15～50MHZ高精度高頻信號源開題報告範文

　　一、引言

在工業自動化系統中，經常要用一些信號作爲測量基準信號或輸出信號。例如在許多數據採集和測量系統中需要自身帶有一定精度的信號發生器，爲系統提供標準的測試信號。在產品開發過程中，爲了能對電子產品進行測試和校正，必須使用適當精度的信號發生器，所使用信號發生器的輸出信號精度應高於被檢測系統精度的一個數量級，至少也就高於被檢測系統精度3-4倍。受檢測設備的精度越高，對信號發生器的精度要求也就越高。

隨着科學技術的發展，現代電子測量對信號源頻率的準確度和穩定度的要求也越來越高。例如在無線電通信系統中，蜂窩通信頻段在912MHZ並以30KHZ步進。爲此，信號源頻率穩定度的要求必須優於10-6數量級。作爲電子系統必不可少的信號源，在很大程度上決定了系統的性能，因而常稱之爲電子系統的“心臟”。傳統的信號源採用振盪器，只能產生少數幾種波形，自動化程度較低，且儀器體積大，靈活性與準確度差。而現在要求信號源能產生波形的種類多，頻率高，而且還要體積少，頻率穩定，還要可靠性高，操作靈活，使用方便以及可由計算機控制。

　　二、信號發生器的分類

我們衡量或評定一個信號發生器的精度時，主要是對其中最基本和最重要的部分即正弦信號進行檢測。檢驗正弦信號性能的重要指標是頻率準備度和頻率穩定度、信噪比和諧波畸變。根據個人的理解，我認爲信號發生器大致可以分爲兩類：模擬振盪式和數字式。模擬振盪式信號源又可以分爲反饋式和負阻式兩類。對於數字信號發生器來說，按照所用數模轉換器所起的作用來區分又可分爲數模轉換型和—Δ數字調製型，對於—Δ數字調製型來說，按照一位—Δ碼的生成方式，又可分爲ROM型和DSP型。其基本分類情況如圖1所示。

　　三、各類信號發生器的特點

首先要講到的就是模擬振盪式信號發生器，振盪器是一種可自動地將直流通電源的能量轉換爲一定波形的交變振盪能量的裝置。振盪器的種類有很多。從振盪電路中有源器件的特性和形成振盪的原理來看，可把振盪器分爲反饋式振盪器和負阻式振盪器兩類。前者是利用有源器件和選頻電路根據正反饋原理所組成的振盪電路，後者是利用負阻器件的負阻效應來產生振盪的。按照輸出信號又可以分爲正弦波振盪器和非正弦波振盪器。一個非常簡單的電容反饋三端式模擬振盪式信號發生器基本原理如圖2所示，振盪器輸出的正弦波工作頻率近似等於並聯迴路的諧振頻率。

由上圖直觀可知，模擬振盪式信號發生器是最簡單的一種信號發生器。優點是器件數量少，線路簡單，製造成本低，易於調試。缺點是模擬振盪式信號發生器難以獲得很高的輸出信號精度和穩定度。一般只用於一些精度不太高的設備中。

數字式中的數模轉換型信號發生器基本原理是：首先將連續正弦信號抽樣並量化使之成爲數字正弦信號存入ROM或EPROM中，然後通過查表週期地讀出這些數字樣值並送往D/A轉換器轉換，最後經模擬低通濾波平滑後，輸出所需要的模擬正弦信號，其基本工作框圖如圖3所示：

現在在理論上對數模轉換型信號發生器進行精度分析，採用這種數字方式時，設每週正弦信號的等間隔抽樣點數爲N，讀ROM表的時鐘頻率爲Fg，則所產生的正弦信號頻率f=Fg/N，因爲N是確定的值，所以所產生正弦信號的頻率準確度與穩定度完全由讀碼頻率決定，而讀碼頻率可由晶體振盪器通過數字分頻得到，晶體振盪器的輸出精度能達到幾十個PPM，因此數模轉型信號發生器有較高的頻率準確度和穩定度。但是檢驗正弦信號的重要指標除了頻率準確度和穩定度之外，還有信噪比和諧波畸變兩項。數模轉換型號信號發生器的信噪比和諧波畸變主要取決於數模轉換器的位數和精度，由於高位的數模轉換器製造困難，造價較高，使得該類高精度的信號發生器製造成本很高，而且也限制了信號發生器精度的進一步提高。但由於數模轉換型信號發生器不僅是可以內置於測試設備中的，而且這類信號發生器精度還能滿足一部分中等精度要求測試設備的需求。所以數模轉換型信號發生器是使用範圍最廣的一類內置式信號發生器。

在採用ROM方式構成高精度信號發生器時，ROM中存入根據—Δ數字調製器的數學模型計算得到的正弦信號的1位的—Δ數字調製代碼，產生正弦信號時該代碼在時鐘及控制電路的引導下，週期地順序讀出送給1位數模轉換器，1轉換成正矩形脈衝，0轉換成負矩形脈衝。數模轉換器的輸出經模擬低通濾波器進行濾波，濾除其中的高頻噪聲成分，即可輸出高精度的模擬正弦信號。同數模轉換型信號發生器類似，輸出正弦信號頻率f等於是1位—Δ數字調製代碼的時鐘頻率f除以正弦信號每週採樣點數R。因爲採樣點數R是固定的數字，所以輸出正弦信號的頻率精度和穩定度完全由讀碼頻率F決定，而讀碼頻率F可由晶體振盪器通過數字分頻準確地得到，所以這種方法也具有很高的頻率準確度和頻率穩定度。利用過抽樣—Δ數字調製技術生成1位代碼時，它對輸入的多位數字信號進行二次量化，將之轉換成高精度的一位的數字信號。在進行數模轉換時，所以成本也比較低。根據數字—Δ數字調製調製器的噪聲形成理論，正弦信號的信噪比和諧波畸變指標主要由一位—Δ數字調製代碼的質量決定，通過仔細調整數字調製器的數學模型，就可以得到高質量的—Δ數字調製代碼。綜上所述，在採用ROM方式製作信號臺發生器時，較好的解決了正弦信號的'所有四個指標精度問題，而且也比較穩定。當然相對於數模轉換型信號發生器來說製作成本也比較高。

