关于教学实用信号发生器设计的初步初探

罗毅 余云

摘 要：信号发生器是一种作为激励源或者是信号源的电子的设备，它能够产生各种的波形和频率，其在教学实验、生产实践和科技领域中有着广泛的应用，是最普遍使用的电子仪器之一。目前，市面上的信号发生器主要有：模拟信号发生器、数字信号发生器和DDS信号发生器。本文通过对不同信号发生器设计原理进行分析和对比，提出作者的一些看法。

关键词：信号；发生器设计；分析

对于电子类专业的学生，除了学习理论知识外，还必须将所学理论知识付诸实践，在实践操作的过程中应用理论知识、提高动手能力，从而提高发现、解决问题的能力，所以，实验是必不可少的环节，而信号波形发生器是实验过程最普遍、最基本、也是应用最广泛的电子设备之一。目前能够实现信号发生器的技术，把其分为：模拟信号发生器、数字信号发生器和DDS信号发生器。在这几种信号发生器中，DDS信号发生器优点最突出，可塑性更强，代表着目前信号发生器设计技术的主流。直接数字频率合成（DirectDigitalSynthesis，简称DDS）技术是一项比较新的频率合成技术，它的产生，给信号发生器的设计带来了新的方向。近年来，直接数字频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesis简称DDS或DDFS）随着微电子技术的发展得到了飞速的发展，相比于其它频率合成方法，它的优越性非常明显。

1、信号波形发生器的发展概况及现状

信号波形信号发生器历史非常的久远，它产生于上个世纪20年代，那会，电子设备刚刚诞生。随后，雷达发展起来了，通信技术也在不断地发展，到了40年代，标准信号发生器开始出现了，它的出现主要为了进行各种接收机的测试，使信号发生器诞生之初主要是用来做定性分析的，随着使用的要求不断提升，慢慢发展成为了定量分析的测量仪器。还是在这个时期，脉冲信号发生器也出现了，这个主要是用于脉冲方面的测量的。上面说的这些信号波形发生器都是早期的一些产品，复杂的机械结构，比较大的功率，比较简单的电路，速度发展总体是比较慢的[2]。这种发展速度一直持续到1964年，第一台用全晶体管做的信号波形发生器出现。

从60年代以候，信号波形发生器的发展速度就开始加快了，有个代表作产品，那就是函数信号发生器，但是模拟的电子方面的技术在这段时期是占主要的，组成的部分一般都是分立元件，或者是采用的模拟的集成方面的电路，电路结构相比于60年代以前，要复杂了，产生的波形也多了些。70年又是一个转折点，出现了微控制器，这个时候信号波形发生器的功能就开始强大起来了，波形的产生也能比较复杂了。对信号波形发生器而言，软件成为了这个时期的主要特征，通过程序用微控制器进行相应的处理，就能方便、灵活的或者一些比较简单的信号波形。这种方式也是有缺点的，那就是波形输出的频率不会很高，比较低，产生这个原因主要是微处理器的工作速度的问题，当然，还是有一些方法来提高输出频率。

2、研究信号发生器的意义

信号波形发生器，顾名思义，就是用来产生各种波形的，比如说：三角波、正弦波、方波、锯齿波等等。随着科学技术的不断发展，它的功能也在不断地增强。作为一个电子工程师，信号波形发生器是必备的工具之一，除此之外，信号波形发生器的应用几乎渗透到教学、生产、医学、科研、乃至日常生活等众多领域，使用相当普遍，是一种基础仪器。

目前而言，大部分信号波形发生器都采用了微处理器设计，相比于传统的纯硬件设计方式，它的精度更高、可靠性更好，而且價格便宜、操作方便，更重要的是具有智能化，代表着智能化仪器的一个发展方向，具有一定的实用价值。

3、信号发生器设计方案的探讨与比较

方案一：电阻阵列和模拟开关组合使用，实现阶梯波。但是，模拟开关的导通电阻会形成干扰，为消除该干扰，需另加电位器微调，从而导致硬件体积过于庞大，精度也难以实现要求。同时在实现高精度的增益阶跃的时候，选取精密电阻难度较大。

