第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 引言
信号发生器又叫测量用信号源，作为电子技术领域中最基本的电子仪器，广泛应用于各个领域中[1]。信号发生器主要是产生各种不同频率、相位、幅度、波形的各种输出信号，用于各种不同条件、要求、场合的测试领域，以及机械、医疗等需要产生特定输出信号的领域。随着电子技术的发展，信号发生器正向多功能、数字化、自动化的方向发展，对其性能的要求也越来越高，如要求输出频率稳定性高、转换速度快、能够输出任意波等。
1.2 国内外现状
现在市场上已有的信号发生器有很多种，其电路形式有采用运放及分立元件构成；也有采用单片集成的函数发生器；以及以单片机和FPGA为核心，辅以必要的模拟电路构成的DDS数字信号发生器。在保证信号发生器的稳定性、频率范围、幅值范围等指标的同时，实现对输出信号的频率、相位和幅值的数字控制是现代信号发生器的发展方向。
1.2.1 国外信号发生器现状
当今信号发生器的国外生产厂家主要有德国的R&S公司、日本的菊水(Kikusui)和Leada公司、美国的安捷伦(Agilent)公司和泰克(Tektonix)公司等[2]。安捷伦(Agilent)公司和泰克(Tektonix)公司是国际电子测量公司的代表。
Agi1ent公司最新出品的M8190A 12GSa/s 任意波形发生器主要特性与技术指标如下：[3]
精密的任意波形发生器，提供两个 DAC 设置： 14 位分辨率，高达 8GSa/s。 12 位分辨率，高达 12GSa/s。
从 125MSa/s 至 8/12GSa/s 的可变抽样率。 高达 80dBc 典型值的无杂散动态范围（SFDR）。 高达 -72dBc 典型值的谐波失真 (HD)。
高达 2GSa 任意波形存储器/通道，具有高级排序功能。 5 GHz 模拟带宽(直接 DAC 输出)。
安捷伦可直接提供用于M8190A 的MATLAB 软件，来执行任意波形（多音频信号、脉冲雷达信号、多载波调制波形）测量和分析例程以及仪器应用。
33503A BenchLink Waveform Builder Pro软件可快速轻松地定制波形。
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宽带波形中心提供60种无线通信的宽带调制，支持WiGig、无线 HD 和 IEEE802.11ad 等标准。
可在所有领先的软件平台上应用。 其主要应用:
雷达、卫星、电子战、多电平信号。
ADC 测试(模拟数字转换器测试)、抖动裕量测试。 数字视频、噪声功率比测量、无线 HD。
IEEE 802.11ac、IEEE 802.11ad、软件定义无线电。
1.2.2 国内信号发生器现状
信号发生器的国内生产厂家有成都前锋电子仪器有限公司、江苏绿扬电子仪器有限公司、南京新联电讯仪器有限公司、南京涌新电子有限公司、宁波中策电子有限公司、北京无线电二厂、北京普源精电公司等。
国内任意波形发生器的研制开发始从上世纪90年代，经过努力，近年来取得了可喜的成果。
例如南京新联电子公司生产的EE1462系列高频DDS合成标准信号发生器，主要技术指标及特性如下：[4]
输出频率：100kHz～430MHz（EE1462A/B/C/D/E/F型） 频率分辨力：1Hz
输出电压： 0.3μVrms～1Vrms 电压分辨力：0.1dB
频谱纯度：谐波：＜-30dBc；杂波：＜-40dBc 调制：调幅：0～90%；调频：0～100kHz
PSK、FSK 和 扫频
4.3”真彩液晶显示（16位65536色） 带RS232接口，可选配GP-IB接口 音频源选件：10mHz～1MHz输出 频率计选件：10Hz～1000MHz 功耗：38W 主要特点：
采用直接数字合成（DDS）技术 采可大规模编程器件（CPLD）技术 全数字化调频技术 准确的调制精度
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120dB程控衰减，实现微弱信号输出 接口齐全，多种存贮功能
