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晶体稳频超低频移相信号发生器的研制

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晶体稳频超低频移相信号发生器的研制
北 京 航 空 航 天 大 学 G"H 教 研 室 ( 2"""I? ) 周 正 干 王 美 清 满 庆 丰 夏 继 强
摘 要: 介绍一种晶体稳频超低频移相信号发生器的工作原理和设计方法。系统采用了数字波

形合成技术, 具有以数字控制其输出信号的频率、 波形和信号之间相位差的功能。实际应用表明, 该 信号发生器具有输出信号精度高、 稳定性好和调节精度高等特点, 具有广泛的应用前景。 关键词: 超低频信号 数字合成波形 信号发生器
作为测量各种电子元器件和电子仪器设备参数 和性能的信号源, 信号发生器的品种繁多, 按输出波 形可分为正弦信号发生器、 脉冲信号发生器、 函数信 号发生器和噪声信号发生器等; 按输出频率可分为超 低频信号发生器、 低频信号发生器、 高频信号发生器 和超高频信号发生器等。 过去, 信号发生器的电路基本上是由运算放大器 和一些外接阻容元件组成的振荡电路,电路调试困 难, 工艺结构复杂, 且对阻容元件参数的选择要求严 格; 另外, 由于阻容元件的稳定性差, 加上频率、 相位 的调节和换档是通过按钮改变桥路阻值来实现的, 所 以, 其可靠性不高, 难于保证输出信号的频率和波形 的精确度, 因而其应用范围受到一定的限制。 现在, 随着大规模集成电路技术的发展, 可以利 用 大 规 模 集 成 电 路 来 实 现 直 接 数 字 波 形 合 成 。采 用 这 种技术制成的信号发生器具有电路简单,性能可靠, 输出信号的波形和频率值精度和准确度高, 且所用阻 容元件少, 易于调试。 目前, 利用直接数字波形合成技术制成的信号发 生器概括起来有四种形式。 第一种是采用微处理器和数模转换器组成的数 字式低频信号发生器。这种信号发生器具有价格低, 在低频范围内可靠性好, 体积小, 耗电少, 操作方便等 它输出信号的频率 (!") 是由微处理器 特 点 324 。 但 是 , 向 数 模 转 换 器 输 出 数 据 的 频 率 5 ! 6* 和 信 号 在 一 个 周 期 内的采样点数 (7) 来决定的, 因此, 其输出频率不能 连续可调, 控制不便。 第 二 种 是 信 号 发 生 器 是 利 用 08, ( 09:9’;< 89:&;< 根据幅值、 频率和相位参数, 计 计数 ,)$=(669&: * 处 理 器 ,
滤波器 算产生高精度的信号所需数据表, 经 数 模 转 换 后 输 脉 冲 ( #$%&’() * (+,-./) (/01# ) 输出 3!4 出, 形成需要的信号波形 。这种信号发生器可实 图 2 直接数字波形合成的基本原理框图 现程控调幅、 调频和调相。同第一种信号发生器一 计数器 只读存储器 数模转换器 信号

转 换 器 和 滤 波 器 等 组 成 的 信 号 发 生 器 。这 种 信 号 发 生 器输出信号精度高、 稳定性好、 可靠性高, 且功耗低, 调频、 调 相 和 调 幅 都 很 方 便 3?4 。 第四种是利用单片机与精密函数发生器构成的 程 控 信 号 发 生 器 3 @ 4 。这 种 信 号 发 生 器 能 够 克 服 常 规 信 号发生器的缺陷, 保证在某个信号的频带内正弦波的 失 真 度 小 于 "ABC。 它 的 输 出 信 号 频 率 调 整 和 幅 值 调 整都由单片机完成。但是, 由于数模转换器的非线性 误差和函数发生器本身的非线性误差, 这种信号发生 器输出信号的频率与理论值会有一定的偏差。 但是, 他们都 上述 @ 种信号发生器各有其特点, 只能产生单路信号, 且仅能输出正弦波, 因而其使用 场合受到一定的限制。为了克服这些不足, 本文设计 了 一 种 晶 体 稳 频 超 低 频 移 相 信 号 发 生 器 。采 用 直 接 数 字波形合成技术,该信号发生器输出信号精度高, 稳 定性好; 不仅可对输出信号实现数控调频、 调相和波 形选择, 而且调节精度高。 它可输出两路信号, 每路信 号可以是正弦波、 三角波、 锯齿波、 方波或其他周期函 数信号, 两路信号输出的波形可以单独选择, 且信号 之 间 可 以 实 现 " D E ?BF D 的 相 位 差 。

! 工作原理
直接数字波形合成技术的基本原理是设法将波 形在采样点的值依次通过数模转换器 ( /01# ) 转换成 模拟量输出。在本文设计的超低频信号发生器中, 波 形生成的基本原理如图 2 所示, 其基本环节由计数器 ( #$%&’() ) 、 只 读 存 储 器 ( +,-./ ) 、 数 模 转 换 器 和滤波器组成。 ( /01# )

