归纳信号发生器调研报告

　 毕业设计（论文）调研报告

　 学生姓名

　汤代月 专业班级

　通信工程 2 2012 级 级 1 1 班

　 所在院系

　电气工程系

　指导教师

　鞠艳杰

　职称

　讲师

　所在单位

　电子电路教研室

　完成日期

　2015 年

　3 月

　13 日

　最新教学课件 调研报告

　 信号发生器是现代电子技术发展的重要成果，又称信号源或振荡器，各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形，如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途，也是应用最广泛的电子仪器之一。信号发生器是能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。在测量各种电信系统或电信设备的振幅特性、频率特性、传输特性及其它电参数时，以及测量元器件的特性与参数时，用作测试的信号源或激励源。

　信号发生器在测试、研究或调整电子电路及设备时，为测定电路的一些电参量，如测量频率响应、噪声系数，为电压表定度等，都要求提供符合所定技术条件的电信号，以模拟在实际工作中使用的待测设备的激励信号。当要求进行系统的稳态特性测量时，需使用振幅、频率已知的正弦信号源。当测试系统的瞬态特性时，又需使用前沿时间、脉冲宽度和重复周期已知的矩形脉冲源。并且要求信号源输出信号的参数，如频率、波形、输出电压或功率等，能在一定范围内进行精确调整，有很好的稳定性。有输出指示信号源可以根据输出波形的不同，划分为正弦波信号发生器、矩形脉冲信号发生器、函数信号发生器和随机信号发生器等四大类。

　一． 课题的来源及意义

　近年来由于电子器件的发展以及数字化微处理器技术的发展，信号发生器有了迅速的发展，出现了合成信号发生器、程控信号发生器等新种类。各类信号发生器的性能指标也都有了大幅度提高，据调查得知，在低价格、高时钟频率、高性能的新一代 DDS 问世后，以后信号发生器的发展不可估量！信号发生器应用己经遍及国民经济的各个领域，深入了人们的日常生活。增加课题应用技术的论述，所以我选择利用 FPGA 实现信号发生器的设计

　最新教学课件 我作为新时代大学生中的一员，在学习了通信工程专业知识后，又加入了 WNC企业中实习。实物接触应用机会多了，对信号发生器了解日渐加深，我想把理论知识转变为实际运用——完成信号发生器的设计与实现。在实际操作中找到自己不足，学习更全面的知识应用。自六十年代以来，信号发生器迅速的发展，种类繁多，可分为：

　1、正弦信号发生器：正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按频率覆盖范围分为低频信号发生器、高频信号发生器和微波信号发生器;按输出电平可调节范围和稳定度分为简易信号发生器(即信号源)、标准信号发生器(输出功率能准确地衰减到-100 分贝毫瓦以下)和功率信号发生器(输出功率达数十毫瓦以上);按频率改变的方式分为调谐式信号发生器、扫频式信号发生器、程控式信号发生器和频率合成式信号发生器等。

　2、低频信号发生器：包括音频(200~20000 赫)和视频(1 赫~10 兆赫)范围的正弦波发生器。主振级一般用 RC 式振荡器，也可用差频振荡器。为便于测试系统的频率特性，要求输出幅频特性平和波形失真小。

　3、高频信号发生器：频率为 100 千赫~30 兆赫的高频、30~300 兆赫的甚高频信号发生器。一般采用 LC 调谐式振荡器，频率可由调谐电容器的度盘刻度读出。主要用途是测量各种接收机的技术指标。输出信号可用内部或外加的低频正弦信号调幅或调频，使输出载频电压能够衰减到 1 微伏以下。(图 1)的输出信号电平能准确读数，所加的调幅度或频偏也能用电表读出。此外，仪器还有防止信号泄漏的良好屏蔽。

　4、微波信号发生器：从分米波直到毫米波波段的信号发生器。信号通常由带分布参数谐振腔的超高频三极管和反射速调管产生，但有逐渐被微波晶体管、场效应管和耿氏二极管等固体器件取代的趋势。仪器一般靠机械调谐腔体来改变频率，每台可覆盖一个倍频程左右，由腔体耦合出的信号功率一般可达 10 毫瓦以上。简易信号源只要求能加 1000 赫方波调幅，而标准信号发生器则能将输出基