方案二：锁相环（PLL）频率合成。通过锁相环锁定高稳定度的晶体振荡频率，改变环内串接的可变分频器N，得到N倍参考频率的高稳定输出fo=1KHZ～10MHZ。这一工作频率的锁相环路fo=Nfr，fo经可编程分频器N后，送入鉴相器，以保持分辨率△fo=fr=100HZ=0.1KHZ，但由于可编程分频器还不能工作到超低频率和超高频率，这就限制了合成器的输出频率。虽然合成器的输出频率通过加了前置固定分频器得以提高，但是频率分辨率却降低了。普通锁相环电路难以调节。另外此方案输出信号的幅度控制是非线性的，步进困难。因此该方案不可取。

方案三：由晶振产生稳定的基准频率，经过分频后用作地址计数器的时钟，计数器的输出与EPROM的地址线相接，地址计数器中产生一个计数值，从EPROM中就会选出与之对应单元的数据，送给D/A转换器，经转换后由输出部分输出不同的波形，如正弦波、脉冲波等[7]。CPU主要用来控制和管理。

经过相应的理论分析与计算，我们得到：

（1）由于是采用计数器直接控制EPROM的方式来产生各种波形，可以提高输出频率。

（2）由于用晶振做基准时钟源，故输出信号频率稳定。

（3）由于使用CPU（这里采用8089单片机）来控制分频、控制波形的选择、控制D/A转换及输出，波形的频率、幅值能够根据需要方便的产生，而且提高了显示功能。

本方案的缺点是：用这种分频的方法不能达到指标所要求的信号在20Hz～20kHz范围内≤5Hz步进可调这一指标，分析如下：

令

式中 为输出频率， 为晶振的基准频率， 为基准频率经分频器分频后的值，N为分频器的分频系数。令每个信号周期T所取的点数为50。

若步进值为5Hz，用10MHz晶振，则有

式中 ， 为输出信号的频率，其差值为步进值。

即，

可得：

则

由此可见，当采用10MHz晶振时，输出信号只能在20至100Hz范围内实现频率步进位为5Hz。

方案四：利用数字频率合成技术（DDS），依托FPGA这个核心部件平台，实现的信号波形稳定性好、精度高、平滑。加上FPGA所具有的高速运算能力，控制更方便，产生波形频率更高，输出信号频率范围大，同时步进较小。由单片机AT89S52和4×4键盘电路来完成系统相位控制字和频率控制字的输入，把输入信号送入FPGA；，同时相位与频率由单片机控制LED显示出来。由现场可编程门阵列（FPGA）查表输出数字形式的波形数据，再经高速数模转换输出波形，可以输出几乎无失真的稳定波形。

4、结论

通过实践证明：采用方案四最为可行，在FPGA平台上实现DDS原理更为灵活、适用。从理论上讲，我们完全可以按照我们的需求来设计FPGA的功能，因为通过改变FPGA的数据，就能实现我们想要的波形，系统方便又灵活。虽然FPGA在实现波形精度方面会有不足，但是问题不大，FPGA芯片能支持系统现场升级，完全能满足我们教学上的使用要求。FPGA平台实现DDS从而产生信号波形，成本投入并不大，相反，采用DDS专用芯片的成本会高的多。综上分析，我们的这种设计性价比很高。信号；发生器设计；分析

参考文献

[1] 谢自美.电子线路设计·实验·测试.武汉：华中科技大学出版社，2008，232-236.

[2] 林志琦，蒋惠萍.信号发生电路原理与应用设计[M].北京：人民邮电出版社，2010，23-26.

[3] 郭庆.双路相位差可调信号发生器的设计[J].北京：电子测量技术，2007，30（4）：191-193.

[4] 魏逸民.频率合成与锁相技术[M].合肥：中国科学技术大学出版社，1995：20-55.

[5] 肖运虹，柯璇.基于MC145159的PLL频率合成器设计与实现[J].太原：山西大学学报：自然科学版，2006，29（1）：36-39.