CN219738066U - 一种信号发生器 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种信号发生器，实现了生成频率更加精确的波形。该信号发生器包括：控制模块、多通道DDS模块、电源模块和k个乘法器；多通道DDS模块具有k路输出通道，k≥2；多通道DDS模块用于根据所述控制模块提供的频率控制字和系统时钟计算出输出频率，以及将预先存储的k路序列数据转换成频率为所述输出频率的k路正弦波模拟信号，通过所述k路输出通道输出至所述k个乘法器；所述控制模块通过下发片选信号选定所述k个乘法器中的任意一个；乘法器被选定时，按所述控制模块下发的振幅调节系数对输入本乘法器的正弦波模拟信号进行振幅调节，然后输出调节后的信号，在未被选定时直接对输入本乘法器的正弦波模拟信号进行输出。

Description

一种信号发生器

技术领域

本实用新型涉及电子技术领域，更具体地说，涉及一种信号发生器。

背景技术

信号发生器是一种能提供各种频率、波形和输出电平电信号的设备。

传统的信号发生器生成一段正弦波的方法通常是：先在单片机中存储一段正弦波的序列数据，经过数模转换器将该序列数据一个点接一个点的输出就可以得到想要的波形；要控制这个波形的频率就需要使用单片机中的定时器，每隔一个确定的时间数模转换器转换下一个点，这样每个点之间的时间间隔一样，波形就有了确定的频率，当需要调节波形的频率时，只需要改变模数转换器转换下一个点的时间间隔即可。

但因为单片机内部的定时器本身定时时间不够稳定，且不能够想定时多久就定时多久，一般只能以单片机主频时钟作为基准来定时，所以最终得到的波形频率只能和单片机主频呈倍数关系，导致调节频率不够自由，输出的波形频率不够精确。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种信号发生器，以实现生成频率更加精确的波形。

一种信号发生器，包括：

控制模块、多通道直接数字式频率合成器DDS模块、电源模块和k个乘法器；

其中，多通道DDS模块具有k路输出通道，k≥2；

所述多通道DDS模块用于根据所述控制模块提供的频率控制字和系统时钟计算出输出频率，以及将预先存储的k路序列数据转换成频率为所述输出频率的k路正弦波模拟信号，通过所述k路输出通道输出至所述k个乘法器；

所述控制模块通过下发片选信号选定所述k个乘法器中的任意一个；乘法器在被选定时，按所述控制模块下发的振幅调节系数对输入本乘法器的正弦波模拟信号进行振幅调节，然后输出调节后的信号；在未被选定时不做振幅调节，直接对输入本乘法器的正弦波模拟信号进行输出；

所述电源模块，用于为所述信号发生器中的其他模块供电。

可选的，所述多通道DDS模块包括：相位累加器、相位幅度转换器、数模转换器和运算放大器；

所述相位累加器，用于根据所述控制模块提供的频率控制字和系统时钟计算出输出频率，以所述输出频率作为地址索引，把预先存储在波形存储器里的k路序列数据调取出来，输出给所述相位幅度转换器；

