2.3 信号源类题目分析与设计方案实例

2.3.1 信号发生器（2007 年H题）

1.赛题要求[2]

设计并制作一台信号发生器，使之能产生正弦波、方波和三角波信号，其系统方框图如图2.3.1所示。

（1）基本要求（50分）

① 信号发生器能产生正弦波、方波和三角波三种周期性波形；

② 输出信号频率在100 Hz～100 kHz范围内可调，输出信号频率稳定度优于10-3；

③ 在1 kΩ负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vopp在0～5 V范围内可调；

④ 输出信号波形无明显失真；

⑤ 自制稳压电源。

（2）发挥部分（50分）

① 将输出信号频率范围扩展为10 Hz～1 MHz，输出信号频率可分段调节：在10 Hz～1 kHz范围内步进间隔为10 Hz；在1 kHz～1 MHz范围内步进间隔为1 kHz，输出信号频率值可通过键盘进行设置；（23 分）

② 在50 Ω负载条件下，输出正弦波信号的电压峰-峰值Vop-p在0～5 V范围内可调，调节步进间隔为0.1 V，输出信号的电压值可通过键盘进行设置；（13 分）

③ 可实时显示输出信号的类型、幅度、频率和频率步进值；（9分）

④ 其他。（5分）

（3）说明

设计报告正文应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图和主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序和完整的测试结果可用附件给出。

2.赛题分析与设计方案实例[3]

根据赛题要求，信号发生器能产生高稳定的正弦波、方波和三角波三种波形。该赛题与2005年和2001年赛题有类似之处，理论和原理部分可以参考已有的资料，没有更新的要求，符合组委会对高职高专的要求，该赛题制作是关键。

根据以往的设计，采用集成芯片MAX038等只能完成正弦波波形，需要外接积分电路才能完成相关波形，这样将会加大电路复杂度和误差。而DDS技术具有输出频率相对带宽较宽，频率转换时间极短，频率分辨率高，全数字化结构便于集成，以及相关波形参数，如频率、相位和幅度等均可实现程控等优点，目前在信号发生器中得到广泛应用。实现DDS功能可以采用专用的DDS芯片，也可以利用FPGA来实现。

（1）采用专用的DDS芯片和单片机的设计方案

在采用专用的DDS芯片和单片机的设计方案中，可以采用单片机为控制核心，采用DDS专用芯片（如AD9834、AD9852等）产生正弦波、方波和三角波信号，利用可编程控制放大器（AD603）控制输出幅度，采用LCD液晶显示波形与参数，利用键盘控制输入。

（2）采用FPGA实现DDS功能的设计方案

一个采用FPGA实现DDS功能的设计方案如图2.3.2所示，该设计方案采用FPGA实现DDS功能代替DDS集成芯片。注意：一些公司可以提供DDS IP核，如Xilinx公司的DDS v5.0 IP核、Altera公司的DDS IP核。

要求输出的波形参数通过键盘输入，通过单片机处理后，将相应参数在LCD上显示，单片机同时将数据输入到FPGA中，FPGA根据DDS原理生成相应的波形，经VGA（AD603）调整输出所需的波形幅度，通过滤波和功率放大，输出所需的信号波形。

DDS实现框图如图2.3.3所示，主要功能模块在FPGA中实现，外接DAC芯片。为满足赛题要求，设计的DDS输出频率为1 Hz～1.2 MHz，且最小步进为1 Hz。根据DDS计算公式：fout=（M/2N）fc，可以知道相位累加器N为30 位，M最大为225，波形表的深度为4096。外接的DAC芯片可以采用MAX5181等。

2.3.2 正弦信号发生器（2005 年A题）

1.赛题要求[2]

