淺談信號(hào)發(fā)生器的幾種方法

王志方

北京華龍通科技有限公司

淺談信號(hào)發(fā)生器的幾種方法

王志方

北京華龍通科技有限公司

電子系統(tǒng)的本質(zhì)就是信號(hào)的傳輸，信號(hào)源的重要性不言而喻，電子設(shè)備的發(fā)展歷程也就是信號(hào)發(fā)生器不斷推陳出新的過程。每一臺(tái)電子設(shè)備里都有多個(gè)信號(hào)發(fā)生器，但其工作原理卻不盡相同，其輸出的信號(hào)也是各種各樣，本文介紹了八種信號(hào)發(fā)生器的原理及設(shè)計(jì)方法，包含了模擬、數(shù)字、單片機(jī)、DSP、FPGA等多種電路，并指出了其優(yōu)缺點(diǎn)。

1、模擬信號(hào)發(fā)生器

傳統(tǒng)的模擬信號(hào)發(fā)生器一般是先產(chǎn)生預(yù)定頻率的正弦波信號(hào)，再通過電壓比較器變換產(chǎn)生方波，最后經(jīng)積分器產(chǎn)生三角波。這種信號(hào)發(fā)生器電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、價(jià)格低廉、應(yīng)用廣泛，但是這種電路穩(wěn)定度不高，不適合用于頻率精度要求較高的場(chǎng)合。

晶體正弦信號(hào)發(fā)生器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)來產(chǎn)生所需的頻率，具有很高的頻率穩(wěn)定度，而且受溫漂系數(shù)影響小。但是它的輸出頻率取決于石英晶體的諧振頻率，晶體一旦切割完畢，頻率也就固定了。一般多用于電路系統(tǒng)中固定的時(shí)鐘源，常見于單片機(jī)時(shí)鐘和實(shí)時(shí)時(shí)鐘。在需要改變晶體正弦信號(hào)產(chǎn)生器的工作頻率時(shí)，相應(yīng)的晶體必須要被更換，因此不適合用于輸出頻率時(shí)刻變化的場(chǎng)合。

以上兩種方案的弊端比較明顯：輸出波形單一，功能擴(kuò)展很弱；波形精度低，受元件離散參數(shù)影響大；不具備良好的人機(jī)交互接口，操作復(fù)雜。

2、鎖相環(huán)頻率合成器

鎖相頻率環(huán)合成技術(shù)也叫間接式頻率合成，它主要是將含有噪聲的振蕩器放在鎖相環(huán)路內(nèi)，使它的相位鎖定在希望的信號(hào)上，從而使振蕩器本身的噪聲被抑制，使它的輸出頻譜大大提純。鎖相環(huán)頻率合成技術(shù)的原理框圖如圖1所示。其工作流程為：晶體參考頻率源提供基準(zhǔn)頻率，壓控振蕩器的輸出頻率經(jīng)分頻器分頻后，送入鑒相器，與基準(zhǔn)頻率進(jìn)行相位比較，從而產(chǎn)生誤差信號(hào)，并以此誤差信號(hào)來調(diào)整壓控振蕩器的輸出。其中環(huán)路濾波器起著平滑鑒相器輸出電壓的作用，它能濾掉高頻部分和噪聲，從而增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

圖1　

鎖相環(huán)是一種閉環(huán)反饋系統(tǒng)，通過對(duì)輸入信號(hào)頻率的分頻倍頻操作實(shí)現(xiàn)輸出信號(hào)頻率的轉(zhuǎn)換。一般多用于輸出頻率固定的場(chǎng)合，如處理器系統(tǒng)時(shí)鐘的倍頻，它最大的優(yōu)勢(shì)是可以產(chǎn)生遠(yuǎn)高于輸入頻率的輸出頻率。但是這種頻率合成器的電路結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，不適合用于頻率變化范圍大且連續(xù)線性調(diào)節(jié)的場(chǎng)合。

