浅谈信号发生器的几种方法

2016-11-08王志方

科学中国人 2016年30期

关键词：模拟信号晶体波形

王志方

北京华龙通科技有限公司

浅谈信号发生器的几种方法

王志方

北京华龙通科技有限公司

电子系统的本质就是信号的传输，信号源的重要性不言而喻，电子设备的发展历程也就是信号发生器不断推陈出新的过程。每一台电子设备里都有多个信号发生器，但其工作原理却不尽相同，其输出的信号也是各种各样，本文介绍了八种信号发生器的原理及设计方法，包含了模拟、数字、单片机、DSP、FPGA等多种电路，并指出了其优缺点。

1、模拟信号发生器

传统的模拟信号发生器一般是先产生预定频率的正弦波信号，再通过电压比较器变换产生方波，最后经积分器产生三角波。这种信号发生器电路结构简单、容易实现、价格低廉、应用广泛，但是这种电路稳定度不高，不适合用于频率精度要求较高的场合。

晶体正弦信号发生器是利用石英晶体的压电效应来产生所需的频率，具有很高的频率稳定度，而且受温漂系数影响小。但是它的输出频率取决于石英晶体的谐振频率，晶体一旦切割完毕，频率也就固定了。一般多用于电路系统中固定的时钟源，常见于单片机时钟和实时时钟。在需要改变晶体正弦信号产生器的工作频率时，相应的晶体必须要被更换，因此不适合用于输出频率时刻变化的场合。

以上两种方案的弊端比较明显：输出波形单一，功能扩展很弱；波形精度低，受元件离散参数影响大；不具备良好的人机交互接口，操作复杂。

2、锁相环频率合成器

锁相频率环合成技术也叫间接式频率合成，它主要是将含有噪声的振荡器放在锁相环路内，使它的相位锁定在希望的信号上，从而使振荡器本身的噪声被抑制，使它的输出频谱大大提纯。锁相环频率合成技术的原理框图如图1所示。其工作流程为：晶体参考频率源提供基准频率，压控振荡器的输出频率经分频器分频后，送入鉴相器，与基准频率进行相位比较，从而产生误差信号，并以此误差信号来调整压控振荡器的输出。其中环路滤波器起着平滑鉴相器输出电压的作用，它能滤掉高频部分和噪声，从而增加系统的稳定性。

图1　

锁相环是一种闭环反馈系统，通过对输入信号频率的分频倍频操作实现输出信号频率的转换。一般多用于输出频率固定的场合，如处理器系统时钟的倍频，它最大的优势是可以产生远高于输入频率的输出频率。但是这种频率合成器的电路结构相对复杂，不适合用于频率变化范围大且连续线性调节的场合。

3、微控制器加数模转换器

通过微控制器加数模转换器来产生波形信号。这种方式不仅能得到常规波形，还可以产生任意波形。对需要输出的模拟波形的幅度值进行采样量化存储到波形数据表中，工作时由微控制器读取波形数据并发往数模转换器就能将数字幅度值恢复成所需的模拟信号波形。但这种方法信号输出的频率和精度较晶体信号发生器要低，频率调整的步进精度也较低。

这种方案由于受限于自身的架构和工作模式，输出信号的最高频率受CPU主频限值比较严，频率调整的步进精度也比较低，所以在对输出频率精度有要求的场合较少被采用。

4、直接数字频率合成器

“直接数字合成技术”简称（DDS）是从相位概念出发直接合成所需波形的一种频率合成技术，通过对相位累加器的相位字不断累加，对输入频率字进行连续变换，以达到任意频率输出的目的。DDS在相位连续性、信号带宽、高分辨率、频率转换时间、功能扩展及稳定性等一系列性能指标方面远远突破了传统频率合成技术所能达到的极限，为系统提供了优于传统方式信号发生器的性能。

除了D/A变换器以外，DDS技术采用全数字化结构，主要包括四个部分，参考时钟、相位累加器、波形存储器、模数转换器。各结构之间的关系如图2所示。

图2　

DDS有一个高稳定度和准确度的参考时钟源，通过精密的相位累加器和数字信号处理，通过高速D/A变换器产生所需的数字波形（通常是正弦波形），这个数字波形经过一个模拟滤波器后，得到最终的模拟信号波形。