所述相位幅度转换器用于把所述k路序列数据转换成相应的幅值；

所述数模转换器用于对所述相位幅度转换器输出的数据进行数模转换；

所述数模转换器输出的模拟信号是单极性信号，所述运算放大器用于对所述单极性信号进行低通滤波，同时将输出的波形变换成双极性信号，从而得到初步的正弦波模拟信号。

可选的，k＝8，所述控制模块通过38译码器对k个乘法器进行片选。

可选的，所述电源模块包括DC-DC转换器、线性稳压控制器、降压型直流电源变换器和基准电压芯片，其中：

所述降压型直流电源变换器用于将外部接入的+12V电压转换成+5V电压；

所述DC-DC转换器用于将降压型直流电源变换器转换完成的+5V电压转换成±9V电压，且该DC-DC转换器隔离了数字地和模拟地；

所述线性稳压控制器用于将DC-DC转换器转换完成的+9V电压转换成+5V电压；所述线性稳压控制器还用于将自身转换完成的+5V电压转换成3.3V电压；

所述基准电压芯片用于将线性稳压控制器转换完成的+5V电压转换成+2.5V电压，作为所述信号发生器中相应器件的参考电压。

可选的，所述控制模块的外围电路包括人机交互模块。

可选的，所述控制模块的外围电路包括切换按键和复位按键，所述切换按键用于设定编程模式，所述复位按键用于对所述信号发生器进行复位。

可选的，所述控制模块的外围电路包括电源指示灯，用于在上电之后指示灯亮起指示工作状态。

可选的，所述控制模块的外围电路包括JATG烧写口，用于烧录程序。

可选的，所述控制模块的外围电路包括晶振电路，用于为所述控制模块提供时钟。

可选的，所述控制模块的外围电路包括看门狗电路，用于防止程序跑飞。

从上述的技术方案可以看出，本实用新型公开的信号发生器引入了DDS技术，相较于传统技术，DDS对于频率的控制更加精确、细致、自由度更高，解决了现有技术中存在的问题。此外，由于本实用新型是使用一个多通道DDS模块实现输出多路输出信号，相较于采用多个单通道DDS模块实现输出多路输出信号，信号发生器的体积进一步减小，成本也进一步降低。再者，本实用新型通过将数据写入多路乘法器，乘法器可以在多通道DDS模块后级控制不同输出信号的幅值，实现同时输出多路相互独立的任意幅值的波形。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例公开的一种信号发生器结构示意图；

图2为图1所示信号发生器中的多通道DDS模块的结构示意图；

图3为图1所示信号发生器中的多通道DDS模块的工作原理示意图；

图4为图1所示信号发生器中的电源模块的结构示意图；

图5为本实用新型实施例公开的又一种信号发生器结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

参见图1，本实用新型实施例公开了一种信号发生器，包括：控制模块100、多通道DDS(Direct DigitalSynthesizer，直接数字式频率合成器)模块200、电源模块300和k个乘法器400；

其中，多通道DDS模块200具有k路输出通道，k≥2；

所述多通道DDS模块200用于根据所述控制模块100提供的频率控制字M和系统时钟Fc计算出输出频率Fout，以及将预先存储的k路序列数据转换成频率为Fout的k路正弦波模拟信号，通过所述k路输出通道输出至所述k个乘法器400；

所述控制模块100通过下发片选信号选定所述k个乘法器400中的任意一个；乘法器在被选定时，按所述控制模块100下发的振幅调节系数对输入本乘法器的正弦波模拟信号进行振幅调节，然后输出调节后的信号；在未被选定时不做振幅调节，直接对输入本乘法器的正弦波模拟信号进行输出；

所述电源模块300，用于为所述信号发生器中的其他模块供电。

综上，本实用新型实施例公开的信号发生器引入了DDS技术，相较于传统技术，DDS对于频率的控制更加精确、细致、自由度更高，从而解决了现有技术中存在的问题。下面，基于DDS的工作原理来对本技术效果进行详述：

控制模块100根据用户输入的频率计算出相应的频率控制字M也就是多通道DDS模块200的步长，并发送给多通道DDS模块200。DDS实际上是一种分频器，通过编程程序控制字来分频系统时钟以产生所需要的频率。DDS有两个突出的特点，一方面DDS工作在数字域，一旦更新频率控制字，输出的频率就相应改变，其调频速率高；另一方面，由于频率控制字的宽度宽，频率分辨率高。

DDS具体的工作原理如下：

正弦波的幅度不是线性的，但是它的相位却是线性增加的。DDS就是利用这一个特点来产生正弦波。根据DDS的频率控制字的位数N，把360°平均分成2^N等份，每一份相当于DDS的步长；假设系统时钟为Fc，输出频率为Fout，每次转动的角度为360/2^N，则可以产生一个频率为Fc/2^N的正弦波的相位递增量，那么只需要选择恰当的频率控制字M，就可以得到所需要的输出频率Fout，对应的公式如下：