3、微控制器加數(shù)模轉(zhuǎn)換器

通過微控制器加數(shù)模轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生波形信號(hào)。這種方式不僅能得到常規(guī)波形，還可以產(chǎn)生任意波形。對(duì)需要輸出的模擬波形的幅度值進(jìn)行采樣量化存儲(chǔ)到波形數(shù)據(jù)表中，工作時(shí)由微控制器讀取波形數(shù)據(jù)并發(fā)往數(shù)模轉(zhuǎn)換器就能將數(shù)字幅度值恢復(fù)成所需的模擬信號(hào)波形。但這種方法信號(hào)輸出的頻率和精度較晶體信號(hào)發(fā)生器要低，頻率調(diào)整的步進(jìn)精度也較低。

這種方案由于受限于自身的架構(gòu)和工作模式，輸出信號(hào)的最高頻率受CPU主頻限值比較嚴(yán)，頻率調(diào)整的步進(jìn)精度也比較低，所以在對(duì)輸出頻率精度有要求的場(chǎng)合較少被采用。

4、直接數(shù)字頻率合成器

“直接數(shù)字合成技術(shù)”簡(jiǎn)稱（DDS）是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種頻率合成技術(shù)，通過對(duì)相位累加器的相位字不斷累加，對(duì)輸入頻率字進(jìn)行連續(xù)變換，以達(dá)到任意頻率輸出的目的。DDS在相位連續(xù)性、信號(hào)帶寬、高分辨率、頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間、功能擴(kuò)展及穩(wěn)定性等一系列性能指標(biāo)方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了傳統(tǒng)頻率合成技術(shù)所能達(dá)到的極限，為系統(tǒng)提供了優(yōu)于傳統(tǒng)方式信號(hào)發(fā)生器的性能。

除了D/A變換器以外，DDS技術(shù)采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，主要包括四個(gè)部分，參考時(shí)鐘、相位累加器、波形存儲(chǔ)器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器。各結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系如圖2所示。

圖2　

DDS有一個(gè)高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的參考時(shí)鐘源，通過精密的相位累加器和數(shù)字信號(hào)處理，通過高速D/A變換器產(chǎn)生所需的數(shù)字波形（通常是正弦波形），這個(gè)數(shù)字波形經(jīng)過一個(gè)模擬濾波器后，得到最終的模擬信號(hào)波形。

與其他頻率合成方法相比較，直接數(shù)字頻率合成技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是易于程控，相位連續(xù)，輸出頻率穩(wěn)定度高，分辨率高。其頻率分辨率可以達(dá)到10-3Hz，甚至更低，而且頻率轉(zhuǎn)換速度快，可小于100ns，其相位噪聲主要決定于參考時(shí)鐘振蕩器。除此之外，由于DDS技術(shù)是利用查表法來產(chǎn)生波形的，所以它更能夠適用于任意波形發(fā)生器。

DDS芯片的優(yōu)點(diǎn)主要有∶輸出信號(hào)的帶寬較寬，理論輸出信號(hào)的帶寬為50%的系統(tǒng)采樣時(shí)鐘；頻率轉(zhuǎn)換時(shí)間極短；頻率分辨率髙；可輸出任意波形。

但其最大缺點(diǎn)是輸出信號(hào)的占空比不可調(diào)，如果要實(shí)現(xiàn)占空比可調(diào)還需外接積分電路和高速比較器。

5、“DDS加CPLD”設(shè)計(jì)方案

為了補(bǔ)充DDS不能調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的占空比的缺陷，可以增加外部電路來實(shí)現(xiàn)此功能，原理框圖如圖3。

圖3　

DSP控制專用DDS芯片，而且高速的數(shù)據(jù)處理速度可以滿足信號(hào)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的要求，并配合CPLD讀取SDRAM中信號(hào)樣本點(diǎn)產(chǎn)生DDS芯片不能產(chǎn)生的如非周期信號(hào)等任意波形信號(hào)。其中，SDRAM器件存儲(chǔ)容量大，存貯產(chǎn)生如三角波和非周期信號(hào)這類頻譜分量豐富的信號(hào)時(shí)所需周期內(nèi)的樣本點(diǎn)。

