信号发生器的发展方向.doc

文献综述- 信号发生器的发展方向1、前言 信号发生器又称波形发生器，是一种常用的信号源，被广泛地应用于无线电通信、自动测量和自动控制等系统中。传统的信号发生器绝大部分是由模拟电路构成，借助电阻电容，电感电容、谐振腔、同轴线作为振荡回路产生正弦或其它函数波形。频率的变动由机械驱动可变元件完成，当这种模拟信号发生器用于低频信号输出往往需要的RC值很大，这样不但参数准确度难以保证，而且体积和功耗都很大，而由数字电路构成的低频信号发生器，虽然其低频性能好但体积较大，价格较贵。 在今天，随着大规模集成电路和信号发生器技术的发展，许多新型信号发生器应运而生。用信号发生器并配置适当接口芯片产生程控正弦信号，则可替代传统的正弦信号发生器，从而有利于测试系统的集成化、程控化和智能仪表的多功能化。而信号发生器的最大特点是面向控制，由于它集成度高、运算速度快、体积小、运行可靠、价格低，因此在数据采集、智能化仪器等技术中得到广泛的应用，从而使得信号发生器的应用成为工程技术多学科知识汇集的一个专门研究领域，其应用产生了极高的经济效益和社会效益。2、 信号发生器的发展与现状 2.1 信号发生器的发展 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（19711976）：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（19761980）：初级8位机阶段。以1976年Intel公司推出的MCS48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（19801983）：高性能信号发生器阶段。这一阶段推出的高性能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。第4阶段（198380年代末）：16位信号发生器阶段。1983年Intel司又推出了高性能的16位信号发生器MCS96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。 2.2 信号发生器的现状目前，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MCS96/98和HPCI6040等信号发生器。 2、内部资源增多 目前，信号发生器内部的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。3、研究信号发生器的目的及意义 信号发生器是信号源的一种，主要给被测电路提供所需的己知信号(各种波形)，然后用其它仪表测量感兴趣的参数。多功能信号发生器采用FPGA器件作为核心控制部件，精度高稳定性好，得到波形平滑，特别是犹豫FPGA的高速度，能实现较高频率的波形。目前我国己经开始研究信号发生器，并取得了可喜的成果。但总的来说，我国信号发生器还没有形成真正的产业。就目前国内的成熟产品来看，多为一些PC仪器插卡，独立的仪器和VXI系统的模块很少，并且我国目前在信号发生器的种类性能都与国外同类产品存在较大的差距，因此加紧对这类产品的研制显得迫在眉睫。4、函数信号发生器的发展方向 频率合成器被誉为电子系统的“心脏”，频率源的发展直接关系到电子系统性能的发展。信号发生器是一种常用的信号源，广泛应用于通信，雷达，测控，电子对抗以及现代化仪器仪表等领域，是一种为电子测量工作提供符合严格技术要求的电信号设备，和示波器、电压表、频率计等仪器一样是最普通、最基本也是应用最广泛的电子仪器之一，几乎所有电参量的测量都要用到波形发生器。随着现代电子技术的飞速发展，现代电子测量工作对信号发生器的性能提出了更高的要求，不仅要求能产生正弦波、方波等标准波形，还能根据需要产生任意波形，且操作方便，输出波形质量好，输出频率范围宽，输出频率稳定度、准确度及分辨率高，频率转换速度快且频率转换时输出波形相位连续等。可见，为适应现代电子技术的不断发展和市场需求，研究制作高性能的任意波形发生器（Arbitrary Waveform Generator，简称AWG）十分有必要，而且意义重大。一般传统的信号发生器都采用谐振法，即用具有频率选择性的回路来产生正弦振荡，获得所需频率。这种信号发生器虽然具有输出信号频率范围宽，结构简单等优点，但输出波形单一，不能产生任意波形，且频稳定度和准确度较差，频率准确度一般在0.5%以下，对于作为精密测量用的信号发生器，其频率稳定度是不够的。因此传统的信号发生器已经越来越不能满足现代电子测量的需要，正逐步退出历史舞台。而基于频率合成技术制成的信号发生器，由于可以获得很高的频率稳定度和精确度，因此发展非常迅速，尤其是最近随着现代电子技术的不断发展，其应用更是有了质的飞跃。5、 总结 以高速数字取样为核心的时域测试正在成为现代电子测试技术的主流方向，波形产生与获取也不例外。但由于受原理、器件等因素限制，基于采样的波形产生与获取技术面临着如何不断提高采样率和采样精度，如何尽可能提高波形质量(无失真地产生和获取信号)，如何进行高速波形大容量存储等诸多难题。 参考文献：【1】许庆山等编. 电路、信号与系统.M 北京：航空工业出版社，2002，22-56. 【2】Sullvan G J. Rate-distortion optimization for video compression.J IEEE Signal Processing. Mag., 1998, 15(6): 74-90 【 3】Bentley, John P. Priniple of Measurement Systems,P Longman, London And NewYork, 2004【 4】相迎军,李兴城,李传军. 基于AT89C4051单片机的专用信号发生器设计与应用J. 微计算机信息 ,2004,(11) . 【5】李朝青.单片机原理及接口技术M.第三版.北京航空航天大学出版社.2005-10. 【6】马俊,陈学煌,段新文.一种基于单片机数字式调幅波信号发生器J. 青海大学学报(自然科学版) , 2005,(01) . 【7】胡学武. 用AT89C51实现超低频任意函数发生器J. 现代电子技术, 2005,(17) 【8】张李勇,陈朗,张飞舟. 基于8051单片机的双通道波形发生器的设计与实现J. 计算机工程与应用 , 2004,(08) . 【 9】张静,李廷军,刘长