信號發(fā)生器調(diào)研報告[行業(yè)知識]

1、畢業(yè)設計（論文）調(diào)研報告學生姓名 湯代月 專業(yè)班級 通信工程2012級1班 所在院系 電氣工程系 指導教師 鞠艷杰 職稱 講師 所在單位 電子電路教研室 完成日期 2015 年 3 月 13 日材料一類調(diào)研報告信號發(fā)生器是現(xiàn)代電子技術發(fā)展的重要成果，又稱信號源或振蕩器，各種波形曲線均可以用三角函數(shù)方程式來表示。能夠產(chǎn)生多種波形，如三角波、鋸齒波、矩形波(含方波)、正弦波的電路被稱為函數(shù)信號發(fā)生器。函數(shù)信號發(fā)生器在電路實驗和設備檢測中具有十分廣泛的用途，也是應用最廣泛的電子儀器之一。信號發(fā)生器是能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號的設備。在測量各種電信系統(tǒng)或電信設備的振幅特性、頻率特性、傳輸特性

2、及其它電參數(shù)時，以及測量元器件的特性與參數(shù)時，用作測試的信號源或激勵源。信號發(fā)生器在測試、研究或調(diào)整電子電路及設備時，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術條件的電信號，以模擬在實際工作中使用的待測設備的激勵信號。當要求進行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時，需使用振幅、頻率已知的正弦信號源。當測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時，又需使用前沿時間、脈沖寬度和重復周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號源輸出信號的參數(shù)，如頻率、波形、輸出電壓或功率等，能在一定范圍內(nèi)進行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性。有輸出指示信號源可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號發(fā)生器、矩形脈沖信號發(fā)生器、函

3、數(shù)信號發(fā)生器和隨機信號發(fā)生器等四大類。一課題的來源及意義近年來由于電子器件的發(fā)展以及數(shù)字化微處理器技術的發(fā)展，信號發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了合成信號發(fā)生器、程控信號發(fā)生器等新種類。各類信號發(fā)生器的性能指標也都有了大幅度提高，據(jù)調(diào)查得知，在低價格、高時鐘頻率、高性能的新一代DDS問世后，以后信號發(fā)生器的發(fā)展不可估量！信號發(fā)生器應用己經(jīng)遍及國民經(jīng)濟的各個領域，深入了人們的日常生活。增加課題應用技術的論述，所以我選擇利用FPGA實現(xiàn)信號發(fā)生器的設計我作為新時代大學生中的一員，在學習了通信工程專業(yè)知識后，又加入了WNC企業(yè)中實習。實物接觸應用機會多了，對信號發(fā)生器了解日漸加深，我想把理論知識轉(zhuǎn)變?yōu)閷?/p>

4、際運用完成信號發(fā)生器的設計與實現(xiàn)。在實際操作中找到自己不足，學習更全面的知識應用。自六十年代以來，信號發(fā)生器迅速的發(fā)展，種類繁多，可分為：1、正弦信號發(fā)生器：正弦信號主要用于測量電路和系統(tǒng)的頻率特性、非線性失真、增益及靈敏度等。按頻率覆蓋范圍分為低頻信號發(fā)生器、高頻信號發(fā)生器和微波信號發(fā)生器;按輸出電平可調(diào)節(jié)范圍和穩(wěn)定度分為簡易信號發(fā)生器(即信號源)、標準信號發(fā)生器(輸出功率能準確地衰減到-100分貝毫瓦以下)和功率信號發(fā)生器(輸出功率達數(shù)十毫瓦以上);按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號發(fā)生器、掃頻式信號發(fā)生器、程控式信號發(fā)生器和頻率合成式信號發(fā)生器等。2、低頻信號發(fā)生器：包括音頻(2002000

5、0赫)和視頻(1赫10兆赫)范圍的正弦波發(fā)生器。主振級一般用RC式振蕩器，也可用差頻振蕩器。為便于測試系統(tǒng)的頻率特性，要求輸出幅頻特性平和波形失真小。3、高頻信號發(fā)生器：頻率為 100千赫30兆赫的高頻、30300兆赫的甚高頻信號發(fā)生器。一般采用 LC調(diào)諧式振蕩器，頻率可由調(diào)諧電容器的度盤刻度讀出。主要用途是測量各種接收機的技術指標。輸出信號可用內(nèi)部或外加的低頻正弦信號調(diào)幅或調(diào)頻，使輸出載頻電壓能夠衰減到1微伏以下。(圖1)的輸出信號電平能準確讀數(shù)，所加的調(diào)幅度或頻偏也能用電表讀出。此外，儀器還有防止信號泄漏的良好屏蔽。4、微波信號發(fā)生器：從分米波直到毫米波波段的信號發(fā)生器。信號通常由帶分布參