CPLD存取波形數(shù)據(jù)部分是產(chǎn)生非周期信號(hào)的關(guān)鍵，它利用DDS所提供的高精確度的方波時(shí)鐘，與DSP控制部分通信，也可產(chǎn)生頻率分辨率很高的信號(hào)。此外，CPLD還控制信號(hào)選通開關(guān)，讓相應(yīng)的信號(hào)進(jìn)入濾波器，并且控制能夠使信號(hào)幅度調(diào)節(jié)的電位器，為用戶得到需要的波形。

這種方法可以滿足所需波形的技術(shù)要求，但是電路復(fù)雜，成本較高。

6、“FPGA”設(shè)計(jì)方案

整個(gè)系統(tǒng)由FPGA、高速DAC和濾波器構(gòu)成，原理框圖如圖4所示，F(xiàn)PGA產(chǎn)生DDS波形電路、PLL模塊及FPGA接口模塊。FPGA模塊由PLL模塊、累加器、ROM查找表、完成與外部接口的通信。

圖4　

這種方法可以輸出波形的帶寬較寬，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是不能調(diào)節(jié)占空比。

7、“PWM輸出”設(shè)計(jì)方案

脈寬調(diào)制（PWM）是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)，PWM是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，所以抗干擾能力很強(qiáng)。理論上只要采樣頻率足夠高，任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。

PWM本質(zhì)上是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法，理論上講就是電壓或電流源以一種通（ON）或斷（OFF）的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上。要想達(dá)到這樣一種脈寬調(diào)制效果，需要對(duì)模擬電壓和電流直接控制。傳統(tǒng)的模擬控制方式雖然直觀而簡(jiǎn)單的，但是并不可靠，為了解決問題就要增加很多的電路，使得電路變得復(fù)雜并且昂貴。而通過數(shù)字方式來控制模擬電路可以大幅度降低系統(tǒng)的成本和功耗，包括了占空比自小到大和自大到校的順序及倒序可調(diào)，其調(diào)節(jié)范圍廣，操作簡(jiǎn)便，各元器件間的干擾較小，對(duì)模擬電路的控制十分有效。

8、“函數(shù)信號(hào)發(fā)生器”設(shè)計(jì)方案

能夠產(chǎn)生多種波形，如鋸齒波、三角波、矩形波（含方波）、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器。以MAX038為例，MAX038是一種高頻、高精度的函數(shù)發(fā)生器芯片，利用內(nèi)部2.5V電壓作參考配以外部的電阻及電容就可產(chǎn)生0.1Hz～20MHz的多種波形，如三角波、鋸齒波、正弦波、方波及脈沖波，且可獨(dú)立調(diào)節(jié)波形頻率和占空比，占空比可調(diào)節(jié)范圍為15%～85%。而且由于在芯片內(nèi)采用多路選擇器，使得輸出波形可通過編程從同一個(gè)引腳輸出，使用更為方便。但是，這種設(shè)計(jì)也還存在細(xì)調(diào)頻率范圍大，需要采用高分辨率的DAC才能實(shí)現(xiàn)高精密的頻率輸出等缺點(diǎn)。

下面簡(jiǎn)單介紹一下MAX038的用法：

通過CPU對(duì)電容的選擇來控制輸出頻段；DAC1控制引腳輸入電流來對(duì)頻率進(jìn)行粗調(diào)，DAC2控制引腳的輸入電壓對(duì)頻率細(xì)調(diào)；CDAC3控制引腳的輸入電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出波形占空比變化的控制，原理框圖如圖5：

圖5　

使用這種方法可以實(shí)現(xiàn)三角波、鋸齒波、正弦波、方波及脈沖波，且可獨(dú)立調(diào)節(jié)波形頻率和占空比。

［1］王雪嬌.淺談利用單片機(jī)設(shè)計(jì)PWM脈沖信號(hào)發(fā)生器.中國(guó)科技教育，2013

［2］黃春平.直接數(shù)字頻率合成信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì).壓電與聲光，2011

［3］鄭宏軍.新型高性能的高頻信號(hào)發(fā)生器.器件與電路，2001

［4］王佳榮.基于DDS技術(shù)的信號(hào)發(fā)生器設(shè)計(jì).吉林大學(xué)，2015

［5］鄭威.基于MAX038和單片機(jī)的高頻精密函數(shù)信號(hào)發(fā)生器，2010

王志方，工程師，中級(jí)職稱。