样,这种信号发生器亦具有输出频率不能连续可 调, 控制不便的缺点。 第三种是运用单片机、 计数器、 只读存储器、 0>1

下面以正弦波的形成为例来说明数字波形合成 的基本原理。 将正弦波函数在一个周期内的值按等距采样 7

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点, 然后进行离散化函数求值, 即有:

# $ % & ’ (%) $ ! ! ?! ) *

$ % ’ + , ! , - …… * )

再 将 # (!) 按 一 定 的 比 特 数 ( 取 决 于 后 面 所 用 取整, 从而得到: .#/0 的 位 数 )

# %)1 $ % & ’ 2*3 4 ! ) 5 + 6 $ ! ) 5 + 5 + & 7 # $ % & 8
式中, — — 数 模 转 换 器 .#/0 的 位 数 ; — —取 整 )— 2*3 — 函数。 然 后 把 # % ) 1 $ % & 数 值 依 次 存 入 9:;<. 中 。 9:;<. 的 地 址 线 接 到 计 数 器 的 输 出 端 , 其 数 据 线 接 到 .#/0 数 据 线 的 输 入 端 。当 计 数 器 在 计 数 脉 冲 的 驱 动 下 开 始 计 数 时 , 就 会 依 次 选 中 9:;<. 的 " 单 元 、 + 单元、 …… * 单 元 地 址 , 从 而 将 其 中 数 据 依 次 取 出 送 到 .#/0 的 数 据 线 上 , 经 过 .#/0 转 换 后 , 从 其 输 出 就 能得到相应幅值的模拟信号。当计数器计满 * 个数 时,就得到一个周期的正弦波信号。如果 * 太小, 该 正 弦 波 可 能 会 出 现 阶 梯 。把 此 阶 梯 信 号 经 滤 波 器 滤 波 后, 便可得到*滑的正弦波信号。计数器循环往复不 断计数, 即可得到连续的正弦波信号。其他周期信号 波形的合成可依据同样原理产生。 输出信号的频率由下式决定。

" =>1 ’ " 0?@ A * 式中, — —输出信号频率; — —计数脉冲频; " =>1 — " 0?@ —
— —信号在一个周期内的采样点数。 *— 输 出 信 号 的 幅 值 # $ 由 .#/0 的 参 考 电 压 # BCD 决 定。

图 ! 晶体稳频超低频移相信号发生器的原理框图

其中, 频率的调节是通过改变可预置计数器"的 计数初值来实现的, 两路信号之间的相位差调节是通 过 改 变 第 二 路 信 号 输 出 电 路 中 的 可 预 置 计 数 器 22 的 计数初值来完成的,而幅值的调整则只要分别改变

# E ’ # BCD
由 于 本 文 中 .#/0 的 输 出 采 用 双 极 性 输 出 , 所 以, 输 出 信 号 的 峰 5 峰 值 为 # BCD 的 二 倍 。 由此可见, 当周期信号在一个周期内的采样点数 确定后, 输出信号的频率仅取决于计数频率。 因此, 选 用高性能的晶体振荡器来产生计数脉冲, 可保证输出 信号达到很高的精度。

.#/0 2 和 .#/0 22 的 参 考 电 压 就 可 实 现 。 !"# 频 率 调 整 方 法 输出信号的频率调整是通过由可预 从图 ! 可见, 置 计 数 器 2 和 锁 相 环 0# H"HI 构 成 的 倍 频 电 路 来 实 现
的。由晶体振荡器产生高稳定度的脉冲信号, 经分频 器 输 出 方 波 信 号 FG0 , 其 频 率 值 " FG0 等 于 信 号 在 一 个 周 期 内 的 采 样 点 数 *: 设可预置计数器 2 的计数初值 等 于 . , 经 过 锁 相 环 倍 频 后 得 到 高 频 时 钟 信 号 0?@ ( " 0?@ ’ .?" FG0 ’ .?* & , 最 后 经 计 数 器 、 9:;<. ( 存 放 函 数的采样值) 、 .#/0 和 滤 波 器 调 控 输 出 相 应 频 率 的 信 号 波 形 。 上 节 已 给 出 输 出 信 号 的 频 率 " =>1 ’ " 0?@ A *’.?

