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(jì)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(shí)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(diǎn)，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(yùn)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?yán)щy，工藝結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且對阻容元件參數(shù)的選擇要求嚴(yán)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(shí)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(shí)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(zhǔn)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(jià)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(diǎn)[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(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)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(jì)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(shí)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(diǎn)。
第三種是運(yùn)用單片機(jī)、計(jì)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(jī)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(gè)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(jī)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(diǎn)，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(jì)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(shí)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(dú)選擇，且信號之間可以實(shí)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(diǎn)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(jì)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(jì)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(gè)周期內(nèi)的值按等距采樣N點(diǎn)，然后進(jìn)行離散化函數(shù)求值，即有：
再將D(i)按一定的比特?cái)?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(jì)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(dāng)計(jì)數(shù)器在計(jì)數(shù)脈沖的驅(qū)動下開始計(jì)數(shù)時(shí)，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(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)滿N個(gè)數(shù)時(shí)，就得到一個(gè)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(jì)數(shù)器循環(huán)往復(fù)不斷計(jì)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(jì)數(shù)脈沖頻；N——信號在一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)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(dāng)周期信號在一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)確定后，輸出信號的頻率僅取決于計(jì)數(shù)頻率。因此，選用高性能的晶體振蕩器來產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖，可保證輸出信號達(dá)到很高的精度。
2 硬件電路設(shè)計(jì)
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(biāo)的同時(shí)，實(shí)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(jì)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(shí)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(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù))、再由可預(yù)置計(jì)數(shù)器Ⅰ和鎖相環(huán)CD4046構(gòu)成的倍頻電路產(chǎn)生高頻時(shí)鐘信號CLK，CLK作為計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)脈沖，計(jì)數(shù)器輸出的計(jì)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(jì)數(shù)器Ⅰ的計(jì)數(shù)初值來實(shí)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(jì)數(shù)器II的計(jì)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(shí)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(jì)數(shù)器I和鎖相環(huán)CD4046構(gòu)成的倍頻電路來實(shí)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(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)N：設(shè)可預(yù)置計(jì)數(shù)器I的計(jì)數(shù)初值等于M，經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻后得到高頻時(shí)鐘信號CLK(fCLK＝M·fBSC＝M·N)，最后經(jīng)計(jì)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(jì)數(shù)器II的計(jì)數(shù)初值來實(shí)現(xiàn)的?？深A(yù)置計(jì)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(shí)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(shí)刻，只要通過撥碼盤對該計(jì)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(dá)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(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)有關(guān)。若信號在一個(gè)周期內(nèi)的采樣點(diǎn)數(shù)為N，則相位差調(diào)整精度為360°/N。在本文設(shè)計(jì)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?shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)中，采用2個(gè)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(biāo)
本文設(shè)計(jì)的信號發(fā)生器具有如下技術(shù)性能指標(biāo)：
·輸出信號的頻率范圍：0.0001～999.9Hz，共分為4個(gè)區(qū)段：0.0001～0.9999Hz，0.001～9.999Hz，0.01～99.99Hz，0.1～999.9Hz。每個(gè)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(jì)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(jī)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(shí)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(kuò)展性，具有廣泛的應(yīng)用前景。
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