1、 1 毕业论文文献综述 电子信息工程 简易函数信号发生器文献综述 摘要： 函数信号发生器在我们的生活生产中的应用很广泛也很重要，所以函数信号发生器的设计研究成为了人们的关注。近些年来，由于电子设计自动化的技术飞速发展，给函数信号发生器的设计提供了很大的方便。本文主要介绍了函数信号发生器的基本概念，国内外函数信号发生器的现状 ,函数信号发生器的分类和函数信号发生器的设计状况。 关键词： 函数信号发生器 ; FPGA, DAC， DDS 一 、 引言 波形发生器即通常所说的信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于通信，雷达，测控， 电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格
2、技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器 1。随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对波形发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。可见，为适应现代电子技术的不断 发展和市场需求，研究制作高性能的任意波形发生器（简称 AWG）十分有必要，而且意义重大。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正
3、弦振荡，获得所需频率。这种信号发生器虽然具有输出信号频率范围宽，结构简单等优点，但输出波形单一，不能产生任意波形，且频率稳定度和准确度较差，频率稳定度一般劣于 10-5分，频率准确度一般在 0.5%以下，对于作为精密测量用的信号发生器，其频率稳定度一般要求达到 10-6-10-7。因此传统的信号发生器己经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台 2。 而基于频率合成技术制成的信号发生器，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，因此发展非常迅速，尤其是最近随着现代电子技术的不断发展，其应用更是有了质的飞跃。 二 、 国内外研究现状 1 波形发生器的发展状况 波形发生器是能够产生大量的标
4、准信号和用户定义信号，并保证高精度、高稳定性、可重复性和易操作性的电子仪器。函数波形发生器具有连续的相位变和频率稳定性等优点，不仅可以模拟各种复杂信号，还可对频率、幅值、相波形进行动态、及时的控制，并能够与其它仪器进行通讯，组2 成自动测试系因此被广泛用于自动控制系统、振动激励、通讯和 仪器仪表领域 3。 在 70 年代前，信号发生器主要有两类 :正弦波和脉冲波，而函数发生器于两类之间，能够提供正弦波、余弦波、方波、三角波、上弦波等几种常用波形，产生其它波形时，需要采用较复杂的电路和机电结合的方法。这个时波形发生器多采用模拟电子技术，而且模拟器件构成的电路存在着尺寸大、价贵、功耗大等缺点，并且
5、要产生较为复杂的信号波形，则电路结构非常复杂。 在 70 年代后，微处理器的出现，可以利用处理器、 A/D 和 D/A，硬件和软件使波形发生器的功能扩大，产生更加复杂的波形。这时期的波形发生器以软件为主，实质是采用 微处理器对 DAC 的程序控制，就可以得到各种简单波形。 90 年代末，出现几种真正高性能、高价格的函数发生器、但是 HP 公推出了型号为 HP77OS 的信号模拟装置系统，它由 HP877OA 任意波形数字化 HP1776A 波形发生软件组成。 HP877OA 实际上也只能产生 8 中波形，而且价昂贵。不久以后， Analogic 公司推出了型号为 Data-2020 的多波形合
6、成器，Lee 公司生产的型号为 9100 的任意波形发生器等 4。 到了二十一世纪，随着集成电路技术的高速发展，出现了多种工作频率可 GHz 的 DOS 芯片，同时也推动了函数波 形发生器的发展， 2003 年， Aggilen 的产品 33220A 能够产生 17 种波形，最高频率可达到 20M， 2005 年的产品 N60 能够产生高达 500MHz 的频率，采样的频率可达 1.25GHz5。由上面的产品可以出，函数波形发生器发展很快近几年来，国际上波形发生器技术发展主要体现以下几个方面： 1.过去由于频率很低应用的范围比较狭小，输出波形频率的提高，使得波发生器能应用于越来越广的领域。波形
7、发生器软件的开发正使波形数据的输入得更加方便和容易。波形发生器通常允许用一系列的点、直线和固定的函数段波形数据存入存储器 。同时可以利用一种强有力的数学方程输入方式，复杂的波形可以由几个比较简单的公式复合成 v=f(t)形式的波形方程的数学表达式产生。从而促进了函数波形发生器向任意波形发生器的发展，各种计算机语言的飞速发展也对任意波形发生器软件技术起到了推动作用。目前可以利用可视化编程语言 (如 VisualBasic， VisualC 等等 )编写任意波形发生器的软面板，这样允许从计算机显示屏上输入任意波形，来实现波形的输入 6。 2.与 VXI 资源结合。目前，波形发生器由独立的台式仪器和
