之間相位差的調整是通過設置圖2中的可預置計數器II的計數初值來實現的?？深A置計數器II的初值不同，從EPROM中讀出周期信號函數采樣數據時的起始地址就不同，對應的信號相位也就不同。因而在初始時刻，只要通過撥碼盤對該計數器預置不同的初值即可形成兩路信號間不同的相位差，從而達到調節(jié)信號間相位差的目的。
信號間相位差的調節(jié)精度與信號在一個周期內的采樣點數有關。若信號在一個周期內的采樣點數為N，則相位差調整精度為360°/N。在本文設計的信號發(fā)生器中，N＝360，所以，其相位差調節(jié)分辨率為1°。
2.3 幅值調整方法
從圖2中可知，如欲調節(jié)輸出信號幅值的大小，只需調整MDACⅠ和MDAC Ⅱ的輸入參考電壓即可實現。本系統中，采用2個精密多圈電位器和相應電阻形成分壓電路，其輸出分別接到MDACⅠ和MDAC Ⅱ參考電壓(Vref)輸入端，從而完成幅值的調整。
3 性能指標
本文設計的信號發(fā)生器具有如下技術性能指標：
·輸出信號的頻率范圍：0.0001～999.9Hz，共分為4個區(qū)段：0.0001～0.9999Hz，0.001～9.999Hz，0.01～99.99Hz，0.1～999.9Hz。每個區(qū)段內的調節(jié)精度分別為：0.0001Hz,0.001Hz,0.01Hz,0.1Hz。
·輸出信號通道數：2。
·輸出信號波形種類：正弦波、三角波、鋸齒波、方波或其他周期函數信號。
·兩通道信號之間的相位差：0°～359°，調節(jié)精度：1°。
·輸出信號的幅值：0～20V(峰－峰值)，無級連續(xù)可調。
·波形失真度：＜0.5%。
·頻率穩(wěn)定度：Δf＜10－6Hz。
綜上所述，本文所設計研制的晶體穩(wěn)頻超低頻移相信號發(fā)生器，采用了數字波形合成技術，具有數字控制輸出信號的頻率、相位和波形等功能。其輸出信號精度高，穩(wěn)定性好，調節(jié)精度高；整機體積小，功耗低，可靠性高，操作方便。該信號發(fā)生器能輸出正弦波、三角波、鋸齒波、方波或其他周期函數信號，兩路輸出信號之間可實現0°～359°的相位差。如果需要不同于上述的信號波形，只需將存有所需信號波形的采樣值的EPROM替換現有的EPROM即可，而不必改動其他硬件和軟件，體現了優(yōu)越的可擴展性，具有廣泛的應用前景。
參考文獻
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