信号发生器的应用与设计方案综述【文献综述】

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1、毕业论文文献综述电子信息工程信号发生器的应用与设计方案综述摘要：文章首先简单介绍了信号发生器的应用背景与分类，然后对基于CPLD的信号发生器，多波形信号发生器和基于FPGA的三相函数信号发生器三种应用方案分别介绍了其设计原理，实现框图，并对各种方案的优缺点进行列阐述，然后进行综合评价，供读者们参考。关键词：信号发生器；CPLD；DDS；DSP；单片机1.引言当今社会，信号发生器是电子领域中的最基本、最普通、最广泛的仪器之一，是工科类电子工程师们进行信号仿真实验的最佳的工具。信号发生器是指能产生测试信号的仪器，它又称为信号源或者振荡器，用于产生被测电路所需特定参数的电测试信号[1

2、]。因为它的基本性和通用性，在生产实践和科技领域尤其是在电子系统设计，自动控制等领域都能得到广泛的应用。文章对信号发生器的应用举例和设计进行综合阐述。2信号发生器方案概述2.1基于CPLD的信号发生器基于CPLD的信号发生器利用了一种频率合成原理：直接数字频率合成（DirectDigitalFrequencySynthesize）技术[2]，简称（DDS）。这个技术是从相位概念出发而直接合成所需的波形。DDS的理论基础则是数字信号处理当中的奈奎斯特抽样定理。这个定理规定：对于一个周期的正弦波的连续信号，可以沿相位轴方向，以相等量的相位间隔对它进行幅度抽样，从而得到了一个周期性的

3、正弦信号的离散相位的幅度序列,对模拟幅度进行量化，量化后的幅值则是采用了相应的二进制数据编码[3]。DDS具体的原理框架图2-1-1如下所示。图2-1-1DDS基本原理框架图在实现DDS的过程中，有一个关键的地方，那就是有一个相位累加器。相位累加器是由一个有固定时钟脉冲取样的N为相位累加器和一个N位字长的二进制加法器组成。它的结构示意图2-1-2所表示：图2-1-2相位累加器结构示意图输出波形频率f0和频率分辨率fm的计算：M为相位累加器的增量，K为频率控制字，N为相位累加器位数。（2-1-1）（2-1-2）我们在计算中可以发现，DDS的输出信号频率和频率控制字K有关系，DDS

4、的频率分辨率和相位累加器字长N有关系。当K逐渐变大时，f0的最高输出频率小于等于fc工作输出频率40%的时候，输出波形的相位的抖动就变得很大了。经过多次的实验，得出这样的结论：在实际工作的时候，输出频率应该小于fc的1/3，而且当N增大的时候，DDS输出频率分辨率也变得精细了。2.2多波形信号发生器我们传统的波形发生器是以模拟分立元件实现，但是产生的波形种类要受到电路硬件的限制，体积庞大，灵活性差，稳定性也相对较差。但是采用FPGA器件的话就可以直接实现多种波形信号发生器，这种波形发生器具有设计简单，频率稳定性高，稳定的输出波形，现场可编程等优点，在现代电子设计中，常常采用FP

5、GA器件来实现多种波形信号发生器。采用Matlab/DSPBuilder建立模型来实现多种波形信号发生器，设计简单，不需要编程，能根据需要设计出对应的多波形信号发生器[4-7]。多波形信号发生器数学模型图所示：图2-2-1多波信号器数学模型在Simulink中进行的仿真是对MDL文件进行仿真，而不是对生成的VHDL代码[8]进行过仿真。而且生成VHDL描述的是RTL级的，是针对具体的硬件结构的，Matlab的Simulink中的模型仿真是算法级的，这两种在软件理解上存在差异。转换后的VHDL代码的实现与MDL模型描述的情况有可能不全部相符。这时候就需要对生成的RTL级VHDL代

6、码进行功能仿真。利用ModelSim对多波信号发生器进行RTL级进行仿真，以验证多波信号发生器设计的正确性，其仿真图4所示：用ModelSim进行RTL级的VHDL仿真，其模型图所示：图2-2-2ModelSim进行RTL级的仿真波形多波形信号发生器的顶层设计及仿真结果：图2-2-3多波形信号发生器的顶层原理图仿真结果：图2-2-4QuartusII的仿真结果由此仿真结果证明该设计能够实现多种波形信号的功能。2.3基于FPGA的三相函数信号发生器基于FPGA的三相函数信号发生器是基于DDS原理，频率控制字M和相位控制字P来分别控制DDS的输出波形频率和相位[9][10]。在整个

7、波形中相位累加器是最核心的，它又一个N位的相位寄存器和一个累加器组成的。每来一个时钟脉冲时，相位寄存器就以步长M增加，如图2-3-1所示。图2-3-1波形产生框图相位寄存器每次经过2N/M个fc时钟周期后回到初始状态，相应的波形经过一个循环回到初始位置，DDS则输出一个波形。那么输出的周期T=(2N/M)Tc，它的频率则是：系统的具体框图如图所示：图2-3-2系统框图如图2-3-2所示，系统是由单片机[11]控制模块，数模转换模块，滤波输出模块，FPGA波形产生模块，触摸屏输入和液晶显示模块