8、适用于个人计算机的插卡以及新近开发的 VXI 模块。 由于 VXI 总线的逐渐成熟和对测量仪器的高要求，在很多领域需要使用 VXI 系统测量产生复杂的波形， VXI 的系统资源提供了明显的优越性，但由于开发 VXI 模块的周期长，而且需要专门的 VX 机箱的配套使用，使得波形发生器 VXI 模块仅限于航空、军事及国防等大型领域。在民用方面， VXI 模块远远不如台式仪器更为方便 7。 3.随着信息技术蓬勃发展，台式仪器在走了一段下坡路之后，又重新繁荣起来。不过现在新的台式仪器的形态，和几年前的己有很大的不同。这些新一代台式仪器具有多种特性，可以执行多种3 功能。而且外形尺寸与价格，都比过去 的
9、类似产品减少了一半。 2 国外波形发生器 早在 1978 年，由美国 Wavetek 公司和日本东亚电波工业公司公布了最高取样频率为 5MHz，可以形成 256 点 (存储长度 )波形数据，垂直分辨率为 8bit，主要用于振动、医疗、材料等领域的第一代高性能信号源，经过将近 30 年的发展，伴随着电子元器件、电路、及生产设备的高速化、高集成化，波形发生器的性能有了飞速的提高。变得操作越来越简单而输出波形的能力越来越强。波形操作方法的好坏，是由波形发生器控制软件质量保证的，编辑功能增加的越多，波形形成的操作性越好 8。 函数发生 器是应用在自动测量控制、实验机测试仪器等装置中的一种信号源。早在二
10、十年代，当电子设备刚开始出现的时候，信号发生器就出现了。随着通信和雷达技术的发展，四十年代出现了主要用于测试各种接收的标准信号发生器，使信号发生器从定性分析的测试仪器成为定量分析的测量仪器，同时还出现了可用来测试脉冲电路或用作脉冲调制器的脉冲信号发生器。早期的信号发生器机械结构比较复杂，功率比较大，电路比较简单 (与数字仪器、示波器等相比 )，因此发展速度较慢。自六十年代以来，信号发生器有了迅速的发展，出现了函数发生器、扫频信号发生器、合成信号发 生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的主要性能指标也都有了大幅度的提高，同时在简化机械结构、小型化、多功能等各方面也有了显著的进展。 自第一
11、台正弦波发生器问世以来函数发生器的设计已经发生了多次演变，早期的函数发生器由于技术受到限制主要采用分离元件及模拟电路进行设计的，结构复杂，体积较大，而且可靠性和准确度等性能指标都较低。 1971 年 J.Tierney和 C.M.Tador 等人首次提出了一种新型的频率合成技术 直接数字频率合成（ DDS）的概念，限于当时的技术和器件水平，他的性能指标尚不能与以有的技术相 比故未能引起人们的重视。但是随着数字集成电路和微电子技术的发展， DDS 技术得到了飞速的发展，它的高分辨率、快速的频率切换速度、数字化实现，便于集成，易于调整，体积小，重量轻，稳定度高等优点，使他广泛应用于雷达、通信、电子
12、站及仪器仪表行业中，目前大多数的函数发生器都采用这种技术。其主要代表有 Agilent 生产的 33220A 等 9。 三、数字式函数信号发生器 函数发生器是使用最广的通用信号源，提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲波等波形。函数波形发生器在设计上分为模拟式和数字合成式。数字合成式函数信号源（ DDS）无 论就频率、幅度乃至信号的信噪比（ S/N）均优于模拟式，其锁相环（ PLL）的设计让输出信号不仅是频率精准，而且相位抖动（ phase Jitter）及频率漂移均能达到相当稳定的状态 。图 1 为数字式函数发生器的原理框图，通过时钟 Clock 提供地址发生器所需要的脉冲，在地址发生器产生的地址信
13、号中，通过选中相应的4 ROM 内的地址单元，输出已固化好的数字信号，经 D/A 转换器输出相应的模拟信号。同时，通过可变的时钟 Clock，可使输出信号的频率发生变化图 2 给出了地址发生速率可变的地址发生器原理框图。 频率合成技术中 的数字式直接合成法，可用 74LS97 或 74LS167 来实现这一功能。若设时钟频率为 Fclk 率预置数为二进制码的 ABCDEF 时，则在 74LS97 的情况下地址发生器输入端可得到的频率Fout 若在 74LS167 的情况下，当预置频率为 ABCD 时，则在地址发生器输入端可得到的频率 Fout: 由计算可知， ROM 内容决定 D/A 输出的频
14、率变化范围。通过合理设计 ROM 的数据，可设计产生的波形与频率。 四、结论 简易函数发生器不仅能产生正弦波、三角波、方波，还能够调整波形的周期。函数发生器的制作可通过信号发生器电 路完成，也可通过存储的数字数据，通过程序调用，应用离散数据产生。 五、参考文献 1乔红 .一种通用数字中频正交扩频调制器的实现 . J电讯技术， 2003， vol.43， N0.5:56-67 2靳学明，谭剑美 .基于 DDS 的通用雷达波形产生器的实现和性能 . J雷达科学与技术， 2004， No.3:124-131 3冯小平 .基于 DDS 技术的雷达波形发生器的研究 . D西安电子科技大学硕士论文， 20
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