设计制作一个正弦信号发生器。

（1）基本要求（50分）

① 正弦波输出频率范围：1 kHz～10 MHz；

② 具有频率设置功能，频率步进：100 Hz；

③ 输出信号频率稳定度：优于10-4；

④ 输出电压幅度：在50 Ω负载电阻上的电压峰-峰值Vop-p≥1 V；

⑤ 失真度：用示波器观察时无明显失真。

（2）发挥部分（50分）

在完成基本要求任务的基础上，增加如下功能：

① 增加输出电压幅度：在频率范围内50 Ω负载电阻上正弦信号输出电压的峰-峰值Vop-p=6 V±1 V；（12 分）

② 产生模拟幅度调制（AM）信号：在1～10 MHz范围内调制度ma可在10%～100%之间程控调节，步进量10%，正弦调制信号频率为1 kHz，调制信号自行产生；（10 分）

③ 产生模拟频率调制（FM）信号：在100 kHz～10 MHz频率范围内产生10 kHz最大频偏，且最大频偏可分为5 kHz/10 kHz二级程控调节，正弦调制信号频率为1 kHz，调制信号自行产生；（13 分）

④ 产生二进制PSK、ASK信号：在100 kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10 kbps，二进制基带序列信号自行产生；（10 分）

⑤ 其他。（5分）

2.赛题分析与设计方案实例[4,9]

赛题要求设计制作一个正弦信号发生器，核心电路是宽范围的正弦波（1 kHz～10 MHz）产生电路、高频的功率放大器电路（50 Ω，Vop-p=6 V±1 V）和调制电路。而正弦波产生电路和调制电路方案的设计紧密相连，对正弦波产生电路和调制电路采用分立的方案进行设计将是复杂的。高频的功率放大器电路的设计采用分立元器件实现也不容易。

指标中有一个指标要求：输出信号频率稳定度优于10-4，这个指标在竞赛测试时，实际上是无法测试的。但这隐含了一个要求，如果作品选择采用RC、LC作为振荡器元件的电路将达不到设计要求，如MAX038 这一类芯片。

该赛题的核心是新器件的选用，器件选择正确，则事半功倍，否则事倍功半。正确选择ADI公司的DDS芯片，如DDS芯片AD9852，一个芯片就可以实现该赛题的正弦波产生和调制大部分功能。功率放大器电路可以选择集成的宽带放大器芯片实现，如AD8320。AD8320的带宽为150 MHz，增益为36 dB，单电源供电5～12 V，75 Ω输出阻抗。

一个基于单片机和DDS的正弦信号发生器系统方框图如图2.3.4所示。本设计基于直接数字频率合成技术，利用单片机AT89 S52 控制DDS芯片AD9852，通过改变其内部编程控制寄存器所选的操作模式、相位累加器的位数、频率控制字和幅度控制字，产生频率稳定度达10-6、最小频率步进为1 Hz、多挡可调的正弦信号。使用可编程放大器对输出电压进行精确控制，在频率范围内50 Ω负载电阻上输出电压的峰-峰值Vop-p稳定在6 V。能够产生二进制PSK、ASK信号，在100 kHz固定频率载波进行二进制键控，二进制基带序列码速率固定为10 kbps，二进制基带序列信号自行产生，能够产生模拟调制AM信号。

正弦信号发生器的主要电路如下：

① 正弦波发生器：正弦波发生器是本设计的核心部分，波形发生器要能够产生模拟AM、FM调制信号和二进制PSK和ASK信号，以及优于10-4 的频率稳定度，且在1 kHz～10 MHz的大范围内以100 Hz的步进调整。使用高性能的DDS集成芯片AD9852 作为正弦波信号发生器的核心，实现高精度、高稳定的正弦信号输出。

② 控制模块：在此系统中，利用单片机作为控制器比利用FPGA实现控制更简便，基于综合性价比和控制的方便程度的考虑，采用单片机AT89 S52作为系统的控制核心。

③ 滤波电路：由于使用DDS芯片，输出的信号含有大量的杂散波，为使产生的信号平滑，需对输出信号进行滤波。设计采用电感和电容构成7 阶切比雪夫滤波器。

④ 放大电路：采用可编程集成功率放大器AD8320，电路简单，控制灵活，失真小，输出电压容易控制。可以满足在频率范围内50 Ω的负载电阻上正弦信号输出的电压峰-峰值要稳定在6V左右的题目要求。