Fout＝Fc*M/2^N。

如图2所示，DDS主要包括：相位累加器、相位幅度转换器、数模转换器和运算放大器。

其中，相位累加器由N位加法器与N位寄存器构成，每来一个系统时钟脉冲，加法器就将频率控制字与累加寄存器输出的相位数据相加，相加的结果又反馈至累加寄存器的数据输入端，以使加法器在下一个系统时钟脉冲的作用下继续与频率控制字相加，这样，相位累加器在时钟作用下，不断对频率控制字进行线性相位累加，即在每一个系统时钟脉冲输入时，相位累加器便把频率控制字累加一次；相位累加器输出的数据就是合成信号的相位；相位累加器的溢出频率就是DDS输出的信号频率。

相位累加器输出的数据作为波形存储器的相位采样地址，通过这个地址就可以把预先存储在波形存储器里的波形幅值(二进制编码形式，也即上述序列数据)经查表找出，然后相位幅度转换器把0°～360°的相位转换成相应相位的幅度值，完成相位到幅度的转换，例如图3所示，图3仅以具有8路通道作为示例。这个相位到幅度的转换是通过查表完成的，当需要输出不同的波形时只需要查不同的表即可输出不同的波形。

之后代表幅度的二进制数字信号被送入数模转换器中，并转换成为模拟信号输出；数模转换器的位数并不影响输出频率的分辨率，输出频率的分辨率是由频率控制字的位数决定的。

数模转换器输出的模拟信号是单极性信号，将其输入到运算放大器，运算放大器的作用是将该单极性的模拟波形进行低通滤波，使输出的波形看上去更加平滑，同时将输出的波形变换成双极性信号，从而得到初步的正弦波模拟信号。

简单来说，DDS的基本方案是通过外部向DDS输入一个固定的时钟，这个时钟称为系统时钟，然后DDS会根据提前设置好的参数，输出一个我们想要的时钟，然后将这个输出的时钟信号作为查表的地址索引，将地址对应的表中的序列数据调取出来，经过一系列处理将其转换为初步的正弦波模拟信号。DDS接收来自控制模块100输出的频率控制字和系统时钟，在系统时钟一定的情况下，输出频率取决于频率寄存器中的频率控制字，频率越高，能够输出的频率也就越高，而相位累加器的字长决定频率分辨率，频率控制字位数(N)越高，输出频率的分辨率也就越高，频率分辨率为Fc/2^N。

另外，本实用新型实施例在同一系统时钟下，使用一个多通道DDS模块实现输出多个输出信号(各输出信号对应不同的序列数组，各输出信号频率一致)，相较于采用多个单通道DDS模块实现输出多个输出信号，信号发生器的体积进一步减小，成本也进一步降低。

多通道DDS模块200的k路输出送入k个乘法器400，每个乘法器都有一个输入口也就是片选信号，只有这个输入口被拉低的时候这个乘法器才会接收控制模块100下发的数据也即振幅调节系数。控制模块100下发片选信号选择相应的乘法器来改变相应乘法器输出波形的幅值，同时也可以在特定的时间内写入特定的数值从而实现输出波形模拟电压暂降等情况；各乘法器也即各通道之间相互独立，从而使得最后输出波形之间幅值单独可调，互不干扰。

可选的，可设置k＝8，对应的，所述控制模块100通过38译码器对k个乘法器进行片选。38译码器的作用是节省单片机的片上资源，只需3个IO口即可对8个乘法器进行片选；当需要改变某个单独通道输出波形的幅值时需要向该通道所对应的乘法器写入不同的值，此时则需要基于38译码器的输入输出真值表，通过控制38译码器的输入选中对应的乘法器。

