晶体稳频超低频移相信号发生器的研制

　　作为测量各种电子元器件和电子仪器设备参数和性能的信号源，信号发生器的品种繁多，按输出波形可分为正弦信号发生器、脉冲信号发生器、函数信号发生器和噪声信号发生器等；按输出频率可分为超低频信号发生器、低频信号发生器、高频信号发生器和超高频信号发生器等。
　　过去，信号发生器的电路基本上是由运算放大器和一些外接阻容元件组成的振荡电路，电路调试困难，工艺结构复杂，且对阻容元件参数的选择要求严格；另外，由于阻容元件的稳定性差，加上频率、相位的调节和换档是通过按钮改变桥路阻值来实现的，所以，其可靠性不高，难于保证输出信号的频率和波形的精确度，因而其应用范围受到一定的限制。
　　现在，随着大规模集成电路技术的发展，可以利用大规模集成电路来实现直接数字波形合成。采用这种技术制成的信号发生器具有电路简单，性能可靠，输出信号的波形和频率值精度和准确度高，且所用阻容元件少，易于调试。
　　目前，利用直接数字波形合成技术制成的信号发生器概括起来有四种形式。
　　第一种是采用微处理器和数模转换器组成的数字式低频信号发生器。这种信号发生器具有价格低，在低频范围内可靠性好，体积小，耗电少，操作方便等特点^[1]。但是，它输出信号的频率(f₀)是由微处理器向数模转换器输出数据的频率(f_s)和信号在一个周期内的采样点数(N)来决定的，因此，其输出频率不能连续可调，控制不便。
　　第二种是信号发生器是利用DSP(Digital Signal Processing)处理器，根据幅值、频率和相位参数，计算产生高精度的信号所需数据表，经数模转换后输出，形成需要的信号波形^[2]。这种信号发生器可实现程控调幅、调频和调相。同第一种信号发生器一样，这种信号发生器亦具有输出频率不能连续可调，控制不便的缺点。
　　第三种是运用单片机、计数器、只读存储器、D/A转换器和滤波器等组成的信号发生器。这种信号发生器输出信号精度高、稳定性好、可靠性高，且功耗低，调频、调相和调幅都很方便^[3]。
　　第四种是利用单片机与精密函数发生器构成的程控信号发生器^[4]。这种信号发生器能够克服常规信号发生器的缺陷，保证在某个信号的频带内正弦波的失真度小于0.5%。它的输出信号频率调整和幅值调整都由单片机完成。但是，由于数模转换器的非线性误差和函数发生器本身的非线性误差，这种信号发生器输出信号的频率与理论值会有一定的偏差。
　　上述4种信号发生器各有其特点，但是，他们都只能产生单路信号，且仅能输出正弦波，因而其使用场合受到一定的限制。为了克服这些不足，本文设计了一种晶体稳频超低频移相信号发生器。采用直接数字波形合成技术，该信号发生器输出信号精度高，稳定性好；不仅可对输出信号实现数控调频、调相和波形选择，而且调节精度高。它可输出两路信号，每路信号可以是正弦波、三角波、锯齿波、方波或其他周期函数信号，两路信号输出的波形可以单独选择，且信号之间可以实现0°～359°的相位差。
1 工作原理
　　直接数字波形合成技术的基本原理是设法将波形在采样点的值依次通过数模转换器(MDAC)转换成模拟量输出。在本文设计的超低频信号发生器中，波形生成的基本原理如图1所示，其基本环节由计数器(Counter)、只读存储器(EPROM)、数模转换器(MDAC)和滤波器组成。

　　下面以正弦波的形成为例来说明数字波形合成的基本原理。
　　将正弦波函数在一个周期内的值按等距采样N点，然后进行离散化函数求值，即有：
　　
　　再将D(i)按一定的比特数(取决于后面所用MDAC的位数)取整，从而得到：
　　D_int(i)＝INT[2^n－1+(2^n－1－1)×D(i)]
　　式中，n——数模转换器MDAC的位数；INT——取整函数。
　　然后把D_int(i)数值依次存入EPROM中。EPROM的地址线接到计数器的输出端，其数据线接到MDAC数据线的输入端。当计数器在计数脉冲的驱动下开始计数时，就会依次选中EPROM的0单元、1单元、……N单元地址，从而将其中数据依次取出送到MDAC的数据线上，经过MDAC转换后，从其输出就能得到相应幅值的模拟信号。当计数器计满N个数时，就得到一个周期的正弦波信号。如果N太小，该正弦波可能会出现阶梯。把此阶梯信号经滤波器滤波后，便可得到平滑的正弦波信号。计数器循环往复不断计数，即可得到连续的正弦波信号。其他周期信号波形的合成可依据同样原理产生。
　　输出信号的频率由下式决定。
　　f_out＝f_CLK/N
　　式中，f_out——输出信号频率；f_CLK——计数脉冲频；N——信号在一个周期内的采样点数。
　　输出信号的幅值V_m由MDAC的参考电压V_ref决定。
　　V_m＝V_ref
　　由于本文中MDAC的输出采用双极性输出，所以，输出信号的峰－峰值为Vref的二倍。
　　由此可见，当周期信号在一个周期内的采样点数确定后，输出信号的频率仅取决于计数频率。因此，选用高性能的晶体振荡器来产生计数脉冲，可保证输出信号达到很高的精度。
2 硬件电路设计
　　在保证信号发生器的稳定性、频率范围、幅值范围等指标的同时，实现对输出信号的频率和相位的数字控制是现代信号发生器的发展方向。本文设计的晶体稳频超低频移相信号发生器的原理框图如图2所示。系统中，由晶体振荡器产生高稳定度的时钟信号，经分频器分频得到所需频率的方波信号BSC(该方波信号的频率值等于信号在一个周期内的采样点数)、再由可预置计数器Ⅰ和锁相环CD4046构成的倍频电路产生高频时钟信号CLK，CLK作为计数器的计数脉冲，计数器输出的计数值作为EPROM 2764的地址，使其中存放的波形采样值不断输出，经MDAC转换后得到所需波形信号。如果选择不同波形输出，只需改变EPROM的高位地址，以获得不同波形采样数据表的起始地址即可。
　　其中，频率的调节是通过改变可预置计数器Ⅰ的计数初值来实现的，两路信号之间的相位差调节是通过改变第二路信号输出电路中的可预置计数器II的计数初值来完成的，而幅值的调整则只要分别改变MDAC I和MDAC II的参考电压就可实现。