信號(hào)發(fā)生器調(diào)研報(bào)告

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）調(diào)研報(bào)告學(xué)生姓名 湯代月 專業(yè)班級(jí) 通信工程2012級(jí)1班 所在院系 電氣工程系 指導(dǎo)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 日調(diào)研報(bào)告信號(hào)發(fā)生器是現(xiàn)代電子技術(shù)發(fā)展的重要成果，又稱信號(hào)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(hào)發(fā)生器。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器在電路實(shí)驗(yàn)和設(shè)備檢測中具有十分廣泛的用途，也是應(yīng)用最廣泛的電子儀器之一。信號(hào)發(fā)生器是能提供各種頻率、波形和輸出電平電信號(hào)的設(shè)備。在測量各種電信系統(tǒng)或電信設(shè)備的振幅特性、頻率特性、傳輸特性及其它電

2、參數(shù)時(shí)，以及測量元器件的特性與參數(shù)時(shí)，用作測試的信號(hào)源或激勵(lì)源。信號(hào)發(fā)生器在測試、研究或調(diào)整電子電路及設(shè)備時(shí)，為測定電路的一些電參量，如測量頻率響應(yīng)、噪聲系數(shù)，為電壓表定度等，都要求提供符合所定技術(shù)條件的電信號(hào)，以模擬在實(shí)際工作中使用的待測設(shè)備的激勵(lì)信號(hào)。當(dāng)要求進(jìn)行系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性測量時(shí)，需使用振幅、頻率已知的正弦信號(hào)源。當(dāng)測試系統(tǒng)的瞬態(tài)特性時(shí)，又需使用前沿時(shí)間、脈沖寬度和重復(fù)周期已知的矩形脈沖源。并且要求信號(hào)源輸出信號(hào)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(jìn)行精確調(diào)整，有很好的穩(wěn)定性。有輸出指示信號(hào)源可以根據(jù)輸出波形的不同，劃分為正弦波信號(hào)發(fā)生器、矩形脈沖信號(hào)發(fā)生器、函數(shù)信號(hào)發(fā)

3、生器和隨機(jī)信號(hào)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(shù)的發(fā)展，信號(hào)發(fā)生器有了迅速的發(fā)展，出現(xiàn)了合成信號(hào)發(fā)生器、程控信號(hào)發(fā)生器等新種類。各類信號(hào)發(fā)生器的性能指標(biāo)也都有了大幅度提高，據(jù)調(diào)查得知，在低價(jià)格、高時(shí)鐘頻率、高性能的新一代DDS問世后，以后信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展不可估量！信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用己經(jīng)遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，深入了人們的日常生活。增加課題應(yīng)用技術(shù)的論述，所以我選擇利用FPGA實(shí)現(xiàn)信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)我作為新時(shí)代大學(xué)生中的一員，在學(xué)習(xí)了通信工程專業(yè)知識(shí)后，又加入了WNC企業(yè)中實(shí)習(xí)。實(shí)物接觸應(yīng)用機(jī)會(huì)多了，對信號(hào)發(fā)生器了解日漸加深，我想把理論知識(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)閷?shí)際運(yùn)用完

4、成信號(hào)發(fā)生器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際操作中找到自己不足，學(xué)習(xí)更全面的知識(shí)應(yīng)用。自六十年代以來，信號(hào)發(fā)生器迅速的發(fā)展，種類繁多，可分為：1、正弦信號(hào)發(fā)生器：正弦信號(hào)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(hào)發(fā)生器、高頻信號(hào)發(fā)生器和微波信號(hào)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(hào)發(fā)生器(即信號(hào)源)、標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器(輸出功率能準(zhǔn)確地衰減到-100分貝毫瓦以下)和功率信號(hào)發(fā)生器(輸出功率達(dá)數(shù)十毫瓦以上);按頻率改變的方式分為調(diào)諧式信號(hào)發(fā)生器、掃頻式信號(hào)發(fā)生器、程控式信號(hào)發(fā)生器和頻率合成式信號(hào)發(fā)生器等。2、低頻信號(hào)發(fā)生器：包括音頻(20020000赫)和