⑤ 电源：本系统需要多个电源，集成DDS芯片的工作电压为3.3 V，单片机的工作电压为5 V，可编程放大器的工作电压为12 V。采用LM317 可调三端稳压器输出3.3 V电压供给DDS芯片，用7805 稳压的方法为需要+5 V工作电压的电路提供稳定的工作电压。用7812将电压稳定到+12 V后，提供给AD8320。

⑥ 显示方式选择：采用LCD液晶显示，可以显示所有字符及自定义字符，并能同时显示多组数据和汉字，字符清晰。由于自身具有控制器，不但可以减轻主单片机的负担，而且可以实现菜单驱动方式的显示效果，实现编辑模块的全屏幕编辑功能，达到友好的人机界面。

⑦ 键盘输入方式选择：为了提高单片机的资源利用率，按键部分使用8279 扩展键盘，2×8键盘通过8279 与单片机连接。

2.3.3 电压控制LC振荡器（2003 年A题）

1.赛题要求[2]

设计并制作一个电压控制LC振荡器。

（1）基本要求（50分）

① 振荡器输出为正弦波，波形无明显失真；

② 输出频率范围：15～35 MHz；

③ 输出频率稳定度：优于10-3；

④ 输出电压峰-峰值：Vp-p=1 ±0.1 V；

⑤ 实时测量并显示振荡器输出电压峰-峰值，精度优于10%；

⑥ 可实现输出频率步进，步进间隔为1 MHz。

（2）发挥部分（50分）

① 进一步扩大输出频率范围；（5分）

② 采用锁相环进一步提高输出频率稳定度，输出频率步进间隔为100 kHz；（15 分）

③ 实时测量并显示振荡器的输出频率；（5分）

④ 制作一个功率放大器，放大LC振荡器输出的30 MHz正弦信号，限定使用E=12 V的单直流电源为功率放大器供电，要求在50 Ω纯电阻负载上的输出功率≥20 mW，尽可能提高功率放大器的效率；（10 分）

⑤ 功率放大器负载改为50 Ω电阻与20 pF电容串联，在此条件下50 Ω电阻上的输出功率≥20 mW，尽可能提高放大器效率；（10 分）

⑥ 其他。（5分）

（3）说明

需留出末级功率放大器电源电流IC0（或ID0）的测量端，用于测试功率放大器的效率。

2.赛题分析与设计方案实例[5,9]

赛题要求设计并制作一个电压控制LC振荡器，核心电路包含有可调的高频振荡器（15～35 MHz，并且可扩展）、步进可调的PLL、高效率的负载变化的高频功率放大器，其他电路包含有高频毫伏表和频率计。制作可调的高频振荡器，可变电容的VCO是最佳选择。关键是变容二极管的选择，可变电容的大小要能够满足频率变化范围的要求，如果单个变容二极管的电容变化范围不能够满足要求时，可以采用多个变容二极管并联使用。步进可调的PLL可以采用集成的数字PLL芯片实现。高频功率放大器对效率和负载变化有要求，分析功率放大器的结构形式可知，采用E类放大器能够较好满足这两个指标要求。

一个采用锁相环频率合成器技术，由FPGA实现对PLL频率合成器的控制的电压控制LC振荡器系统组成方框图如图2.3.5所示。

在图2.3.5中，集成电路MC1648、MC145152、MC12022、低通滤波器和晶振构成锁相环频率合成器；峰-峰值检测电路完成检测输出电压峰-峰值，将其数据通过A/D转换器ADC0809 输入FPGA处理后，送显示。末级功放选用三极管3DA5109，使其工作在丙类放大状态，在输出负载为容性阻抗时，用一串联谐振回路提高其输出功率。同时，系统还实现了频率扩展、自制音源、立体声编码等实用性功能。程序设计采用超高速硬件描述语言VHDL，在Xilinx公司的Spartan-Ⅱ系列的XC2S2005PQ-208 芯片上编程实现。由于电路中既有数字电路又有高频电路，所以需要将高频电路用金属屏蔽罩隔离，以减小交叉调制等干扰。