外频标输入，实现真正意义上的全频段高频率分辨力。 可取代XFG-7等高频信号发生器 采用SMT 贴片工艺，可靠性高 体积小：250×36×110mm 重量轻：3.5kg
1.3 DDS的优劣
1.3.1 DDS的优点
与传统技术相比，DDS具有以下特殊优点[5]：
(1)输出信号的频率分辨率可以做到非常高，并且输出信号的频点数量可以做到非常多，可以近似看作输出信号的频率是连续可调的。
(2)频率转换快。DDS系统输出信号频率转换时间可达纳秒(ns)数量级。 (3)相位连续。
(4)信号相干。DDS产生的所有频率都由标准的同一时钟源控制，因而很容易实现相干信号频率的产生和变换，在通信、雷达、导航等设备中有极宽广的应用前景。
(5)相位噪声小。一般锁相环为了减小相位噪声，必须减小回路的带宽，致使锁相环难于捕获，频率转换速度和稳定性不能保障。因为DDS频率由数字控制直接产生，没有反馈环路，所以DDS输出信号的相位噪声很小。
(6)复杂方式的信号调制很容易实现。DDS系统可以方便地实现线性调频、FSK/PSK/GMSK等调制。
(7)微处理器接口，控制容易，稳定可靠。DDS全数字集成，工作稳定，电磁兼容性好。
(8)大规模集成，体积小，功耗低，重量轻。
1.3.2 DDS的缺点
当然DDS也存在一些缺点，主要表现如下：
(1)DDS系统输出信号频率的高端相对于现在的一些高频应用场合（比如3G通信等）来说是比较低的，输出信号频率的高端一般在几十MHZ至400MHz左右。
(2)输出信号当中含有比较大的杂散信号：主要是下面三个因素造成的，a. 幅度量化误差造成的杂散,b.相位截断误差造成的杂散,c.数模转换器的非理想特性造成的杂散[6]。
DDS技术刚面世时，由于存在上面的缺陷，所以得不到实际的应用与发展。随着
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电子技术的不断发展，其缺点得到了一定的克服，现在DDS技术已经在各个领域得到了广泛地应用 [7]。
1.3.3 单芯片DDS介绍
近年来，DDS技术获得了长足的进步，在跳频通信、电子对抗、自动控制和仪器设备等领域得到了广泛的应用，如美国模拟器件(AnalogDevices)公司的AD985x、AD995x系列单片DDS，其主要特性见表1.1。
表1.1 美国模拟器件公司DDS的主要特性
主时钟 频率/MHz 300 400 400 400 400 400 400 1000 DAC /bit 12 10 14 14 14 14 14 10 频率控制 字/bit 48 32 48 32 32 32 32 32 供电 电压/V 3.1～3.5 1.8 1.8和3.3 1.8 1.8 1.8 1.8 3.1～3.5 电流 /mA 1210 30 — — 85 — — 757 主时钟 内部 倍频器 比较器 有 有 无 有 有 有 有 无 有 无 无 无 有 无 有 无 型 号 AD0854ASQ AD9859 AD9956 AD9951 AD9952 AD9953 AD9954 AD9858 接口 并/串 串行 串行 串行 串行 串行 串行 并/串
由于受器件水平的限制 (主要受D/A转换器转换速度的限制)，目前使用的DDS的时钟频率仍不太高。虽然有的芯片时钟可达到1 GHz或1 GHz以上(如美国模拟器件公司的AD9858)，但高位数D/A转换芯片的上限频率还只能达到几百兆赫，这样DDS的输出频率就受到了极大的限制。因而在需要产生较高频率信号的情况下，往往要采用DDS和锁相环相结合的技术。
借助于直接数字频率合成(DDS)技术，人们又研制出了任意波形发生器(AWG)。其原理与采用DDS技术的正弦信号发生器相同，只是用可读写存储器(RAM)代替ROM来存储波形数据，根据需要通过微处理器更改其中的波形数据就达到了产生所需的任意波形是目的。
1.4 本论文主要内容
本论文主要内容如下：
1. 对国内外信号发生器的现状进行了介绍，并介绍了DDS系统的优缺点 2. 对FPGA的工作原理及设计流程进行了简介，并分析了用FPGA来实现DDS
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