一种基于DDS的100M高精度便携信号发生器的制作方法

本实用新型涉及仪器仪表技术领域，具体为一种基于dds的100m高精度便携信号发生器。

背景技术：

信号发生器在科研领域和生产实践中有着广泛的应用，在模拟信号或者模拟数字混合信号应用领域，任意波形发生器(awg)有着非常普遍和广范的应用。比如产生激励信号来模拟某种传感器，例如汽车碰撞实验的复现，或者产生高速模拟信号来测试某种芯片的功能。从简单的正弦波产生到复杂一点的am/fm调制信号，再到更加复杂的qam调制信号等都有着任意波形发生器的应用。一般为函数信号发生器，提供特定的函数信号波形，如正弦信号，三角波和可编程的任意波形等。又或者传统的高频信号发生器，用以产生高达上ghz的高频，高dbm正弦信号。常见的信号发生器在通信系统领域中有多种用途，如正弦信号主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及系统响应灵敏度等；高频信号发生器产生的频率为30～300兆赫甚高频的信号用于测量各种接收机的技术指标；高宽带的信号用于测试信号处理系统的带宽，噪声特性，对信号的处理能力以及进行信号完整性分析；矩形脉冲信号可用以测试线性系统的瞬态响应。模拟信号也可以用来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。

常见的信号发生器为函数信号发生器和高频信号发生器，即dds型(直接数字频率合成器)和模拟调制型(振荡器等一系列模拟电路组成)。已有的方案多采用fpga，写入dds内核，作为核心的信号发生器部分，再采用后级多级跟随电路以及根据反馈信号，对输出信号进行一系列处理；但是目前技术中存在有后级电路过于复杂，为配合fpga输出的基本信号，加入了一系列的反馈环节和后级信号处理电路，导致设计难度大幅度增加，同时造成了设备体积，质量的增加。由于对电源要求的严格，造成设备无法采用较低的输入电压低压供电，造成不便携性；部分芯片需要超高的电压供电，有的甚至高达40v，造成电路设计上在电源方面有过多考究；电路的复杂性同时造成了设备的不便携性。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种基于dds的100m高精度便携信号发生器，具有输出频率覆盖带宽高，具有低步进值，高精准频率输出；在高频情况下仍然可以具备高幅度与dbm信号输出；具备至少三种波形可选，并且具备多通道输出功能；信号输出稳定性以及系统整体抗干扰特性和具有合理化的便携性与操作简便性等优点，用以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种基于dds的100m高精度便携信号发生器，包括控制模块，所述控制模块上电性连接有显示模块，所述控制模块上电性连接有电源模块，所述控制模块上电性连接有dds模块，所述dds模块电性连接有高阶滤波器，所述高阶滤波器电性连接有程控放大，所述程控放大电性连接有宽带放大，所述宽带放大电性连接有整形变换输出。

优选的，所述控制模块采用32位mcustm32f407/f103驱动dds模块，所述dds模块包括基准信号的调幅，调频，移相，多阶调制以及选通通道输出等基本驱动代码的编写，所述dds模块上电性连接有源晶振和多组电容电阻。

优选的，所述dds模块电性连接前置的射频变压器，所述射频变压器采用adtt1-1芯片，且射频变压器的一端电性连接有高阶椭圆滤波器，所述高阶椭圆滤波器设置成七阶椭圆滤波器，所述高阶椭圆滤波器电性连接有后级信号处理电路。

优选的，所述后级信号处理电路中包括有迟滞比较器，所述迟滞比较器中电性连接有tlv3502高速轨至轨比较器，所述迟滞比较器中电性连接有正反馈电路，所述迟滞比较器后电性连接有次级调幅电路，所述次级调幅电路中电性连接有数字步进衰减器hmc624，所述后级信号处理电路中包括有三角波发生器驱动电路，所述三角波发生器驱动电路中采用adi半导体的ad9833dds芯片。

优选的，所述电源模块采用单变压器进行减压，所述单变压器上电性连接有线性ldo，所述电源模块电性连接有锂电池组。

优选的，所述锂电池组采用max8903锂电池充放电智能管理芯片作为充电电路的控制芯片，所述max8903锂电池充放电智能管理芯片电性连接有升压电路，所述升压电路上电性连接有升压器芯片tps61230，所述升压电路后电性连接有稳压电路，所述稳压电路采用的是ams1117稳压芯片。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

1、便携式的设计：现有的技术方案多为保证电源稳定而采用多变压器等降压方案，而本发明则采用单变压器，附带多级的ldo线性稳压器降压电路，在不失正常工作状态的情况下适当降低功率换取便携性的体积与重量。

2、合理性且更低成本的核心信号源方案：dds(直接数字频率合成器)芯片已经普遍应用于各种领域与产品之中，性能并不逊色于传统的以fpga作为基本信号源，且采用直接数字频率合成器所需的维护成本(综合开发成本与器件成本)远低于采用fpga，因为fpga需要以硬件描述语言为工作基础，而dds器件为内部电路固定的器件。