电压控制LC振荡器主要电路如下：

① 压控振荡器：由压控振荡芯片MC1648和变容二极管MV209，外接一个LC谐振回路构成变容二极管压控振荡器。只需要调节变容二极管两端的电压，便可改变MC1648的输出频率。由于采用了集成芯片，电路设计简单，系统可靠性高，并且利用锁相环频率合成技术可以使输出频率稳定度进一步提高。

② 频率合成器：采用数字锁相环频率合成器技术，由晶振、鉴频/鉴相器（FD/PD）、环路滤波器（LPF）、可变分频器（÷N）和压控振荡器（VCO）组成。利用锁相环，将VCO的输出频率锁定在所需频率上，可以很好选择所需频率信号，抑制杂散分量，并且避免了大量采用滤波器。频率合成采用大规模集成PLL芯片MC145152，前置分频器选用芯片MC12022，VCO选用MC1648，环路滤波器采用运放LM358和RC电路组成，即可完成锁相环路的设计。

③ 控制模块：采用FPGA作为控制器件。FPGA的运行速度快，资源丰富，使用方便灵活，易于进行功能扩展。系统的多个部件如频率测量电路、键盘控制电路和显示控制等都可以集成到一块芯片上，大大减小了系统的体积，并且提高了系统的稳定性和抗干扰性。

④ 测频模块：采用FPGA来实现测频功能。将压控振荡器的输出频率经过另一个前置分频器MC12022进行固定分频后送入FPGA测量，并实时送入液晶显示器显示测得的频率。由于MC12022可对输入正弦波整形，所以不需外加整形电路，这样硬件电路十分简单，只利用软件编程便可实现一系列的功能。功能集成在FPGA一块芯片上，可靠性高，准确性好，容易实现，并且充分利用了FPGA的资源。

⑤ 峰-峰值检测电路：利用二极管和运放LM324构成一个检波电路，来测量电压的峰-峰值。利用该方法准确度高，稳定性好，构成也比较简单，再通过一个A/D转换器，便可将数据直接送入FPGA显示。利用该方法电路测量容易，也比较准确。

⑥ 稳幅电路：采用交流电压并联负反馈电路和自动增益控制（AGC）电路一起实现的稳幅电路。由于VCO芯片MC1648 内部有AGC电路，因此在引入了交流电压并联负反馈的基础上，输出电压再经过一个AGC电路，在输入信号电平变化时，用改变增益的办法维持输出信号电平基本不变。利用该方法可以进一步提高输出电压的稳定性，保证在15～35 MHz的频率范围内，输出电压峰-峰值控制在1 ±0.1 V。

⑦ 末级功率放大电路：末级功率放大电路采用丙类功率放大电路。三极管用3DA5109。调整放大管的导通角θ=70°左右，可以提高功放的效率。为防止失真过大，输出端采用并联谐振回路。当负载为容性时，采用串联谐振回路。这样可以使输出功率和效率都达到最大值。

⑧ 立体声模块：采用调频立体声发射芯片BA1404。BA1404将立体声调制、FM调制和RF放大功能集成在一个芯片上，弥补了用分立元件来设计调频电路的不足。而且，具有立体声调制的功能，仅用很少的外围元件就可得到立体声调频信号。

⑨ 自制音源：利用FPGA来产生自制音源信号。在ROM里可存入多首歌曲、语音等音频信号。可通过按键选择收听自制音源里存储的歌曲、外接音源播放的歌曲或其他语音信号。选择自制音源还可以显示曲目。

⑩ 显示方式选择：采用字符型LCD显示，实时显示输入频率、实测频率、电压峰-峰值、自制音源曲目和时间。

⑪ 电源：系统需要多个电源，FPGA使用5 V稳压电源，振荡器的变容二极管需要1～10 V电压，运放和功放等需要12 V稳压电源。采用三端稳压集成7805 与7812 分别得到5 V与12 V的稳定电压。