　最新教学课件 准电平调节到 1 毫瓦，再从后随衰减器读出信号电平的分贝毫瓦值;还必须有内部或外加矩形脉冲调幅，以便测试雷达等接收机。

　5、扫频和程控信号发生器：扫频信号发生器能够产生幅度恒定、频率在限定范围内作线性变化的信号。在高频和甚高频段用低频扫描电压或电流控制振荡回路元件(如变容管或磁芯线圈)来实现扫频振荡;在微波段早期采用电压调谐扫频，用改变返波管螺旋线电极的直流电压来改变振荡频率，后来广泛采用磁调谐扫频，以 YIG 铁氧体小球作微波固体振荡器的调谐回路，用扫描电流控制直流磁场改变小球的谐振频率。扫频信号发生器有自动扫频、手控、程控和远控等工作方式。

　6、频率合成式信号发生器:这种发生器的信号不是由振荡器直接产生，而是以高稳定度石英振荡器作为标准频率源，利用频率合成技术形成所需之任意频率的信号，具有与标准频率源相同的频率准确度和稳定度。输出信号频率通常可按十进位数字选择，最高能达 11 位数字的极高分辨力。频率除用手动选择外还可程控和远控，也可进行步级式扫频，适用于自动测试系统。直接式频率合成器由晶体振荡、加法、乘法、滤波和放大等电路组成，变换频率迅速但电路复杂，最高输出频率只能达 1000 兆赫左右。用得较多的间接式频率合成器是利用标准频率源通过锁相环控制电调谐振荡器(在环路中同时能实现倍频、分频和混频)，使之产生并输出各种所需频率的信号。这种合成器的最高频率可达 26.5 吉赫。高稳定度和高分辨力的频率合成器，配上多种调制功能(调幅、调频和调相)，加上放大、稳幅和衰减等电路，便构成一种新型的高性能、可程控的合成式信号发生器，还可作为锁相式扫频发生器。

　7、函数发生器：又称波形发生器。它能产生某些特定的周期性时间函数波形(主要是正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等)信号。频率范围可从几毫赫甚至几微赫的超低频直到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。图 2 为产生上述波形的方法之一，将积分电路与某种带有回滞特性的阈值开关电路(如施米特触发器)相连成环路，积分器能将方波

　最新教学课件 积分成三角波。施米特电路又能使三角波上升到某一阈值或下降到另一阈值时发生跃变而形成方波，频率除能随积分器中的 RC 值的变化而改变外，还能用外加电压控制两个阈值而改变。将三角波另行加到由很多不同偏置二极管组成的整形网络，形成许多不同斜度的折线段，便可形成正弦波。另一种构成方式是用频率合成器产生正弦波，再对它多次放大、削波而形成方波，再将方波积分成三角波和正、负斜率的锯齿波等。对这些函数发生器的频率都可电控、程控、锁定和扫频，仪器除工作于连续波状态外，还能按键控、门控或触发等方式工作。

　8、脉冲信号发生器：产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。脉冲发生器主要由主控振荡器、延时级、脉冲形成级、输出级和衰减器等组成。主控振荡器通常为多谐振荡器之类的电路，除能自激振荡外，主要按触发方式工作。通常在外加触发信号之后首先输出一个前置触发脉冲，以便提前触发示波器等观测仪器，然后再经过一段可调节的延迟时间才输出主信号脉冲，其宽度可以调节。有的能输出成对的主脉冲，有的能分两路分别输出不同延迟的主脉冲。

　9、随机信号发生器：随机信号发生器分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。

　10、噪声信号发生器：完全随机性信号是在工作频带内具有均匀频谱的白噪声。常用的白噪声发生器主要有:工作于 1000 兆赫以下同轴线系统的饱和二极管式白噪声发生器;用于微波波导系统的气体放电管式白噪声发生器;利用晶体二极管反向电流中噪声的固态噪声源(可工作在 18 吉赫以下整个频段内)等。噪声发生器输出的强度必须已知，通常用其输出噪声功率超过电阻热噪声的分贝数(称为超噪比)或用其噪声温度来表示。噪声信号发生器主要用途是:①在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统的性能;②外加一个已知噪声信号与系统内部噪声相比较以测定噪声系数;③用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测试系统的动态特性。例如，用白噪声作为输入信号而测出网络