与其他频率合成方法相比较，直接数字频率合成技术的主要优点是易于程控，相位连续，输出频率稳定度高，分辨率高。其频率分辨率可以达到10-3Hz，甚至更低，而且频率转换速度快，可小于100ns，其相位噪声主要决定于参考时钟振荡器。除此之外，由于DDS技术是利用查表法来产生波形的，所以它更能够适用于任意波形发生器。

DDS芯片的优点主要有∶输出信号的带宽较宽，理论输出信号的带宽为50%的系统采样时钟；频率转换时间极短；频率分辨率髙；可输出任意波形。

但其最大缺点是输出信号的占空比不可调，如果要实现占空比可调还需外接积分电路和高速比较器。

5、“DDS加CPLD”设计方案

为了补充DDS不能调节输出信号的占空比的缺陷，可以增加外部电路来实现此功能，原理框图如图3。

图3　

DSP控制专用DDS芯片，而且高速的数据处理速度可以满足信号实时产生的要求，并配合CPLD读取SDRAM中信号样本点产生DDS芯片不能产生的如非周期信号等任意波形信号。其中，SDRAM器件存储容量大，存贮产生如三角波和非周期信号这类频谱分量丰富的信号时所需周期内的样本点。

CPLD存取波形数据部分是产生非周期信号的关键，它利用DDS所提供的高精确度的方波时钟，与DSP控制部分通信，也可产生频率分辨率很高的信号。此外，CPLD还控制信号选通开关，让相应的信号进入滤波器，并且控制能够使信号幅度调节的电位器，为用户得到需要的波形。

这种方法可以满足所需波形的技术要求，但是电路复杂，成本较高。

6、“FPGA”设计方案

整个系统由FPGA、高速DAC和滤波器构成，原理框图如图4所示，FPGA产生DDS波形电路、PLL模块及FPGA接口模块。FPGA模块由PLL模块、累加器、ROM查找表、完成与外部接口的通信。

图4　

这种方法可以输出波形的带宽较宽，电路结构简单，缺点是不能调节占空比。

7、“PWM输出”设计方案

脉宽调制（PWM）是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，PWM是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。PWM信号仍然是数字的，所以抗干扰能力很强。理论上只要采样频率足够高，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。达到稳定输出电压的目的。

PWM本质上是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法，理论上讲就是电压或电流源以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上。要想达到这样一种脉宽调制效果，需要对模拟电压和电流直接控制。传统的模拟控制方式虽然直观而简单的，但是并不可靠，为了解决问题就要增加很多的电路，使得电路变得复杂并且昂贵。而通过数字方式来控制模拟电路可以大幅度降低系统的成本和功耗，包括了占空比自小到大和自大到校的顺序及倒序可调，其调节范围广，操作简便，各元器件间的干扰较小，对模拟电路的控制十分有效。

8、“函数信号发生器”设计方案

能够产生多种波形，如锯齿波、三角波、矩形波（含方波）、正弦波的电路被称为函数信号发生器。以MAX038为例，MAX038是一种高频、高精度的函数发生器芯片，利用内部2.5V电压作参考配以外部的电阻及电容就可产生0.1Hz～20MHz的多种波形，如三角波、锯齿波、正弦波、方波及脉冲波，且可独立调节波形频率和占空比，占空比可调节范围为15%～85%。而且由于在芯片内采用多路选择器，使得输出波形可通过编程从同一个引脚输出，使用更为方便。但是，这种设计也还存在细调频率范围大，需要采用高分辨率的DAC才能实现高精密的频率输出等缺点。

下面简单介绍一下MAX038的用法：

通过CPU对电容的选择来控制输出频段；DAC1控制引脚输入电流来对频率进行粗调，DAC2控制引脚的输入电压对频率细调；CDAC3控制引脚的输入电压实现对输出波形占空比变化的控制，原理框图如图5：