6、數(shù)諧振腔的超高頻三極管和反射速調(diào)管產(chǎn)生，但有逐漸被微波晶體管、場效應管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機械調(diào)諧腔體來改變頻率，每臺可覆蓋一個倍頻程左右，由腔體耦合出的信號功率一般可達10毫瓦以上。簡易信號源只要求能加1000赫方波調(diào)幅，而標準信號發(fā)生器則能將輸出基準電平調(diào)節(jié)到1毫瓦，再從后隨衰減器讀出信號電平的分貝毫瓦值;還必須有內(nèi)部或外加矩形脈沖調(diào)幅，以便測試雷達等接收機。5、掃頻和程控信號發(fā)生器：掃頻信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生幅度恒定、頻率在限定范圍內(nèi)作線性變化的信號。在高頻和甚高頻段用低頻掃描電壓或電流控制振蕩回路元件(如變?nèi)莨芑虼判揪€圈)來實現(xiàn)掃頻振蕩;在微波段早期采用電壓調(diào)諧掃頻

7、，用改變返波管螺旋線電極的直流電壓來改變振蕩頻率，后來廣泛采用磁調(diào)諧掃頻，以YIG鐵氧體小球作微波固體振蕩器的調(diào)諧回路，用掃描電流控制直流磁場改變小球的諧振頻率。掃頻信號發(fā)生器有自動掃頻、手控、程控和遠控等工作方式。6、頻率合成式信號發(fā)生器:這種發(fā)生器的信號不是由振蕩器直接產(chǎn)生，而是以高穩(wěn)定度石英振蕩器作為標準頻率源，利用頻率合成技術形成所需之任意頻率的信號，具有與標準頻率源相同的頻率準確度和穩(wěn)定度。輸出信號頻率通常可按十進位數(shù)字選擇，最高能達11位數(shù)字的極高分辨力。頻率除用手動選擇外還可程控和遠控，也可進行步級式掃頻，適用于自動測試系統(tǒng)。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電

8、路組成，變換頻率迅速但電路復雜，最高輸出頻率只能達1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標準頻率源通過鎖相環(huán)控制電調(diào)諧振蕩器(在環(huán)路中同時能實現(xiàn)倍頻、分頻和混頻)，使之產(chǎn)生并輸出各種所需頻率的信號。這種合成器的最高頻率可達26.5吉赫。高穩(wěn)定度和高分辨力的頻率合成器，配上多種調(diào)制功能(調(diào)幅、調(diào)頻和調(diào)相)，加上放大、穩(wěn)幅和衰減等電路，便構成一種新型的高性能、可程控的合成式信號發(fā)生器，還可作為鎖相式掃頻發(fā)生器。7、函數(shù)發(fā)生器：又稱波形發(fā)生器。它能產(chǎn)生某些特定的周期性時間函數(shù)波形(主要是正弦波、方波、三角波、鋸齒波和脈沖波等)信號。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通

9、信、儀表和自動控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領域。圖2為產(chǎn)生上述波形的方法之一，將積分電路與某種帶有回滯特性的閾值開關電路(如施米特觸發(fā)器)相連成環(huán)路，積分器能將方波積分成三角波。施米特電路又能使三角波上升到某一閾值或下降到另一閾值時發(fā)生躍變而形成方波，頻率除能隨積分器中的RC值的變化而改變外，還能用外加電壓控制兩個閾值而改變。將三角波另行加到由很多不同偏置二極管組成的整形網(wǎng)絡，形成許多不同斜度的折線段，便可形成正弦波。另一種構成方式是用頻率合成器產(chǎn)生正弦波，再對它多次放大、削波而形成方波，再將方波積分成三角波和正、負斜率的鋸齒波等。對這些函數(shù)發(fā)生器的頻率都可電控、程控、鎖定和掃頻，

10、儀器除工作于連續(xù)波狀態(tài)外，還能按鍵控、門控或觸發(fā)等方式工作。8、脈沖信號發(fā)生器：產(chǎn)生寬度、幅度和重復頻率可調(diào)的矩形脈沖的發(fā)生器，可用以測試線性系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，或用模擬信號來測試雷達、多路通信和其他脈沖數(shù)字系統(tǒng)的性能。脈沖發(fā)生器主要由主控振蕩器、延時級、脈沖形成級、輸出級和衰減器等組成。主控振蕩器通常為多諧振蕩器之類的電路，除能自激振蕩外，主要按觸發(fā)方式工作。通常在外加觸發(fā)信號之后首先輸出一個前置觸發(fā)脈沖，以便提前觸發(fā)示波器等觀測儀器，然后再經(jīng)過一段可調(diào)節(jié)的延遲時間才輸出主信號脈沖，其寬度可以調(diào)節(jié)。有的能輸出成對的主脈沖，有的能分兩路分別輸出不同延遲的主脈沖。9、隨機信號發(fā)生器：隨機信號發(fā)生器分