　最新教学课件 的输出信号与输入信号的互相关函数，便可得到这一网络的冲激响应函数。

　11、伪随机信号发生器：用白噪声信号进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，则会出现统计性误差，这可用伪随机信号来解决。当二进制编码信号的脉冲宽度墹 T 足够小，且一个码周期所含墹 T 数 N 很大时，则在低于 fb=1/墹 T 的频带内信号频谱的幅度均匀，称为伪随机信号。只要所取的测量时间等于这种编码信号周期的整数倍，便不会引入统计性误差。二进码信号还能提供相关测量中所需的时间延迟。伪随机编码信号发生器由带有反馈环路的 n 级移位寄存器组成，所产生的码长为 N=2-1。

　二． 国内外发展状况

　1、发展史：单片微型计算机简称信号发生器，是指集成在一块芯片上的计算机，信号发生器的产生与发展和微处理器的产生与发展大体同步自 1971 年美国Intel 公司首先推出 4 位微处理器以来它的发展到目前为止大致可分为 5 个阶段：

　 第 1 阶段（1971～1976）：信号发生器发展的初级阶段。发展了各种 4 位信号发生器。

　第 2 阶段（1976～1980）：初级 8 位机阶段。以 1976 年 Intel 公司推出的 MCS—48 系列为代表，采用将 8 位 CPU、8 位并行 I/O 接口、8 位定时/计数器、RAM 和ROM 等集成于一块半导体芯片上的单片结构，功能上可满足一般工业控制和智能化仪器、仪表等的需要。

　第 3 阶段（1980～1983）：高性能信号发生器阶段。这一阶段推出的高性 8 位信号发生器普遍带有串行口，有多级中断处理系统，多个 16 位定时器/计数器。片内 RAM、ROM 的容量加大且寻址范围可达 64KB。

　最新教学课件 第 4 阶段（1983～80 年代末）：16 位信号发生器阶段。1983 年 Inte 公司又推出了高性能的 16 位信号发生器 MCS—96 系列，网络通信能力有显著提高。

　第 5 阶段（90 年代）：信号发生器在集成度、功能、速度、可靠性、应用领域等全方位向更高水平发展。

　2、现状：目前，信号发生器正朝着高性能和多品种方向发展，尤其是八位信号发生器已成为当前信号发生器中的主流。信号发生器的发展具体体现在如下四个方面：

　(1) CPU 功能增强：CPU 功能增强主要表现在运算速度和精度的提高方面。为了提高运算速度和精度，信号发生器通常采用布尔处理机和把 CPU 的字长增加到16 位或 32 位。例如 MCS—96/98 和 HPCI6040 等信号发生器。

　(2) 内部资源增多：ROM 容量已达 32KB，RAM 数量已达 1KB，并具有掉电保护功能，常用 I/O 电路有串行和并行 I/O 接口，A/D 和 D/A 转换器，定时器/计数器，定时输出和信号捕捉输入，系统故障监测和 DMA?通道电路等。

　(3) 引脚的多功能化：随着芯片内部功能的增强和资源的丰富，信号发生器所需的引脚数也会相应增加，这是不可避免的。例如：一个能寻址 1MB 存储空间的信号发生器需要 20 条地址线和 8 条数据线。太多的引脚不仅会增加制造时的困难，而且也会使芯片的集成度大为减小。为了减少引脚数量，提高应用灵活性，信号发生器中普遍采用一脚多用的设计方案。

　(4) 低电压和低功耗：在许多应用场合，信号发生器不仅要有很小的体积，而且还需要较低的工作电压和极小的功耗。因此，信号发生器普遍采用 CHMOS 工艺，并增加空闲和掉电两种工作方式。

　三 ． 研究内容

　最新教学课件 本课题要求对信号发生器采用编程语言进行设计实现，并用仿真软件进行验证。可以综合运用前序课程《电力电子技术》、 《电子设计自动化(EDA) 》、 《通信原理 》等课程中的相关内容，结合图书馆资源完成对整个控制结构的设计，以采用编程语对信号发生器进行设计实现并仿真验证，具有一定的实际意义。

