信号产生器的设计

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1、第12章信号产生器的设计目标通过本章的学习，应掌握以下知识●常用信号产生器的分类●直接数字合成（DirectDigitalSynthesis，DDS）产生信号的工作原理●实现电路功能的可能方案●实现数字系统的常用方法●微控制器内部C语言程序执行时间的不确定性●利用定时器中断保证完成一个程序段的时间固定不变●MSP430系列微控制器开发软件所提供函数的使用●数字/模拟转换器输出由阶梯组成的近似信号波形●使用低通滤波器改善信号波形引言电子技术研究信号的产生、传输以及处理。信号处理系统最主要的一种类型为线性时不变系统，即使是非线性系统，也常常等效为线性系统，例如在三极管放大器分析时就是这样

2、处理的。线性时不变系统满足叠加定理。这样对于一个任意信号，通过傅里叶变换能够将其分解成一系列正弦信号。完成每个正弦信号分量的分析，再把这些分析结果叠加在一起就能过获得要求信号的分析结果。上述过程说明了在模拟电子线路中为什么采用正弦信号作为标准信号进行电路分析。正弦信号的数学表达式如下33u（t）=Umcos(2πft+φ0)表达式中包括3个参量，幅度Um、频率f和初相位φ0。《电子技术基础》课程讨论的各种型式放大器用来处理正弦信号的幅度；《高频电子线路》课程涉及正弦信号产生的各种类型振荡器。正弦信号振荡器，即正弦信号产生器，的关键技术指标为，所产生信号频率的稳定度、精度以及可调整性。

3、对于高质量的正弦信号产生器还包括频谱纯度。正弦信号通过比较器可以转换为方波信号。方波信号的频率与正弦信号相同，占空比可以通过改变比较电平实现调整。12.1设计要求本章给出的设计要求来源于2003年全国大学生电子设计竞赛试题——低频数字式相位测量仪（C题）。设计任务要求设计并制作一个低频相位测量系统，系统中包括相位测量仪、数字式移相信号发生器和一个模拟移相电路。■基本要求□设计并制作一个相位测量仪频率范围：20Hz～20kHz；相位测量仪的输入阻抗≥100kΩ；允许2路输入正弦信号峰-峰值可分别在1V～5V范围内变化；相位测量绝对误差≤2º；具有频率测量及数字显示功能；相位测量结果采用

4、数字显示：相位读数范围为0º～359.9º，分辨率为0.1º。□制作一个模拟电路型式的移相电路，用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号。可以使用试题提供的参考电路，也可以自行设计。■扩展要求□设计并制作一个数字式移相信号发生器，用以产生相位测量仪所需的输入正弦信号频率范围：20Hz～20kHz，频率步进为20Hz，输出频率可预置；输出的2路正弦信号峰-峰值可分别在0.3V～5V范围内变化；33输出的2路正弦信号之间的相位差范围为0º～359º，相位差步进为1º，相位差可预置；数字显示。□在保持相位测量仪测量误差和频率范围不变的条件下，扩展相位测量仪输入正弦信号峰-峰值至0.3V～5V范

5、围。□用数字式移相信号发生器校验相位测量仪，自选几个频点、相位差值和幅度进行自行校验。与“数字信号频率测量电路的设计”一样，使用MSP430微控制器芯片也并不能完全实现上面给出的全部竞赛要求，因为一些要求还需要模拟电路器件的支持。作为一本介绍微控制器使用的书籍，这里将不涉及竞赛试题中模拟电路部分的设计。测量2路信号之间的相位差要求这两路信号具有相同、且维持不变的频率，否则这2路信号之间的相位差将处于不断地变化之中。采用数字方法测量2路正弦信号之间的相位差需要首先利用模拟比较器芯片将正弦信号转换为数字信号。2路模拟比较器的比较电压建议选择在0V，因为正弦信号过0时具有最大的变化率，这样

6、将能够更好地保持正弦信号之间的相位差信息。接着就可以使用数字的方法测量2路数字信号之间的延迟时间，测量信号的周期，最终通过延迟时间除周期再乘360就能够获得相位差。1路信号周期测量和2路信号之间的延迟差测量的测量方法非常类似。前者可以通过检测到同一个信号的前沿到来启动计数器对系统时钟的计数过程，接着的前沿到来停止计数器的计数过程，这样计数器中的计数值就包含信号的周期信息。后者需要通过2个管脚分别将2路信号接入微控制器，通过检测到第1路数字信号的前沿来启动计数器对系统时钟的计数过程，接着监测第2路数字信号，当检测到第2路数字信号的前沿到来将停止计数器的计数过程，现在计数器中的计数值就包

7、含2路信号之间的延迟差信息。鉴于相位测量与周期测量，包括脉冲宽度测量，的方法类似，这里对这部分内容不再介绍。这里需要强调的是要对基础的理论和方法，例如这里涉及的频率/周期测量理论和方法，给予足够的重视，这样就能够举一反三，更快地提高设计能力。本章只考虑扩展要求中数字式移相信号发生器部分的设计。设计一个具有2路正弦信号输出功能的信号产生器。2路正弦信号频率相同、且可调；2路正弦信号之间的相位差可调；使用数字方式显示信号的频率和相位差。输出信号幅度调整需要放大