基于FPGA的任意信号發生器

随着科學技術的日新月異的發展，各種各樣的電子産品也正在逐漸向着高精尖技術方向發展。電子技術廣泛的應用于工業、農業、交通運輸、航空航天、國防建設等國民經濟的諸多領域中，數字電子技術已經滲透到了人們生活的各個層面，信号發生器是一種常用的信号源，廣泛應用于電子電路、自動控制和科學試驗等領域。它是一種為電子測量和計量工作提供符合嚴格技術要求的電信号裝置。是以，信号發生器和示波器、電壓表、頻率計等儀器一樣是最普通、最基本的，也是應用最廣泛的電子儀器之一，幾乎所有的電參量的測量都需要用到信号發生器。

1. 1信号發生器的發展

信号發生器是一種曆史最為悠久的測量儀器。早在二十年代，當電子裝置剛開始出現時，它就出現了。随着通信和雷達技術的發展，四十年代出現了主要用于測試各種接收機的标準信号發生器，使信号發生器從定性分析的測試儀器成為定量分析的測量儀器。同時還出現了可用來測試脈沖電路或用作脈沖調制器的脈沖信号發生器。由于早期的信号發生器機械結構比較複雜，功率比較大，電路比較簡單(與數字儀器、示波器等相比)，是以發展速度較慢。直到1964年才出現了第一台全半導體的信号發生器。

自六十年代以來，信号發生器有了迅速的發展，出現了函數發生器、掃頻信号發生器、合成信号發生器、程控信号發生器，等新種類。各類信号發生器的主要性能名額也都有了大幅度的提高，同時在簡化機械結構、小型化、多功能等各方面也有了顯著的進展。

1.2 信号發生器分類

信号發生器的應用非常廣泛，種類也相當繁多。首先，信号發生器可以分為

通用和專用兩大類。專用信号發生器主要是為了某種特殊的測量目的而研制的。如電視信号發生器、編碼脈沖信号發生器等。這種發生器的特性是受測量對象的要求所制約的。其次，信号發生器按輸出波形又可分為正弦波形發生器、脈沖信号發生器、函數發生器和任意波形發生器等。再次，按其産生頻率的方法又可分為諧振法和合成法兩種。一般傳統的信号發生器都采用諧振法，即用具有頻率選擇性的回路來産生正弦振蕩，獲得所需頻率。但也可以通過頻率合成技術來獲得所需的頻率利用頻率合成技術制成的信号發生器。

所謂頻率合成技術就是指從一個高穩定和準确的參考頻率源，經過技術處理，生成大量離散的頻率輸出。技術處理方法可以是傳統的用硬體實作頻率的加、減、乘、除基本運算，可以是鎖相環技術，也可以是各種數字技術和計算技術。參考頻率可由高穩定的參考振蕩器(一般為晶體振蕩器)産生，所生成的一系列離散頻率輸出與參考振蕩器頻率有嚴格的比例關系，并且具有同樣的準确度和穩定度。基于頻率合成原理制成的信号發生器，由于可以獲得很高的頻率穩定度和精确度，是以發展非常迅速。尤其是最近随着現代電子技術的發展，其應用更是有了質的飛躍。

1.3 頻率合成技術

頻率合成技術在本世紀30年代開始提出，它的發展己經有70年的曆史。在這70年的曆史中，大緻可以分成三個發展階段:直接式頻率合成技術，鎖相環頻率合成技術以及直接數字頻率合成技術。

所謂直接頻率合成技術就是用倍頻、分頻和混頻電路對一個或幾個基準頻率進行加、減、乘和除的運算，進而産生所需要的頻率信号，并通過窄帶濾波器選出。這是最先出現的一種合成器類型的頻率信号源。這種頻率合成器原理簡單，易于實作。其合成方法大緻可分為兩種基本類型:一種是所謂非相關合成方法，另一種是所謂相關合成方法。這兩種合成方法的主要差別在于所使用的參考頻率源的數目不同。

非相關合成方法使用多個晶體參考頻率源，所需的各種頻率分别由這些參考源提供。它的缺點在于制作具有相同頻率穩定性和精度的多個晶體參考頻率源既複雜又困難，而且成本很高。相關合成方法隻使用一個晶體參考頻率源，所需的各種頻率都由它經過分頻、混頻和倍頻後得到的，因而合成器輸出頻率的穩定性和精度與參考源一樣，現在絕大多數直接頻率合成技術都使用這種合成方法。

直接頻率合成器的頻率範圍寬，頻率轉換較快，可以達到微秒級，頻率間隔較小(Hz)，工作穩定可靠;但是寄生輸出大，需要大量的模拟元件，結構複雜，體積大，成本高。

直接頻率合成技術所固有的缺點，在鎖相環(Phase一LockedLooPs)頻率合成技術中得到了很大的改善。鎖相環頻率合成技術(簡稱PLL)是在40年代初根據控制理論的線性伺服環路發展起來的，最早用于電視機的掃描同步電路，以減少噪聲對同步的影響，進而使電視的同步性能得到重大改進。同時，它的低噪聲跟蹤特性也得到人們的高度重視，發展越來越快，以緻于今天被廣泛的應用于無線電技術領域的各個方面。

鎖相頻率環合成技術也叫間接式頻率合成，這種合成方法所使用的電路較直接式頻率合成簡單。它主要是将含有噪聲的振蕩器放在鎖相環路内，它的相位鎖定在希望的信号上，進而使振蕩器本身的噪聲被抑制，使它的輸出頻譜大大提純。

鎖相環頻率合成技術的原理框圖如圖1一1所示。其主要由四部分構成，晶體參考頻率源提供基準頻率fs，壓控振蕩器的輸出頻率fo經分頻器分頻後，送入鑒相器，與基準頻率進行相位比較，進而産生誤差信号，并以此誤差信号來調整壓控振蕩器的輸出。其中環路濾波器起着平滑鑒相器輸出電壓的作用，它能濾掉高頻部分和噪聲，進而增加系統的穩定性。

圖1一1鎖相環頻率合成技術的原理框圖

鎖相環頻率合成技術提供了一種從單個參考頻率獲得大量穩定而準确的輸出頻率的方法，并且頻率輸出範圍寬，電路結構簡單，成本低。但是，鎖相環頻率合成技術也有它的問題，例如響應慢就是它的固有缺點。由于它是采取閉環控制的，系統的輸出頻率改變後，重新達到穩定的時間也就比較長。是以鎖相環頻率合成器要想同時得到較高的頻率分辨率和轉換率非常困難。鎖相環的頻率轉換時間一般為毫秒級，同時頻率間隔也不可能做得很小。

1.4 DDS技術