3、更简洁的后级处理电路：由于以fpga为核心信号源的方案，为保证能够正常输出所需要的对应频率，幅值和相位的波形，需要一系列复杂的反馈处理电路，采用dds器件可有效缩减此类反馈环节，直接对信号进行一系列处理。

4、摆脱传统仪器供电方式的束缚：本发明的一大核心内容为设置了一系列的升降压以及锂电池充放电电路，作用及目的为冲击传统的各类仪器仪表的ac交流降压供电方式。虽说传统供电方式可以有效保证系统稳定工作，保证仪器精确度，但是在高速生活节奏和工作状态下，显然人们越来越希望可以把更多东西装进口袋与背包里，以达到更高效，轻松的工作状态；以及为了应变多种环境下的诉求，传统供电模式应该尝试被打破。对比传统的供电模式，本发明采用较为新颖的集成ic间相互配合协调的电源设计思路，通过一系列限制电路与电源管理方式，模拟多种应用情景，设计制作一个尽可能高效合理的移动供电方案。即使受移动能量块的储能限制，仅能为大功耗仪器提供短暂的供电时间，也不失为迈向创新的一小步。

附图说明

图1为本实用新型的基本硬件框图；

图2为本实用新型的dds器件驱动电路；

图3为本实用新型的高阶椭圆滤波器；

图4为本实用新型的迟滞比较器电路；

图5为本实用新型的ad9833三角波发生器驱动电路；

图6为本实用新型的锂电池升压电路；

图7为本实用新型的锂电池充放电及电源管理电路。

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。

在不同附图中以相同标号来标示相同或类似组件；另外请了解文中诸如“第一”、“第二”、“第三”、“上”、“下”、“前”、“后”、“内”、“外”、“端”、“部”、“段”、“宽度”、“厚度”、“区”等等及类似用语仅便于看图者参考图中构造以及仅用于帮助描述本实用新型而已，并非是对本实用新型的限定。

请参阅图1-7，本实用新型提供一种技术方案：一种基于dds的100m高精度便携信号发生器，包括控制模块，所述控制模块上电性连接有显示模块，该处的显示模块采用的是lcd液晶显示器，可以将信号发生器的波形显示出来；所述控制模块上电性连接有电源模块，该处的电源模块实现供电和对锂电池充电；所述控制模块上电性连接有dds模块，该处的dds模块作为核心信号源用于产生信号；所述dds模块电性连接有高阶滤波器，所述高阶滤波器电性连接有程控放大，该处的程控放大作为第一放大，将信号放大到1vpp左右；所述程控放大电性连接有宽带放大，该处的宽带放大作为第二级放大，增益为固定增益；所述宽带放大电性连接有整形变换输出。

具体的，所述控制模块采用32位mcustm32f407/f103驱动dds模块，所述dds模块包括基准信号的调幅，调频，移相，多阶调制以及选通通道输出等基本驱动代码的编写，所述dds模块上电性连接有源晶振和多组电容电阻，该很处的有源晶振和各种电容电阻可以有效的将带噪声和各种杂波，且mcustm32f407/f103可以控制dds模块产生信号波。

具体的，所述dds模块电性连接前置的射频变压器，所述射频变压器采用adtt1-1芯片，且射频变压器的一端电性连接有高阶椭圆滤波器，所述高阶椭圆滤波器设置成七阶椭圆滤波器，所述高阶椭圆滤波器电性连接有后级信号处理电路，该处的射频变压器将输出的电流信号转化为电压信号，电压信号在通过高阶椭圆滤波器预处理之后交给后级信号处理电路。

具体的，所述后级信号处理电路中包括有迟滞比较器，所述迟滞比较器中电性连接有tlv3502高速轨至轨比较器，所述迟滞比较器中电性连接有正反馈电路，所述迟滞比较器后电性连接有次级调幅电路，所述次级调幅电路中电性连接有数字步进衰减器hmc624，所述后级信号处理电路中包括有三角波发生器驱动电路，所述三角波发生器驱动电路中采用adi半导体的ad9833dds芯片，该处的迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，并且迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。

具体的，所述电源模块采用单变压器进行减压，所述单变压器上电性连接有线性ldo，所述电源模块电性连接有锂电池组，该处采用单变压器减压，将200～240vac电源转为18vdc电源，在保证仪器正常工作的情况下，功率可高达20w以上。

具体的，所述锂电池组采用max8903锂电池充放电智能管理芯片作为充电电路的控制芯片，所述max8903锂电池充放电智能管理芯片电性连接有升压电路，所述升压电路上电性连接有升压器芯片tps61230，所述升压电路后电性连接有稳压电路，所述稳压电路采用的是ams1117稳压芯片，该处的升压电路主要用于满足当配备3.7v锂电池作为电源为系统供电时，所需要的达到5v之后再降压的这一基本需求。

工作流程：

1.采用32位mcustm32f407/f103驱动dds器件：驱动器件包括基准信号的调幅，调频，移相，多阶调制以及选通通道输出等基本驱动代码的编写，基本硬件驱动电路如图2。