所述电源模块300，用于为所述信号发生器中的其他模块供电，以保证其他模块的正常工作。附图中为简化绘制，未绘制出电源模块300连接至其他模块的供电线路。

在一个示例中，如图4所示，所述电源模块包括DC-DC转换器、线性稳压控制器、降压型直流电源变换器和基准电压芯片，其中：

所述电源模块中的降压型直流电源变换器用于将外部接入的+12V电压转换成+5V电压。

所述电源模块中的DC-DC转换器用于将降压型直流电源变换器转换完成的+5V电压转换成±9V电压，且该DC-DC转换器隔离了数字地和模拟地，减少了不必要的干扰；转换完成之后的±9V电压用来为信号发生器中的相应电器件(例如运算放大器)供电。

所述电源模块中的线性稳压控制器用于将DC-DC转换器转换完成的+9V电压转换成+5V电压，用于给信号发生器中的相应电器件供电；线性稳压控制器还用于将自身转换完成的+5V电压转换成3.3V电压给信号发生器中的相应电器件(例如控制模块100中的CPU)供电。

所述电源模块中的基准电压芯片用于将线性稳压控制器转换完成的+5V电压转换成+2.5V电压，作为数模转换器和运算放大器等的参考电压。

可选的，基于上述公开的任一实施例，所述控制模块的外围电路包括人机交互模块，用于供用户输入序列数据、频率、振幅调节系数等，以及显示数据，例如图5所示。

可选的，基于上述公开的任一实施例，所述控制模块的外围电路还包括切换按键(即MODE按键)和复位按键(RESET按键)，MODE按键可以设定编程模式，RESET按键可以对信号发生器进行复位。

可选的，基于上述公开的任一实施例，所述控制模块的外围电路还包括电源指示灯，上电之后指示灯亮起指示工作状态。

可选的，基于上述公开的任一实施例，所述控制模块的外围电路还可包括JATG烧写口，用于烧录程序。

可选的，基于上述公开的任一实施例，所述控制模块的外围电路还可包括晶振电路为所述控制模块提供时钟。

可选的，基于上述公开的任一实施例，所述控制模块的外围电路还可包括看门狗电路来防止程序跑飞。

综上，本实用新型实施例的有益效果如下：

1)本实用新型实施例最主要的优点是具有更加精确的频率分辨率，对于频率的控制可以达到0.01hz级别，远大于通过单片机定时器来控制输出波形的频率。之所以可以做到这么精确的频率控制是因为引入了DDS技术，而常规的单片机定时器的时钟是来自于单片机的主频分频得来的，其对频率的控制精度远小于0.01hz。

例如，单片机的主频为200Mhz，送到定时器的时钟频率将会通过单片机的主频分频，分频系数可以设置为2、4、8、16、32等等，不同的分频系数对应的分频后的时钟频率为：100Mhz、50Mhz、25Mhz、12.5Mhz、6.25Mhz，这个时钟送给定时器之后定时器将以这个时钟作为基准，定时器内部有一个计数器和比较器，计数器根据送进来的时钟一直增加，比较器每个时钟将计数器里面的值与比较器里面的值作比较，如果相同就触发一次中断，同时将计数器里面的值清空，定时器触发中断的频率就是定时器输出的频率，定时器受限于内部寄存器的宽度和计数器每次只能加一的特性，寄存器越小则输出频率的精度越低，一般在1hz左右。

2)对频率的控制有调频速率高的特点；

具体的，DDS工作在数字域，通过控制频率控制字改变频率；一旦频率控制字改变，DDS的相位累加器每个时钟增加的值也就发生改变，则DDS输出的频率也就是查表的地址增量跟着发生改变，输出正弦波的频率也发生改变；这种改变是与上一个时钟同步的，所以频率切换时相位是连续的，也就是说调频之后的正弦波跟调频之前的正弦波也是连续的，不会出现刚调完频率重新从第一个点输出正弦波的情况。

3)DDS可以调节的频率范围宽；

具体的，由于DDS的频率控制字的宽度更宽(48bit或者更高)，相比于一般定时器只有16位更大，调频的实质是通过改变频率控制字，也就是改变DDS的相位累加器每个时钟的增加值，这个值的可调范围越大，则输出频率的可调范围就越大。