11、為噪聲信號發(fā)生器和偽隨機信號發(fā)生器兩類。10、噪聲信號發(fā)生器：完全隨機性信號是在工作頻帶內(nèi)具有均勻頻譜的白噪聲。常用的白噪聲發(fā)生器主要有:工作于1000兆赫以下同軸線系統(tǒng)的飽和二極管式白噪聲發(fā)生器;用于微波波導系統(tǒng)的氣體放電管式白噪聲發(fā)生器;利用晶體二極管反向電流中噪聲的固態(tài)噪聲源(可工作在18吉赫以下整個頻段內(nèi))等。噪聲發(fā)生器輸出的強度必須已知，通常用其輸出噪聲功率超過電阻熱噪聲的分貝數(shù)(稱為超噪比)或用其噪聲溫度來表示。噪聲信號發(fā)生器主要用途是:在待測系統(tǒng)中引入一個隨機信號，以模擬實際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能;外加一個已知噪聲信號與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測定噪聲系數(shù);用隨機信號代替正

12、弦或脈沖信號，以測試系統(tǒng)的動態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號而測出網(wǎng)絡的輸出信號與輸入信號的互相關函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡的沖激響應函數(shù)。11、偽隨機信號發(fā)生器：用白噪聲信號進行相關函數(shù)測量時，若平均測量時間不夠長，則會出現(xiàn)統(tǒng)計性誤差，這可用偽隨機信號來解決。當二進制編碼信號的脈沖寬度墹T足夠小，且一個碼周期所含墹T數(shù)N很大時，則在低于fb=1/墹T的頻帶內(nèi)信號頻譜的幅度均勻，稱為偽隨機信號。只要所取的測量時間等于這種編碼信號周期的整數(shù)倍，便不會引入統(tǒng)計性誤差。二進碼信號還能提供相關測量中所需的時間延遲。偽隨機編碼信號發(fā)生器由帶有反饋環(huán)路的n級移位寄存器組成，所產(chǎn)生的碼長為N=2-1。二國內(nèi)外

13、發(fā)展狀況1、發(fā)展史：單片微型計算機簡稱信號發(fā)生器，是指集成在一塊芯片上的計算機，信號發(fā)生器的產(chǎn)生與發(fā)展和微處理器的產(chǎn)生與發(fā)展大體同步自1971年美國Intel公司首先推出4位微處理器以來它的發(fā)展到目前為止大致可分為5個階段： 第1階段（19711976）：信號發(fā)生器發(fā)展的初級階段。發(fā)展了各種4位信號發(fā)生器。第2階段（19761980）：初級8位機階段。以1976年Intel公司推出的MCS48系列為代表，采用將8位CPU、8位并行I/O接口、8位定時/計數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導體芯片上的單片結構，功能上可滿足一般工業(yè)控制和智能化儀器、儀表等的需要。第3階段（19801983）：高性

14、能信號發(fā)生器階段。這一階段推出的高性8位信號發(fā)生器普遍帶有串行口，有多級中斷處理系統(tǒng)，多個16位定時器/計數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM的容量加大且尋址范圍可達64KB。第4階段（198380年代末）：16位信號發(fā)生器階段。1983年Inte公司又推出了高性能的16位信號發(fā)生器MCS96系列，網(wǎng)絡通信能力有顯著提高。第5階段（90年代）：信號發(fā)生器在集成度、功能、速度、可靠性、應用領域等全方位向更高水平發(fā)展。2、現(xiàn)狀：目前，信號發(fā)生器正朝著高性能和多品種方向發(fā)展，尤其是八位信號發(fā)生器已成為當前信號發(fā)生器中的主流。信號發(fā)生器的發(fā)展具體體現(xiàn)在如下四個方面：(1) CPU功能增強：CPU功能增強主要表現(xiàn)在