! 硬件电路设计
在保证信号发生器的稳定性、 频率范围、 幅值范 围等指标的同时, 实现对输出信号的频率和相位的数 字 控 制 是 现 代 信 号 发 生 器 的 发 展 方 向 。本 文 设 计 的 晶 体稳频超低频移相信号发生器的原理框图如图 ! 所 示。 系统中, 由晶体振荡器产生高稳定度的时钟信号, (该方波 经 分 频 器 分 频 得 到 所 需 频 率 的 方 波 信 号 FG0 信号的频率值等于信号在一个周期内的采样点数) 、 再 由 可 预 置 计 数 器 " 和 锁 相 环 0# H"HI 构 成 的 倍 频 电 路 产 生 高 频 时 钟 信 号 0?@ , 0?@ 作 为 计 数 器 的 计 数 脉 冲 , 计 数 器 输 出 的 计 数 值 作 为 9:;<. !JIH 的 地 址 , 使其中存放的波形采样值不断输出, 经 .#/0 转 换 后 得到所需波形信号。如果选择不同波形输出, 只需改 变 9:;<. 的 高 位 地 址 , 以 获 得 不 同 波 形 采 样 数 据 表 的起始地址即可。

* A *’. 。 !"! 两 路 信 号 之 间 相 位 差 的 调 整 方 法
两路信号之间相位差的调整是通过设置图 ! 中 可预置计数 的 可 预 置 计 数 器 22 的 计 数 初 值 来 实 现 的 。 器 22 的 初 值 不 同 , 从 9:;<. 中 读 出 周 期 信 号 函 数 采 样数据时的起始地址就不同, 对应的信号相位也就不 同。因而在初始时刻, 只要通过拨码盘对该计数器预 置不同的初值即可形成两路信号间不同的相位差, 从 而达到调节信号间相位差的目的。 信号间相位差的调节精度与信号在一个周期内

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的 采 样 点 数 有 关 。若 信 号 在 一 个 周 期 内 的 采 样 点 数 为 则 相 位 差 调 整 精 度 为 $%" & ’ # 。 在 本 文 设 计 的 信 号 #, 所以, 其 相 位 差 调 节 分 辨 率 为 )&。 发生器中, # ( $%" , 相信号发生器, 采用了数字波形合成技术, 具有数字 控制输出信号的频率、 相位和波形等功能。其输出信 号精度高, 稳定性好, 调节精度高; 整机体积小, 功耗 低, 可靠性高, 操作方便。该信号发生器能输出正弦 波、 三角波、 锯齿波、 方波或其他周期函数信号, 两路 输 出 信 号 之 间 可 实 现 " & 2 $83 & 的 相 位 差 。 如 果 需 要 不 同于上述的信号波形, 只需将存有所需信号波形的采 样 值 的 =>?@* 替 换 现 有 的 =>?@* 即 可 , 而不必改动 其他硬件和软件, 体现了优越的可扩展性, 具有广泛 的应用前景。 参考文献
张 彪1智能数字式低频信号发生器1仪表技术 ) 杨丽君,

!"# 幅 值 调 整 方 法
从图 ! 中可知,如欲调节输出信号幅值的大小, 只 需 调 整 *+,- ! 和 *+,- " 的 输 入 参 考 电 压 即 可 实现。本系统中, 采用 ! 个精密多圈电位器和相应电 阻 形 成 分 压 电 路 , 其 输 出 分 别 接 到 *+,- ! 和 *+,( ! ./0 ) 输入端, 从而完成幅值的调整。 "参考电压

# 性能指标
本文设计的信号发生器具有如下技术性能指标: ?输 出 信 号 的 频 率 范 围 : " 1 """) 2 333 1 3 45 , 共 分 为

6 个区段: " 1 """) 2 " 1 3333 45 , " 1 "") 2 3 1 333 45 , " 1 ") 2 33 1 33 45 , " 1 ) 2 333 1 3 45 。 每 个 区 段 内 的 调 节 精 度 分 别 为: " 1 """) 45 7 " 1 "") 45 7 " 1 ") 45 7 " 1 ) 45 。 ?输 出 信 号 通 道 数 : !。
?输 出 信 号 波 形 种 类 : 正弦波、 三角波、 锯齿波、 方 波或其他周期函数信号。 ?两 通 道 信 号 之 间 的 相 位 差 : 调节精度: " & 2 $83 & ,

)333 A B ! C D )3 2 !"
杨 敏, 陈 至 骏 1 一 个 基 于 +E> 的 数 字 合 成 正 弦 ! 王 江, (!) : 波发生器1仪表技术, )333 ; 3 2 ))

$ 鞠 阳 1 一 种 新 型 程 控 正 弦 信 号 发 生 器 1 仪 表 技 术 7 )33F A B $ C D 3 2 )$ 吕胜军, 赵顾明1程控高精度信号发生器的设 6 吕勇军,
($) : 计1仪表技术, )33F ; )6 2 )8 黄 丽, 方红斌1数字合成正弦波发生器1仪表 8 陈一尧, 技 术 7 )33F ; B 8 C D 3 2 ))

)&。
(峰:峰值) , 无级连续 ?输 出 信 号 的 幅 值 : " 2 !" 9 可调。 ?波 形 失 真 度 : ;"18<。 ?频 率 稳 定 度 : # " ; )" : % 45 。 综上所述, 本文所设计研制的晶体稳频超低频移

(收稿日期: )333 : "3 : "% )




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