5、視頻(1赫10兆赫)范圍的正弦波發(fā)生器。主振級(jí)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(hào)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(hào)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(jī)的技術(shù)指標(biāo)。輸出信號(hào)可用內(nèi)部或外加的低頻正弦信號(hào)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(hào)電平能準(zhǔn)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(hào)泄漏的良好屏蔽。4、微波信號(hào)發(fā)生器：從分米波直到毫米波波段的信號(hào)發(fā)生器。信號(hào)通常由帶分布參數(shù)諧振腔

6、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(yīng)管和耿氏二極管等固體器件取代的趨勢。儀器一般靠機(jī)械調(diào)諧腔體來改變頻率，每臺(tái)可覆蓋一個(gè)倍頻程左右，由腔體耦合出的信號(hào)功率一般可達(dá)10毫瓦以上。簡易信號(hào)源只要求能加1000赫方波調(diào)幅，而標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器則能將輸出基準(zhǔn)電平調(diào)節(jié)到1毫瓦，再從后隨衰減器讀出信號(hào)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?yán)走_(dá)等接收機(jī)。5、掃頻和程控信號(hào)發(fā)生器：掃頻信號(hào)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(hào)。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(shí)現(xiàn)掃頻振蕩;在微波段早期采用電壓調(diào)諧掃頻，用改變

7、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(hào)發(fā)生器有自動(dòng)掃頻、手控、程控和遠(yuǎn)控等工作方式。6、頻率合成式信號(hào)發(fā)生器:這種發(fā)生器的信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)頻率源，利用頻率合成技術(shù)形成所需之任意頻率的信號(hào)，具有與標(biāo)準(zhǔn)頻率源相同的頻率準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度。輸出信號(hào)頻率通?？砂词M(jìn)位數(shù)字選擇，最高能達(dá)11位數(shù)字的極高分辨力。頻率除用手動(dòng)選擇外還可程控和遠(yuǎn)控，也可進(jìn)行步級(jí)式掃頻，適用于自動(dòng)測試系統(tǒng)。直接式頻率合成器由晶體振蕩、加法、乘法、濾波和放大等電路組成，

8、變換頻率迅速但電路復(fù)雜，最高輸出頻率只能達(dá)1000兆赫左右。用得較多的間接式頻率合成器是利用標(biāo)準(zhǔn)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(shí)能實(shí)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(hào)。這種合成器的最高頻率可達(dá)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(gòu)成一種新型的高性能、可程控的合成式信號(hào)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(shí)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(hào)。頻率范圍可從幾毫赫甚至幾微赫的超低頻直到幾十兆赫。除供通信、儀表

9、和自動(dòng)控制系統(tǒng)測試用外，還廣泛用于其他非電測量領(lǐng)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(guān)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(shí)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(gè)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(luò)，形成許多不同斜度的折線段，便可形成正弦波。另一種構(gòu)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(fù)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，儀器除工

10、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(hào)發(fā)生器：產(chǎn)生寬度、幅度和重復(fù)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(yīng)，或用模擬信號(hào)來測試?yán)走_(dá)、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(shí)級(jí)、脈沖形成級(jí)、輸出級(jí)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(hào)之后首先輸出一個(gè)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(shí)間才輸出主信號(hào)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(jī)信號(hào)發(fā)生器：隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器分為噪聲信

11、號(hào)發(fā)生器和偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器兩類。10、噪聲信號(hào)發(fā)生器：完全隨機(jī)性信號(hào)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(dǎo)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(gè)頻段內(nèi))等。噪聲發(fā)生器輸出的強(qiáng)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(hào)發(fā)生器主要用途是:在待測系統(tǒng)中引入一個(gè)隨機(jī)信號(hào)，以模擬實(shí)際工作條件中的噪聲而測定系統(tǒng)的性能;外加一個(gè)已知噪聲信號(hào)與系統(tǒng)內(nèi)部噪聲相比較以測定噪聲系數(shù);用隨機(jī)信號(hào)代替正弦或脈沖