15、運算速度和精度的提高方面。為了提高運算速度和精度，信號發(fā)生器通常采用布爾處理機和把CPU的字長增加到16位或32位。例如MCS96/98和HPCI6040等信號發(fā)生器。(2) 內(nèi)部資源增多：ROM容量已達32KB，RAM數(shù)量已達1KB，并具有掉電保護功能，常用I/O電路有串行和并行I/O接口，A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，定時器/計數(shù)器，定時輸出和信號捕捉輸入，系統(tǒng)故障監(jiān)測和DMA?通道電路等。(3) 引腳的多功能化：隨著芯片內(nèi)部功能的增強和資源的豐富，信號發(fā)生器所需的引腳數(shù)也會相應增加，這是不可避免的。例如：一個能尋址1MB存儲空間的信號發(fā)生器需要20條地址線和8條數(shù)據(jù)線。太多的引腳不僅會增加制造時

16、的困難，而且也會使芯片的集成度大為減小。為了減少引腳數(shù)量，提高應用靈活性，信號發(fā)生器中普遍采用一腳多用的設計方案。(4) 低電壓和低功耗：在許多應用場合，信號發(fā)生器不僅要有很小的體積，而且還需要較低的工作電壓和極小的功耗。因此，信號發(fā)生器普遍采用CHMOS工藝，并增加空閑和掉電兩種工作方式。三研究內(nèi)容本課題要求對信號發(fā)生器采用編程語言進行設計實現(xiàn)，并用仿真軟件進行驗證。可以綜合運用前序課程電力電子技術、電子設計自動化(EDA) 、通信原理 等課程中的相關內(nèi)容，結合圖書館資源完成對整個控制結構的設計，以采用編程語對信號發(fā)生器進行設計實現(xiàn)并仿真驗證，具有一定的實際意義。學習相關資料，在掌握工作原理

17、的基礎上，運用Verilog數(shù)字設計和EDA知識，完成設計與實現(xiàn)。四研究方法及手段第一，通過查閱資料、自我學習以及向他人請教，掌握概念和基本思路，并在此基礎上總結方法。第二，自我分析，查閱資料提出信號發(fā)生器實現(xiàn)的辦法；第三，明確制作類型，選擇相應的電位器、電壓放大器、衰減器、功率放大器等。第四，利用Quartus進行編程調(diào)試，仿真驗證。設計過程中要注意如下幾點:(1)注意理解掌握各種分段方式的異同點。(2)設計信號發(fā)生器時，通過插入死區(qū)延遲時間有效地防止逆變器橋臂短路事故的發(fā)生。(3) 震蕩現(xiàn)象。由于FPGA的編程軟件Quartus自身帶有一些IP核使得編程實現(xiàn)SVPWM會相對簡單一些，所以要

18、對FPGA的編程語言VHDL進行詳細的了解并掌握。參考各種相關文獻進行學習，掌握其中的要點，結合自己所學，對SVPWM進行編程設計以及仿真驗證，以達到課題要求。五畢業(yè)設計進度計劃第一周：實習調(diào)研，根據(jù)題目，查找課題相關資料文獻，初步從整體上了解課題。并撰寫調(diào)研報告。第二周：學習相關資料，完成并上交不少于3000字的調(diào)研報告，學習編程語言VHDL的語法。第三周：繼續(xù)學習相關資料，開始翻譯相關的外文文獻，學習編程語言VHDL的語法。第四周：繼續(xù)學習相關資料，完成并上交不少于3000字的與研究內(nèi)容相關的英文文章翻譯，學習編程語言VHDL的語法。第五周：閱讀國內(nèi)外有關的相關資料并總結信號發(fā)生器的特點，

19、學習編程語言VHDL的語法。第六周：總結分析信號發(fā)生器的工作原理，進行分塊總結，確定總體方案。第七周：閱讀資料，理解掌握信號發(fā)生器各個分塊工作原理，學習編程語言VHDL的語法。第八周：根據(jù)總體方案對各個分塊進行編程實現(xiàn)，生成分塊IP核。第九周：根據(jù)總體方案對各個分塊進行編程實現(xiàn)，生成分塊IP核。第十周：將各個分塊的IP核進行綜合調(diào)試。第十一周：檢查驗證最終綜合模塊的工作情況，進行錯誤糾正。第十二周：繼續(xù)檢查修改各個模塊的工作情況，并修改錯誤。第十三周：完善修改綜合程序，進行最終的結果仿真，驗證結果，撰寫畢業(yè)論文提綱，規(guī)劃論文內(nèi)容，并開始著手寫畢業(yè)論文初稿。第十四周：整理材料，文件圖標等，完成畢業(yè)論文的撰寫，交指導教師審查。第十五周：論文修改，打印，裝訂成冊，并提交。復習各種資料，準備答辯。第十六周：答辯，畢業(yè)論文成績評定。第十七周：整理畢業(yè)論文及相關資料