4)可以输出任意波形；

具体的，因为波形的数据是存储在单片机内部的，生成波形的数据也是靠单片机算出来的，需要输出其他波形的时候只需要在单片机内部改变算法，生成不一样的波形的数据在送给数模转换器输出就可以了，也可以先将生成的波形数据发送的电脑上，在电脑上进行描点，将原始数据显示在电脑上就可以看到是不是想要的波形。

5)可以同时输出多路互不影响的波形；

具体的，单片机内部可以通过算法生成很多张数据不同的表，可以根据实际需要，生成叠加了不同阶次谐波的波形分别存在多张表中，只要这些表的索引长度相同，通过DDS输出的得到的地址索引逐个查表，将不同的表的输出送给不同通道的模数转换器输出即可实现通道之间相互独立，且同时输出不同的波形。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的不同对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本实用新型的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对于系统实施例而言，由于其基本相应于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型实施例的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型实施例将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种信号发生器，其特征在于，包括：

控制模块、多通道直接数字式频率合成器DDS模块、电源模块和k个乘法器；

其中，多通道DDS模块具有k路输出通道，k≥2；

所述多通道DDS模块用于根据所述控制模块提供的频率控制字和系统时钟计算出输出频率，以及将预先存储的k路序列数据转换成频率为所述输出频率的k路正弦波模拟信号，通过所述k路输出通道输出至所述k个乘法器；

所述控制模块通过下发片选信号选定所述k个乘法器中的任意一个；乘法器在被选定时，按所述控制模块下发的振幅调节系数对输入本乘法器的正弦波模拟信号进行振幅调节，然后输出调节后的信号；在未被选定时不做振幅调节，直接对输入本乘法器的正弦波模拟信号进行输出；

所述电源模块，用于为所述信号发生器中的其他模块供电。

2.根据权利要求1所述的信号发生器，其特征在于，所述多通道DDS模块包括：相位累加器、相位幅度转换器、数模转换器和运算放大器；

所述相位累加器，用于根据所述控制模块提供的频率控制字和系统时钟计算出输出频率，以所述输出频率作为地址索引，把预先存储在波形存储器里的k路序列数据调取出来，输出给所述相位幅度转换器；

所述相位幅度转换器用于把所述k路序列数据转换成相应的幅值；

所述数模转换器用于对所述相位幅度转换器输出的数据进行数模转换；

所述数模转换器输出的模拟信号是单极性信号，所述运算放大器用于对所述单极性信号进行低通滤波，同时将输出的波形变换成双极性信号，从而得到初步的正弦波模拟信号。

3.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，k＝8，所述控制模块通过38译码器对k个乘法器进行片选。

4.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，所述电源模块包括DC-DC转换器、线性稳压控制器、降压型直流电源变换器和基准电压芯片，其中：

所述降压型直流电源变换器用于将外部接入的+12V电压转换成+5V电压；

所述DC-DC转换器用于将降压型直流电源变换器转换完成的+5V电压转换成±9V电压，且该DC-DC转换器隔离了数字地和模拟地；

所述线性稳压控制器用于将DC-DC转换器转换完成的+9V电压转换成+5V电压；所述线性稳压控制器还用于将自身转换完成的+5V电压转换成3.3V电压；

所述基准电压芯片用于将线性稳压控制器转换完成的+5V电压转换成+2.5V电压，作为所述信号发生器中相应器件的参考电压。

5.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，所述控制模块的外围电路包括人机交互模块。

6.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，所述控制模块的外围电路包括切换按键和复位按键，所述切换按键用于设定编程模式，所述复位按键用于对所述信号发生器进行复位。

7.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，所述控制模块的外围电路包括电源指示灯，用于在上电之后指示灯亮起指示工作状态。

8.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，所述控制模块的外围电路包括JATG烧写口，用于烧录程序。

9.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，所述控制模块的外围电路包括晶振电路，用于为所述控制模块提供时钟。

10.根据权利要求1或2所述的信号发生器，其特征在于，所述控制模块的外围电路包括看门狗电路，用于防止程序跑飞。