15～50MHZ高精度高頻訊號源開題報告範文

　　一、引言

在工業自動化系統中，經常要用一些訊號作為測量基準訊號或輸出訊號。例如在許多資料採集和測量系統中需要自身帶有一定精度的訊號發生器，為系統提供標準的測試訊號。在產品開發過程中，為了能對電子產品進行測試和校正，必須使用適當精度的訊號發生器，所使用訊號發生器的輸出訊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。受檢測裝置的精度越高，對訊號發生器的精度要求也就越高。

隨著科學技術的發展，現代電子測量對訊號源頻率的準確度和穩定度的要求也越來越高。例如在無線電通訊系統中，蜂窩通訊頻段在912MHZ並以30KHZ步進。為此，訊號源頻率穩定度的要求必須優於10-6數量級。作為電子系統必不可少的訊號源，在很大程度上決定了系統的效能，因而常稱之為電子系統的“心臟”。傳統的訊號源採用振盪器，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。而現在要求訊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、訊號發生器的分類

我們衡量或評定一個訊號發生器的精度時，主要是對其中最基本和最重要的部分即正弦訊號進行檢測。檢驗正弦訊號效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，我認為訊號發生器大致可以分為兩類：模擬振盪式和數字式。模擬振盪式訊號源又可以分為反饋式和負阻式兩類。對於數字訊號發生器來說，按照所用數模轉換器所起的作用來區分又可分為數模轉換型和—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，又可分為ROM型和DSP型。其基本分類情況如圖1所示。

　　三、各類訊號發生器的特點

首先要講到的就是模擬振盪式訊號發生器，振盪器是一種可自動地將直流通電源的能量轉換為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，可把振盪器分為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。按照輸出訊號又可以分為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訊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，模擬振盪式訊號發生器是最簡單的一種訊號發生器。優點是器件數量少，線路簡單，製造成本低，易於除錯。缺點是模擬振盪式訊號發生器難以獲得很高的輸出訊號精度和穩定度。一般只用於一些精度不太高的裝置中。

數字式中的數模轉換型訊號發生器基本原理是：首先將連續正弦訊號抽樣並量化使之成為數字正弦訊號存入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訊號，其基本工作框圖如圖3所示：

現在在理論上對數模轉換型訊號發生器進行精度分析，採用這種數字方式時，設每週正弦訊號的等間隔抽樣點數為N，讀ROM表的時鐘頻率為Fg，則所產生的正弦訊號頻率f=Fg/N，因為N是確定的值，所以所產生正弦訊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，因此數模轉型訊號發生器有較高的頻率準確度和穩定度。但是檢驗正弦訊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。數模轉換型號訊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，使得該類高精度的訊號發生器製造成本很高，而且也限制了訊號發生器精度的進一步提高。但由於數模轉換型訊號發生器不僅是可以內置於測試裝置中的，而且這類訊號發生器精度還能滿足一部分中等精度要求測試裝置的需求。所以數模轉換型訊號發生器是使用範圍最廣的一類內建式訊號發生器。

在採用ROM方式構成高精度訊號發生器時，ROM中存入根據—Δ數字調製器的數學模型計算得到的正弦訊號的1位的—Δ數字調製程式碼，產生正弦訊號時該程式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訊號。同數模轉換型訊號發生器類似，輸出正弦訊號頻率f等於是1位—Δ數字調製程式碼的時鐘頻率f除以正弦訊號每週取樣點數R。因為取樣點數R是固定的數字，所以輸出正弦訊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位程式碼時，它對輸入的多位數字訊號進行二次量化，將之轉換成高精度的一位的數字訊號。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，正弦訊號的信噪比和諧波畸變指標主要由一位—Δ數字調製程式碼的質量決定，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數字調製程式碼。綜上所述，在採用ROM方式製作訊號臺發生器時，較好的解決了正弦訊號的'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訊號發生器來說製作成本也比較高。

DSP型高精度訊號發生器基本原理及其特點：DSP型高精度訊號發生器是所有種類訊號發生器中功能最齊全、精度最高的一類訊號發生器系統。它和上面ROM型訊號發生器的區別在於獲得高質量的—Δ數字調製程式碼的方法能所不同。在採用ROM方式生成數字正弦訊號時，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數字調製程式碼。而採用DSP方式生成數字正弦訊號時，是利用DSP硬體技術來實時模擬—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型高精度訊號發生器可以實時產生各種不同頻率的正弦 訊號。

　　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

《高階電子通訊系統》 Wayne Tomasi 電子工業出版社

《電子產品設計例項教程》 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相容性設計》吳良斌 國防工業出版社

《怎樣選用無線電電子元器件》 魏群 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

訊號源是許多電子裝置特別是測量裝置的一部分，用以輸入基準源訊號給被測裝置，通過接收被測裝置返回的資訊，來分析研究被檢測裝置的情況。隨著科學技術的發展，現代電子測量對訊號源頻率的準確度和穩定度的要求也越來越高。例如在無線電通訊系統中，蜂窩通訊頻段在912MHZ並以30KHZ步進。為此，訊號源頻率穩定度的要求必須優於10-6數量級。作為電子系統必不可少的訊號源，在很大程度上決定了系統的效能，因而常稱之為電子系統的“心臟”。由此可見訊號源的效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，經常要用一些訊號作為測量基準訊號或輸出訊號。例如在許多資料採集和測量系統中需要自身帶有一定精度的訊號發生器，為系統提供標準的測試訊號。在產品開發過程中，為了能對電子產品進行測試和校正，必須使用適當精度的訊號發生器，所使用訊號發生器的輸出訊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。受檢測裝置的精度越高，對訊號發生器的精度要求也就越高。

傳統的訊號源採用振盪器，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。為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訊號源，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效能的高頻訊號發生器系統，一個基本的訊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。設計好後的高頻訊號源要滿足以下技術指標要求：

輸出正弦波範圍100HZ—40MHZ；

輸出峰峰值穩定在1±0.1V範圍內；

能實時顯示正弦波電壓峰峰值；

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

根據實用訊號源原理框圖，要設計一個高效能的訊號源，振盪部分的設計是關鍵。可以產生週期性訊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；利用整合運放產生三角波、 方波訊號的振盪器；利用專用整合函式發生器產生方波、三角波、正弦波訊號；用頻率合成方法產生可變頻率訊號；利用數字直接合成（DDS）的方法得到可變頻率訊號等方法。

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、文氏電橋振盪器和整合運放產生三角波、方波訊號的振盪器。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訊號。

根據訊號源的原理框圖，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；