DSP型高精度信號發生器基本原理及其特點：DSP型高精度信號發生器是所有種類信號發生器中功能最齊全、精度最高的一類信號發生器系統。它和上面ROM型信號發生器的區別在於獲得高質量的—Δ數字調製代碼的方法能所不同。在採用ROM方式生成數字正弦信號時，每個週期就按過去抽樣的要求進行取點，直接得到高質量的—Δ數字調製代碼。而採用DSP方式生成數字正弦信號時，是利用DSP硬件技術來實時模擬—Δ數字調製器的響應。可以每週期只取較少的點，然後對這些點進行插值濾波以滿足過抽樣的要求，所以DSP型高精度信號發生器可以實時產生各種不同頻率的正弦 信號。

　　四、參考文獻

《高頻電路原理與分析》 曾興雯 西安電子科技大學出版社

《高頻電子線路》 張肅文 高等教育出版社

《高頻電子線路實驗與課程設計》 楊翠娥 哈爾濱工程大學出版社

《高頻電子線路輔導》 曾興雯 同濟大學出版社

《高頻電子線路》 陽昌漢 哈爾濱工程大學出版社

《高級電子通信系統》 Wayne Tomasi 電子工業出版社

《電子產品設計實例教程》 孫進生 冶金工業出版社

《電子系弦設計》 XX國 高等教育出版社

《現代電子系統的電磁兼容性設計》吳良斌 國防工業出版社

《怎樣選用無線電電子元器件》 魏羣 人民郵電出版社

《基於DSP的現代電子系統設計》 戴逸民 電子工業出版社

《高頻電子線路》 胡宴如 高等教育出版社

《現代電子設計與製作技術》 劉南平 電子工業出版社

《電子系統設計》 何小艇 浙江大學出版社

《電子技術實驗》 王慧玲 機械工業出版社

　　開 題 報 告

　　課題的目的與意義

信號源是許多電子設備特別是測量設備的一部分，用以輸入基準源信號給被測設備，通過接收被測設備返回的信息，來分析研究被檢測設備的情況。隨着科學技術的發展，現代電子測量對信號源頻率的準確度和穩定度的要求也越來越高。例如在無線電通信系統中，蜂窩通信頻段在912MHZ並以30KHZ步進。爲此，信號源頻率穩定度的要求必須優於10-6數量級。作爲電子系統必不可少的信號源，在很大程度上決定了系統的性能，因而常稱之爲電子系統的“心臟”。由此可見信號源的性能對系統是多麼重要。

　　課題發展現狀和前景展望

在工業自動化系統中，經常要用一些信號作爲測量基準信號或輸出信號。例如在許多數據採集和測量系統中需要自身帶有一定精度的信號發生器，爲系統提供標準的測試信號。在產品開發過程中，爲了能對電子產品進行測試和校正，必須使用適當精度的信號發生器，所使用信號發生器的輸出信號精度應高於被檢測系統精度的一個數量級，至少也就高於被檢測系統精度3-4倍。受檢測設備的精度越高，對信號發生器的精度要求也就越高。

傳統的信號源採用振盪器，只能產生少數幾種波形，自動化程度較低，且儀器體積大，靈活性與準確度差。爲了滿足科技發展的需要，人們想了許多方法，開發出各種各樣的高頻信號源，不管是採用哪種方法，其總體方向都是向產生波形的種類多，頻率高，體積少，可靠性高，操作靈活，使用方便及可由計算機控制等方面發展。

　　課題主要內容和要求

本課題的主要任務是研製一個高性能的高頻信號發生器系統，一個基本的信號發生器系統原理框圖由下圖組成。

根據上面的框圖，本課題的重點就是對振盪部分進行設計。設計好後的高頻信號源要滿足以下技術指標要求：

輸出正弦波範圍100HZ—40MHZ；

輸出峯峯值穩定在1±0.1V範圍內；

能實時顯示正弦波電壓峯峯值；

實時頻率步進及顯示；

輸出波形無明顯失真、頻率穩定度高、輸出功率大於20mW；

平均效率可達75%以上。

　　研究方法、步驟和措施

根據實用信號源原理框圖，要設計一個高性能的信號源，振盪部分的設計是關鍵。可以產生週期性信號的振盪電路有很多種，例如：R-C移相振盪器；文氏電橋振盪器；高精度的V-F變換器；利用集成運放產生三角波、 方波信號的振盪器；利用專用集成函數發生器產生方波、三角波、正弦波信號；用頻率合成方法產生可變頻率信號；利用數字直接合成（DDS）的方法得到可變頻率信號等方法。

在本課題的技術指標中，由於對頻率穩定度這一技術指標較高，所以振盪電路不能選用R-C移相振盪器、文氏電橋振盪器和集成運放產生三角波、方波信號的振盪器。要達到高穩定度這項指標就必須具有有以晶振作基準或參考的各種電路。因此論證的重點只能是與頻率合成有關的技術。在本課題設計中，我們決定採用數字直接合成方法產生振盪信號。

根據信號源的原理框圖，我的研究步驟是：

設計好振盪部分電路；

設計頻率預置、步進調節與顯示電路；

設計輸出波形調節電路；

設計輸出電路；

設計輸出幅度指示電路；