[發明專利]一種可以產生同步信號的信號發生器及其方法

有效

• 申請號: 201110431518.7
• 申請日: 2011-12-21
• 公開（公告）號: CN103178841B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發明（設計）人: 丁新宇;王悅;王鐵軍;李維森
• 申請（專利權）人: 北京普源精電科技有限公司
• 主分類號: H03L7/10
• 分類號: H03L7/10
• 代理公司: 北京三友知識產權代理有限公司 11127
• 代理人: 任默聞

技術領域

本發明涉及測試測量技術領域，特別是一種可以產生同步信號的信號發生器及其方法。

背景技術

信號發生器作為一種信號源，因其能夠產生不同頻率、不同形狀的波形，在電子系統的測量、校驗及維護中得到了廣泛的應用。信號發生器不僅輸出波形，為了便于用戶的測試測量，同時還輸出同步信號。在電子、通信、計算機等領域，同步信號具有各種各樣的定義。在本發明中，同步信號特指同步于信號發生器輸出波形的一個脈沖信號。

隨著可編程邏輯技術的發展，很多廠商都采用DDS技術和FPGA技術實現信號發生器。直接數字合成(Direct?Digital?Synthesis，以下簡稱DDS)是目前頻率合成中的一種主要技術，具有低成本、高分辨率、快速轉換時間、可以產生任意波形以及切換時輸出波形相位連續等特點，在信號發生器設計中被廣泛采用。

圖1是一個典型的在FPGA內部實現DDS功能的信號發生器的簡化結構，其產生波形和同步信號的原理如下：

FPGA201內部實現了N位相位累加器211和波形存儲器212；在時鐘脈沖Fc的控制下，N位相位累加器211累加頻率控制字K得到相碼，相碼作為讀地址來尋址波形存儲器212進行相碼-幅碼變換，從而輸出不同的幅度編碼，再經過數模變換器DAC202得到相應的階梯波，最后經過包括低通濾波器在內的模擬電路203處理后，即得到連續變化的輸出波形。輸出波形的頻率等于Fc*K/2^N。

當信號發生器輸出基本波時，取相碼的最高位(MSB)作為同步信號。顯然，同步信號的頻率與輸出波形的頻率是相同的。當信號發生器工作于其它模式時，例如輸出調制信號、脈沖串(Burst)、掃頻，則輸出其它信號作為同步信號。二者通過同步信號選擇器213選擇一個作為同步信號。

圖1產生同步信號的方式比較簡單，目前還有很多產品采用如圖2所示的方案產生同步信號。

在產生波形方面，圖2中的301、302、303以及311、312與圖1中對應的201、202、203以及211、212是完全相同的。但圖2產生同步信號的原理有很大不同，具體如下：

(1)相碼的最高位不再作為同步信號選擇器的一個選項，也就是不會再用作基本波的同步信號；

(2)模擬電路303不僅要輸出波形，還將經過處理的模擬波形321送給比較器304；

(3)通過電壓比較，比較器304將模擬量的輸入波形321轉換為相同頻率的脈沖信號322；

(4)脈沖信號322可用作基本波的同步信號直接輸出，但與圖1一樣，采用一個同步信號選擇器313將脈沖信號322與其它模式的同步信號作選擇后再輸出。

圖1所示方案的結構簡單，無需比較器，常用于低端的信號發生器。不過圖1方案的同步信號的脈沖寬度存在較大的抖動。圖3是同步信號脈沖寬度抖動的示意圖。簡單起見，以4比特位寬的相位累加器為例，假設頻率控制字等于3，則在周期為Tc的時鐘脈沖下，相位累加器輸出的相碼為0、3、6、9……。以相碼的MSB作為同步信號，也就是相碼小于8時同步信號為高電平，大于等于8時為低電平。圖3中的3個周期的同步信號的脈沖寬度分別是3Tc、2Tc、3Tc，因此，存在較大的脈沖寬度抖動。當信號發生器輸出波形的頻率越高，即輸出波形每周期的樣點越少，則同步信號的這種抖動越大。

圖2所示方案的優點是同步信號的抖動很小、適用于高頻輸出，但存在如下缺陷：

(1)同步信號與輸出波形之間有較大時延，且同步信號滯后于輸出波形。這個時延主要包括：波形321經過比較器的延時、比較器輸出的脈沖信號322到FPGA內部的同步信號選擇器的延時、同步信號選擇器到最終輸出同步信號的延時。其中FPGA內部的布線延時是最主要的，通常超過10納秒；如果不能合理分配FPGA管腳，則最終的時延可高達幾十納秒。

(2)不適用于非標準函數波形的任意波。例如當輸出波形是阻尼振蕩波形時，在一個周期內比較器會比較輸出多個高電平，這樣的脈沖信號是不能作為同步信號使用的。

(3)不適用于低頻輸出。比較器對擺率有要求，例如比較器ADCMP561要求1V/1uS的擺率，只能支持頻率幾百KHz的信號。因此，當信號發生器的輸出波形頻率較低時，不能正確輸出同步信號。

綜上所述，無論上述何種現有信號發生器均在不同方面存在問題，目前尚沒有一種既能解決同步信號脈沖寬度的抖動問題，又能適用于任意形狀、任意頻率的波形的產生同步信號的信號發生器。

發明內容