12、信號(hào)，以測試系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。例如，用白噪聲作為輸入信號(hào)而測出網(wǎng)絡(luò)的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的互相關(guān)函數(shù)，便可得到這一網(wǎng)絡(luò)的沖激響應(yīng)函數(shù)。11、偽隨機(jī)信號(hào)發(fā)生器：用白噪聲信號(hào)進(jìn)行相關(guān)函數(shù)測量時(shí)，若平均測量時(shí)間不夠長，則會(huì)出現(xiàn)統(tǒng)計(jì)性誤差，這可用偽隨機(jī)信號(hào)來解決。當(dāng)二進(jìn)制編碼信號(hào)的脈沖寬度墹T足夠小，且一個(gè)碼周期所含墹T數(shù)N很大時(shí)，則在低于fb=1/墹T的頻帶內(nèi)信號(hào)頻譜的幅度均勻，稱為偽隨機(jī)信號(hào)。只要所取的測量時(shí)間等于這種編碼信號(hào)周期的整數(shù)倍，便不會(huì)引入統(tǒng)計(jì)性誤差。二進(jìn)碼信號(hào)還能提供相關(guān)測量中所需的時(shí)間延遲。偽隨機(jī)編碼信號(hào)發(fā)生器由帶有反饋環(huán)路的n級(jí)移位寄存器組成，所產(chǎn)生的碼長為N=2-1。二國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

13、1、發(fā)展史：單片微型計(jì)算機(jī)簡稱信號(hào)發(fā)生器，是指集成在一塊芯片上的計(jì)算機(jī)，信號(hào)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(gè)階段： 第1階段（19711976）：信號(hào)發(fā)生器發(fā)展的初級(jí)階段。發(fā)展了各種4位信號(hào)發(fā)生器。第2階段（19761980）：初級(jí)8位機(jī)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(shí)/計(jì)數(shù)器、RAM和ROM等集成于一塊半導(dǎo)體芯片上的單片結(jié)構(gòu)，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）：高性能信號(hào)發(fā)

14、生器階段。這一階段推出的高性8位信號(hào)發(fā)生器普遍帶有串行口，有多級(jí)中斷處理系統(tǒng)，多個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。片內(nèi)RAM、ROM的容量加大且尋址范圍可達(dá)64KB。第4階段（198380年代末）：16位信號(hào)發(fā)生器階段。1983年Inte公司又推出了高性能的16位信號(hào)發(fā)生器MCS96系列，網(wǎng)絡(luò)通信能力有顯著提高。第5階段（90年代）：信號(hào)發(fā)生器在集成度、功能、速度、可靠性、應(yīng)用領(lǐng)域等全方位向更高水平發(fā)展。2、現(xiàn)狀：目前，信號(hào)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(hào)發(fā)生器已成為當(dāng)前信號(hào)發(fā)生器中的主流。信號(hào)發(fā)生器的發(fā)展具體體現(xiàn)在如下四個(gè)方面：(1) CPU功能增強(qiáng)：CPU功能增強(qiáng)主要表現(xiàn)在運(yùn)算速度

15、和精度的提高方面。為了提高運(yùn)算速度和精度，信號(hào)發(fā)生器通常采用布爾處理機(jī)和把CPU的字長增加到16位或32位。例如MCS96/98和HPCI6040等信號(hào)發(fā)生器。(2) 內(nèi)部資源增多：ROM容量已達(dá)32KB，RAM數(shù)量已達(dá)1KB，并具有掉電保護(hù)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(shí)器/計(jì)數(shù)器，定時(shí)輸出和信號(hào)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(qiáng)和資源的豐富，信號(hào)發(fā)生器所需的引腳數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加，這是不可避免的。例如：一個(gè)能尋址1MB存儲(chǔ)空間的信號(hào)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(huì)增加制造時(shí)的困難，

