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(shè)計方法。系統(tǒng)采用了數(shù)字波形合成技術(shù)，具有以數(shù)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(yīng)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(diào)節(jié)精度高等特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞： 超低頻信號 數(shù)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(shè)備參數(shù)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(shù)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(diào)試困難，工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對阻容元件參數(shù)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(diào)節(jié)和換檔是通過按鈕改變橋路阻值來實現(xiàn)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(yīng)用范圍受到一定的限制。
現(xiàn)在，隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，可以利用大規(guī)模集成電路來實現(xiàn)直接數(shù)字波形合成。采用這種技術(shù)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(diào)試。
目前，利用直接數(shù)字波形合成技術(shù)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(shù)模轉(zhuǎn)換器組成的數(shù)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(nèi)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(shù)模轉(zhuǎn)換器輸出數(shù)據(jù)的頻率(fs)和信號在一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)(N)來決定的，因此，其輸出頻率不能連續(xù)可調(diào)，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(jù)幅值、頻率和相位參數(shù)，計算產(chǎn)生高精度的信號所需數(shù)據(jù)表，經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)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(xiàn)程控調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)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(diào)，控制不便的缺點。
第三種是運用單片機、計數(shù)器、只讀存儲器、D/A轉(zhuǎn)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(diào)頻、調(diào)相和調(diào)幅都很方便[3]。
第四種是利用單片機與精密函數(shù)發(fā)生器構(gòu)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(nèi)正弦波的失真度小于0.5%。它的輸出信號頻率調(diào)整和幅值調(diào)整都由單片機完成。但是，由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器的非線性誤差和函數(shù)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(chǎn)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(shè)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(shù)字波形合成技術(shù)，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(xiàn)數(shù)控調(diào)頻、調(diào)相和波形選擇，而且調(diào)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(shù)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(xiàn)0°～359°的相位差。
1 工作原理
直接數(shù)字波形合成技術(shù)的基本原理是設(shè)法將波形在采樣點的值依次通過數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)轉(zhuǎn)換成模擬量輸出。在本文設(shè)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(shù)器(Counter)、只讀存儲器(EPROM)、數(shù)模轉(zhuǎn)換器(MDAC)和濾波器組成。
下面以正弦波的形成為例來說明數(shù)字波形合成的基本原理。
將正弦波函數(shù)在一個周期內(nèi)的值按等距采樣N點，然后進行離散化函數(shù)求值，即有：
再將D(i)按一定的比特數(shù)(取決于后面所用MDAC的位數(shù))取整，從而得到：
Dint(i)＝INT[2n－1+(2n－1－1)×D(i)]
式中，n——數(shù)模轉(zhuǎn)換器MDAC的位數(shù)；INT——取整函數(shù)。
然后把Dint(i)數(shù)值依次存入EPROM中。EPROM的地址線接到計數(shù)器的輸出端，其數(shù)據(jù)線接到MDAC數(shù)據(jù)線的輸入端。當計數(shù)器在計數(shù)脈沖的驅(qū)動下開始計數(shù)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(shù)據(jù)依次取出送到MDAC的數(shù)據(jù)線上，經(jīng)過MDAC轉(zhuǎn)換后，從其輸出就能得到相應(yīng)幅值的模擬信號。當計數(shù)器計滿N個數(shù)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(xiàn)階梯。把此階梯信號經(jīng)濾波器濾波后，便可得到平滑的正弦波信號。計數(shù)器循環(huán)往復(fù)不斷計數(shù)，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(jù)同樣原理產(chǎn)生。
