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15～50MHZ高精度高频信号源开题报告(一)-自动化毕

2013-08-20 01:05

文 献 综 述
 一、引言
 在工业自动化系统中，经常要用一些信号作为测量基准信号或输出信号。例如在许多数据采集和测量系统中需要自身带有一定精度的信号发生器，为系统提供标准的测试信号。在产品开发过程中，为了能对电子产品进行测试和校正，必须使用适当精度的信号发生器，所使用信号发生器的输出信号精度应高于被检测系统精度的一个数量级，至少也就高于被检测系统精度3-4倍。受检测设备的精度越高，对信号发生器的精度要求也就越高。
 随着科学技术的发展，现代电子测量对信号源频率的准确度和稳定度的要求也越来越高。例如在无线电通信系统中，蜂窝通信频段在912MHZ并以30KHZ步进。为此，信号源频率稳定度的要求必须优于10-6数量级。作为电子系统必不可少的信号源，在很大程度上决定了系统的性能，因而常称之为电子系统的“心脏”。传统的信号源采用振荡器，只能产生少数几种波形，自动化程度较低，且仪器体积大，灵活性与准确度差。而现在要求信号源能产生波形的种类多，频率高，而且还要体积少，频率稳定，还要可靠性高，操作灵活，使用方便以及可由计算机控制。
 二、信号发生器的分类
     我们衡量或评定一个信号发生器的精度时，主要是对其中最基本和最重要的部分即正弦信号进行检测。检验正弦信号性能的重要指标是频率准备度和频率稳定度、信噪比和谐波畸变。根据个人的理解，我认为信号发生器大致可以分为两类：模拟振荡式和数字式。模拟振荡式信号源又可以分为反馈式和负阻式两类。对于数字信号发生器来说，按照所用数模转换器所起的作用来区分又可分为数模转换型和Σ—Δ数字调制型，对于Σ—Δ数字调制型来说，按照一位Σ—Δ码的生成方式，又可分为ROM型和DSP型。其基本分类情况如图1所示。

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 三、各类信号发生器的特点
首先要讲到的就是模拟振荡式信号发生器，振荡器是一种可自动地将直流通电源的能量转换为一定波形的交变振荡能量的装置。振荡器的种类有很多。从振荡电路中有源器件的特性和形成振荡的原理来看，可把振荡器分为反馈式振荡器和负阻式振荡器两类。前者是利用有源器件和选频电路根据正反馈原理所组成的振荡电路，后者是利用负阻器件的负阻效应来产生振荡的。按照输出信号又可以分为正弦波振荡器和非正弦波振荡器。一个非常简单的电容反馈三端式模拟振荡式信号发生器基本原理如图2所示，振荡器输出的正弦波工作频率近似等于并联回路的谐振频率。
由上图直观可知，模拟振荡式信号发生器是最简单的一种信号发生器。优点是器件数量少，线路简单，制造成本低，易于调试。缺点是模拟振荡式信号发生器难以获得很高的输出信号精度和稳定度。一般只用于一些精度不太高的设备中。
 数字式中的数模转换型信号发生器基本原理是：首先将连续正弦信号抽样并量化使之成为数字正弦信号存入ROM或EPROM中，然后通过查表周期地读出这些数字样值并送往D/A转换器转换，最后经模拟低通滤波平滑后，输出所需要的模拟正弦信号，其基本工作框图如图3所示：

现在在理论上对数模转换型信号发生器进行精度分析，采用这种数字方式时，设每周正弦信号的等间隔抽样点数为N，读ROM表的时钟频率为Fg，则所产生的正弦信号频率f=Fg/N，因为N是确定的值，所以所产生正弦信号的频率准确度与稳定度完全由读码频率决定，而读码频率可由晶体振荡器通过数字分频得到，晶体振荡器的输出精度能达到几十个PPM，因此数模转型信号发生器有较高的频率准确度和稳定度。但是检验正弦信号的重要指标除了频率准确度和稳定度之外，还有信噪比和谐波畸变两项。数模转换型号信号发生器的信噪比和谐波畸变主要取决于数模转换器的位数和精度，由于高位的数模转换器制造困难，造价较高，使得该类高精度的信号发生器制造成本很高，而且也限制了信号发生器精度的进一步提高。但由于数模转换型信号发生器不仅是可以内置于测试设备中的，而且这类信号发生器精度还能满足一部分中等精度要求测试设备的需求。所以数模转换型信号发生器是使用范围最广的一类内置式信号发生器。

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在采用ROM方式构成高精度信号发生器时，ROM中存入根据Σ—Δ数字调制器的数学模型计算得到的正弦信号的1位的Σ—Δ数字调制代码，产生正弦信号时该代码在时钟及控制电路的引导下，周期地顺序读出送给1位数模转换器，1转换成正矩形脉冲，0转换成负矩形脉冲。数模转换器的输出经模拟低通滤波器进行滤波，滤除其中的高频噪声成分，即可输出高精度的模拟正弦信号。同数模转换型信号发生器类似，输出正弦信号频率f等于是1位Σ—Δ数字调制代码的时钟频率f除以正弦信号每周采样点数R。因为采样点数R是固定的数字，所以输出正弦信号的频率精度和稳定度完全由读码频率F决定，而读码频率F可由晶体振荡器通过数字分频准确地得到，所以这种方法也具有很高的频率准确度和频率稳定度。利用过抽样Σ—Δ数字调制技术生成1位代码时，它对输入的多位数字信号进行二次量化，将之转换成高精度的一位的数字信号。在进行数模转换时，所以成本也比较低。根据数字Σ—Δ数字调制调制器的噪声形成理论，正弦信号的信噪比和谐波畸变指标主要由一位Σ—Δ数字调制代码的质量决定，通过仔细调整数字调制器的数学模型，就可以得到高质量的Σ—Δ数字调制代码。综上所述，在采用ROM方式制作信号台发生器时，较好的解决了正弦信号的所有四个指标精度问题，而且也比较稳定。当然相对于数模转换型信号发生器来说制作成本也比较高。
DSP型高精度信号发生器基本原理及其特点：DSP型高精度信号发生器是所有种类信号发生器中功能最齐全、精度最高的一类信号发生器系统。它和上面ROM型信号发生器的区别在于获得高质量的Σ—Δ数字调制代码的方法能所不同。在采用ROM方式生成数字正弦信号时，每个周期就按过去抽样的要求进行取点，直接得到高质量的Σ—Δ数字调制代码。而采用DSP方式生成数字正弦信号时，是利用DSP硬件技术来实时模拟Σ—Δ数字调制器的响应。可以每周期只取较少的点，然后对这些点进行插值滤波以满足过抽样的要求，所以DSP型高精度信号发生器可以实时产生各种不同频率的正弦