　学习相关资料，在掌握工作原理的基础上，运用 Verilog 数字设计和 EDA 知识，完成设计与实现。

　四．研究方法及手段

　 第一，通过查阅资料、自我学习以及向他人请教，掌握概念和基本思路，并在此基础上总结方法。

　第二，自我分析，查阅资料提出信号发生器实现的办法；

　第三，明确制作类型，选择相应的电位器、电压放大器、衰减器、功率放大器等。

　第四，利用 QuartusⅡ进行编程调试，仿真验证。

　设计过程中要注意如下几点:

　(1)注意理解掌握各种分段方式的异同点。

　(2)设计信号发生器时，通过插入死区延迟时间有效地防止逆变器桥臂短路事故的发生。

　(3) 震荡现象。

　由于 FPGA 的编程软件 QuartusⅡ自身带有一些 IP 核使得编程实现 SVPWM 会相对简单一些，所以要对 FPGA 的编程语言 VHDL 进行详细的了解并掌握。参考各种相

　最新教学课件 关文献进行学习，掌握其中的要点，结合自己所学，对 SVPWM 进行编程设计以及仿真验证，以达到课题要求。

　五．毕业设计进度计划

　 第一周：实习调研，根据题目，查找课题相关资料文献，初步从整体上了解课题。并撰写调研报告。

　第二周：学习相关资料，完成并上交不少于 3000 字的调研报告，学习编程语言VHDL 的语法。

　第三周：继续学习相关资料，开始翻译相关的外文文献，学习编程语言 VHDL 的语法。

　第四周：继续学习相关资料，完成并上交不少于 3000 字的与研究内容相关的英文文章翻译，学习编程语言 VHDL 的语法。

　第五周：阅读国内外有关的相关资料并总结信号发生器的特点，学习编程语言VHDL 的语法。

　第六周：总结分析信号发生器的工作原理，进行分块总结，确定总体方案。

　第七周：阅读资料，理解掌握信号发生器各个分块工作原理，学习编程语言 VHDL的语法。

　第八周：根据总体方案对各个分块进行编程实现，生成分块 IP 核。

　第九周：根据总体方案对各个分块进行编程实现，生成分块 IP 核。

　最新教学课件 第十周：将各个分块的 IP 核进行综合调试。

　第十一周：检查验证最终综合模块的工作情况，进行错误纠正。

　第十二周：继续检查修改各个模块的工作情况，并修改错误。

　第十三周：完善修改综合程序，进行最终的结果仿真，验证结果，撰写毕业论文提纲，规划论文内容，并开始着手写毕业论文初稿。

　第十四周：整理材料，文件图标等，完成毕业论文的撰写，交指导教师审查。

　第十五周：论文修改，打印，装订成册，并提交。复习各种资料，准备答辩。

　第十六周：答辩，毕业论文成绩评定。

　第十七周：整理毕业论文及相关资料，完成成册。

　六．主要参考文献

　 [1] 中国信号发生器行业现状调研分析及市场前景预测报告.报告编号：159A71A [2] 韩广兴等编著.电子元器件与实用电路基础[M]. 电子工业出版社, 2005 [3] 康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].高等教育出版社，2007 [4] 康华光.电子技术基础（数字部分）[M].高等教育出版社，2007 [5] 潘松.黄继业..EDA 技术与 VHDL[M].清华大学出版社，2005: 317—347 [6] 李俊.EDA 技术与 VHDL 编程 [M].高等教育出版社，2012: 47—94 [7] 李季.信号发生器发展浅析(上)[J]. 电子产品世界. 2002(19) [8] 李季.信号发生器发展浅析(下)[J]. 电子产品世界. 2002(19) [9] 张兰英.

　双通道宽带信号发生器的设计[D]. 哈尔滨理工大学 2010 [10] Pong P.Chu.FPGA Prototyping by VHDL Examples.Wiley-interscience,2008: 56-63

　 [11] Testerman C, Vander Griend R. Evaluation of ankle instability using the Biodex Stability System.[J]. Foot & ankle international / American Orthopaedic Foot and Ankle Society [and] Swiss Foot and Ankle Society, 1999, 20(5).