2.驱动dds器件之后，每个通道获得两个电流信号输出，通过前置射频变压器，将输出的电流信号转化为电压信号后，通过七阶椭圆滤波器进行预处理之后交给后级信号处理电路，该部分的电路原理图如图3所示。

3.该发明旨在产生三种基本信号，正弦波，方波，三角波，以下按照每单一种波形进行讨论，先讨论正弦波的设计思路。

正弦波：正弦波按照要求，除了输出高端函数信号发生器才具备的100m及此带宽以上的频率以外，还需具备一定的输出幅度与射频功率(dbm)，而受器件幅频特性影响，将dds器件产生的信号直接输出并无法满足此需求，因此通过设置一系列后级处理电路，对高频正弦波进行分级处理后再输出，主要分级处理包括以下几点：

(1)通过椭圆滤波器后，进行第一级放大：即程控放大，将信号放大到1vpp左右；

(2)通过电流反馈型或电压反馈型宽带放大器，设置第二级增益，增益为固定增益，设置在10～20db左右；

(3)末级通过高频射频功率放大器设置固定或压变式可调增益，增益设置为1～5倍，可确保在高度还原信号的情况推动高频输出信号达到本设备的功率要求；

(4)至此，正弦波的调理基本完成，末级输出电路可根据实际情况再次设置高阶无源滤波器，应注意经过无源系统时造成的信号时延，反射，震荡等问题，根据实际情况选择。

4.第二种需求波形是方波，可以先了解现有的几种方波的产生形式，比如dac直接输出方波，或者迟滞比较器，单门限比较器，双门限比较器等：

(1)参考迟滞比较器电路，也是本发明作为产生方波的主要电路，如图4所示。迟滞比较器加有正反馈可以加快比较器的响应速度，这是它的一个优点。除此之外，由于迟滞比较器加的正反馈很强，远比电路中的寄生耦合强得多，故迟滞比较器还可免除由于电路寄生耦合而产生的自激振荡。采用ti(德州仪器半导体)公司的tlv3502高速轨至轨比较器用以构成迟滞比较器电路产生方波，无疑是本发明作为方波信号器的不二选择。

(2)方波信号产生后，不难得出，由于为比较器输出信号，该波形为幅值固定在5vpp的方波信号，若直接输出并不能达到调幅的需求。因此需要次级调幅电路，采用数字步进衰减器hmc624进行衰减调幅，完善方波输出。

5.第三种波形为三角波：

三角波有两种常见的产生方法，即直接dds输出(dac型)与积分器输出。经过比较方案之后不难得出，积分器通过对正弦波进行积分，在几十k到几百khz之后，系统响应迟滞严重，无法达到所需的积分效果就输出波形，导致输出波形仍然为正弦波或失真波形，并不能为项目带来较好的三角波型输出，这也是市面上绝多数普通的函数信号发生器将三角波输出频率带宽限制于0～500khz甚至更低的原因。因此本项目为保证能够达到尽可能高的三角波波形输出，采用adi半导体的ad9833dds(直接数字频率合成器)芯片，作为单一的三角波输出信道，提供稳定，高频率的三角波输出(可高达2m)，参照图5所示。

6.项目的另一核心技术在于，如何设计，验证便携式仪器的供电方案，以下即为供电方案的描述。

降压电路：基本仪器应具备将200v～240vac交变电压转化为低压直流电源的典型减压及稳压电路，再结合便携性的重量，体积考虑，本发明采用单变压器减压，将200～240vac电源转为18vdc电源，在保证仪器正常工作的情况下，功率可高达20w以上。以18v电压为基本电压，通过降压并驱动更多的典型电压值电源电路的线性ldo(5v，3.3v，2.5v，1.8v)，为不同器件提供稳定电压。

7.升压电路：升压电路主要用于满足当配备3.7v锂电池作为电源为系统供电时，所需要的达到5v之后再降压的这一基本需求。升压电路常常面临的基本问题是功率不足。本发明采用ti(德州仪器半导体)的升压器芯片tps61230，输出高达5v4a，在压力测试之后，可以满足本发明的基本需求。参考电路如图6所示。

8.锂电池充放电电路：锂电池充放电电路用于当切换成锂电池供电之后，锂电池电量不足，需要在充电的同时为系统供电，或者切换成外接电源供电的情况下同时为锂电池充电这两种情况，实则为同一情况，即既可以同时充电又同时为系统供电。本发明采用的是专注电源管理的maxim半导体的max8903锂电池充放电智能管理芯片作为充电电路的核心部件，联合后级升压电路，参照图7所示电路图，为锂电池升压，充电电路的完整设计思路，即可满足多种情况下的电源管理需求。

9.信号的输出设置，包括幅度设置，频率设置，相位设置，均由mcustm32f1/f4搭配轻触按键，触摸显示屏来完成。

10.具有一定强度和抗干扰性的外壳，配合solidworks3d建模以及3d打印技术完成。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。