16、而且也會(huì)使芯片的集成度大為減小。為了減少引腳數(shù)量，提高應(yīng)用靈活性，信號(hào)發(fā)生器中普遍采用一腳多用的設(shè)計(jì)方案。(4) 低電壓和低功耗：在許多應(yīng)用場合，信號(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器采用編程語言進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并用仿真軟件進(jìn)行驗(yàn)證。可以綜合運(yùn)用前序課程電力電子技術(shù)、電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化(EDA) 、通信原理 等課程中的相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合圖書館資源完成對整個(gè)控制結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，以采用編程語對信號(hào)發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)并仿真驗(yàn)證，具有一定的實(shí)際意義。學(xué)習(xí)相關(guān)資料，在掌握工作原理的基礎(chǔ)上

17、，運(yùn)用Verilog數(shù)字設(shè)計(jì)和EDA知識(shí)，完成設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。四研究方法及手段第一，通過查閱資料、自我學(xué)習(xí)以及向他人請教，掌握概念和基本思路，并在此基礎(chǔ)上總結(jié)方法。第二，自我分析，查閱資料提出信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)的辦法；第三，明確制作類型，選擇相應(yīng)的電位器、電壓放大器、衰減器、功率放大器等。第四，利用Quartus進(jìn)行編程調(diào)試，仿真驗(yàn)證。設(shè)計(jì)過程中要注意如下幾點(diǎn):(1)注意理解掌握各種分段方式的異同點(diǎn)。(2)設(shè)計(jì)信號(hào)發(fā)生器時(shí)，通過插入死區(qū)延遲時(shí)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(shí)現(xiàn)SVPWM會(huì)相對簡單一些，所以要對FPG

18、A的編程語言VHDL進(jìn)行詳細(xì)的了解并掌握。參考各種相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，掌握其中的要點(diǎn)，結(jié)合自己所學(xué)，對SVPWM進(jìn)行編程設(shè)計(jì)以及仿真驗(yàn)證，以達(dá)到課題要求。五畢業(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)度計(jì)劃第一周：實(shí)習(xí)調(diào)研，根據(jù)題目，查找課題相關(guān)資料文獻(xiàn)，初步從整體上了解課題。并撰寫調(diào)研報(bào)告。第二周：學(xué)習(xí)相關(guān)資料，完成并上交不少于3000字的調(diào)研報(bào)告，學(xué)習(xí)編程語言VHDL的語法。第三周：繼續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)資料，開始翻譯相關(guān)的外文文獻(xiàn)，學(xué)習(xí)編程語言VHDL的語法。第四周：繼續(xù)學(xué)習(xí)相關(guān)資料，完成并上交不少于3000字的與研究內(nèi)容相關(guān)的英文文章翻譯，學(xué)習(xí)編程語言VHDL的語法。第五周：閱讀國內(nèi)外有關(guān)的相關(guān)資料并總結(jié)信號(hào)發(fā)生器的特點(diǎn)，學(xué)習(xí)編程

19、語言VHDL的語法。第六周：總結(jié)分析信號(hào)發(fā)生器的工作原理，進(jìn)行分塊總結(jié)，確定總體方案。第七周：閱讀資料，理解掌握信號(hào)發(fā)生器各個(gè)分塊工作原理，學(xué)習(xí)編程語言VHDL的語法。第八周：根據(jù)總體方案對各個(gè)分塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，生成分塊IP核。第九周：根據(jù)總體方案對各個(gè)分塊進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)，生成分塊IP核。第十周：將各個(gè)分塊的IP核進(jìn)行綜合調(diào)試。第十一周：檢查驗(yàn)證最終綜合模塊的工作情況，進(jìn)行錯(cuò)誤糾正。第十二周：繼續(xù)檢查修改各個(gè)模塊的工作情況，并修改錯(cuò)誤。第十三周：完善修改綜合程序，進(jìn)行最終的結(jié)果仿真，驗(yàn)證結(jié)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(biāo)等，完成畢業(yè)論文的撰寫，交指導(dǎo)教師審查。第十五周：論文修改，打印，裝訂成冊，并提交。復(fù)習(xí)各種資料，準(zhǔn)備答辯。第十六周：答辯，畢業(yè)論文成績評(píng)定。第十七周：整理畢業(yè)論文及相關(guān)資料，完成成冊。六主