輸出信號的頻率由下式?jīng)Q定。
fout＝fCLK/N
式中，fout——輸出信號頻率；fCLK——計數(shù)脈沖頻；N——信號在一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)。
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(nèi)的采樣點數(shù)確定后，輸出信號的頻率僅取決于計數(shù)頻率。因此，選用高性能的晶體振蕩器來產(chǎn)生計數(shù)脈沖，可保證輸出信號達到很高的精度。
2 硬件電路設(shè)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(xiàn)對輸出信號的頻率和相位的數(shù)字控制是現(xiàn)代信號發(fā)生器的發(fā)展方向。本文設(shè)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(tǒng)中，由晶體振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度的時鐘信號，經(jīng)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(nèi)的采樣點數(shù))、再由可預(yù)置計數(shù)器Ⅰ和鎖相環(huán)CD4046構(gòu)成的倍頻電路產(chǎn)生高頻時鐘信號CLK，CLK作為計數(shù)器的計數(shù)脈沖，計數(shù)器輸出的計數(shù)值作為EPROM 2764的地址，使其中存放的波形采樣值不斷輸出，經(jīng)MDAC轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)表的起始地址即可。
其中，頻率的調(diào)節(jié)是通過改變可預(yù)置計數(shù)器Ⅰ的計數(shù)初值來實現(xiàn)的，兩路信號之間的相位差調(diào)節(jié)是通過改變第二路信號輸出電路中的可預(yù)置計數(shù)器II的計數(shù)初值來完成的，而幅值的調(diào)整則只要分別改變MDAC I和MDAC II的參考電壓就可實現(xiàn)。
2.1 頻率調(diào)整方法
從圖2可見，輸出信號的頻率調(diào)整是通過由可預(yù)置計數(shù)器I和鎖相環(huán)CD4046構(gòu)成的倍頻電路來實現(xiàn)的。由晶體振蕩器產(chǎn)生高穩(wěn)定度的脈沖信號，經(jīng)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(nèi)的采樣點數(shù)N：設(shè)可預(yù)置計數(shù)器I的計數(shù)初值等于M，經(jīng)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(jīng)計數(shù)器、EPROM(存放函數(shù)的采樣值)、MDAC和濾波器調(diào)控輸出相應(yīng)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(diào)整方法
兩路信號之間相位差的調(diào)整是通過設(shè)置圖2中的可預(yù)置計數(shù)器II的計數(shù)初值來實現(xiàn)的。可預(yù)置計數(shù)器II的初值不同，從EPROM中讀出周期信號函數(shù)采樣數(shù)據(jù)時的起始地址就不同，對應(yīng)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(shù)器預(yù)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(diào)節(jié)信號間相位差的目的。
信號間相位差的調(diào)節(jié)精度與信號在一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)有關(guān)。若信號在一個周期內(nèi)的采樣點數(shù)為N，則相位差調(diào)整精度為360°/N。在本文設(shè)計的信號發(fā)生器中，N＝360，所以，其相位差調(diào)節(jié)分辨率為1°。
2.3 幅值調(diào)整方法
從圖2中可知，如欲調(diào)節(jié)輸出信號幅值的大小，只需調(diào)整MDACⅠ和MDAC Ⅱ的輸入?yún)⒖茧妷杭纯蓪崿F(xiàn)。本系統(tǒng)中，采用2個精密多圈電位器和相應(yīng)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(diào)整。
3 性能指標
本文設(shè)計的信號發(fā)生器具有如下技術(shù)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(nèi)的調(diào)節(jié)精度分別為：0.0001Hz,0.001Hz,0.01Hz,0.1Hz。
·輸出信號通道數(shù)：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(shù)信號。
·兩通道信號之間的相位差：0°～359°，調(diào)節(jié)精度：1°。
·輸出信號的幅值：0～20V(峰－峰值)，無級連續(xù)可調(diào)。
·波形失真度：＜0.5%。
·頻率穩(wěn)定度：Δf＜10－6Hz。
綜上所述，本文所設(shè)計研制的晶體穩(wěn)頻超低頻移相信號發(fā)生器，采用了數(shù)字波形合成技術(shù)，具有數(shù)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(diào)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(shù)信號，兩路輸出信號之間可實現(xiàn)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(xiàn)有的EPROM即可，而不必改動其他硬件和軟件，體現(xiàn)了優(yōu)越的可擴展性，具有廣泛的應(yīng)用前景。
參考文獻
1 楊麗君，張 彪.智能數(shù)字式低頻信號發(fā)生器.儀表技術(shù)1999;(2):19～20
2 王 江，楊 敏，陳至駿.一個基于DSP的數(shù)字合成正弦波發(fā)生器.儀表技術(shù)，1999；(2)：9～11
3 鞠 陽.一種新型程控正弦信號發(fā)生器.儀表技術(shù),1998;(3):9～13
4 呂勇軍，呂勝軍，趙顧明.程控高精度信號發(fā)生器的設(shè)計.儀表技術(shù)，1998；(3)：14～15
5 陳一堯，黃 麗，方紅斌.數(shù)字合成正弦波發(fā)生器.儀表技術(shù),1998；(5):9～11