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函數(shù)信號發(fā)生器使用方法

發(fā)布時間:2011-06-01

中心議題:

  • 函數(shù)信號發(fā)生器使用方法

信號發(fā)生器一般區(qū)分為函數(shù)信號發(fā)生器及任意波形發(fā)生器,而函數(shù)波形發(fā)生器在設計上又區(qū)分出模擬及數(shù)字合成式。眾所周知,數(shù)字合成式函數(shù)信號源無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比(S/N)均優(yōu)于模擬,其鎖相環(huán)( PLL)的設計讓輸出信號不僅是頻率精準,而且相位抖動(phase Jitter)及頻率漂移均能達到相當穩(wěn)定的狀態(tài),但畢竟是數(shù)字式信號源,數(shù)字電路與模擬電路之間的干擾,始終難以有效克服,也造成在小信號的輸出上不如模擬式的函數(shù)信號發(fā)生器。

這是通用模擬式函數(shù)信號發(fā)生器的結構,是以三角波產生電路為基礎經(jīng)二極管所構成的正弦波整型電路產生正弦波,同時經(jīng)由比較器的比較產生方波,換句話說,如果以恒流源對電容充電,即可產生正斜率的斜波。
 
在占空比調整上的設計有下列兩種思路:  

改變電平的幅度,亦即改變方波產生電路比較器的參考幅度,即可達到改變脈寬而頻率不變的特性,但其最主要的缺點是占空比一般無法調到20%以下,導致在采樣電路實驗時,對瞬時信號所采集出來的信號有所變動,如果要將此信號用來作模數(shù)(A/D)轉換,那么得到的數(shù)字信號就發(fā)生變動而無所適從。但不容否認的在使用上比較好調。  

占空比變,頻率跟著改變,其方法如下:  

將方波產生電路比較器的參考幅度予以固定(正、負可利用電路予以切換),改變充放電斜率,即可達成。  
  
這種方式的設計一般使用者的反應是 “難調”,這是大缺點,但它可以產生10%以下的占空比卻是在采樣時的必備條件。  
  
以上的兩種占空比調整電路設計思路,各有優(yōu)缺點,當然連帶的也影響到是否能產生“像樣的”鋸齒波。  
  
接下來PA(功率放大器)的設計。首先是利用運算放大器(OP) ,再利用推拉式 (push-pull)放大器(注意交越失真Cross-distortion的預防)將信號送到衰減網(wǎng)路,這部分牽涉到信號源輸出信號的指標,包含信噪比、方波上升時間及信號源的頻率響應,好的信號源當然是正弦波信噪比高、方波上升時間快、三角波線性度要好、同時伏頻特性也要好,(也即頻率上升,信號不能衰減或不能減太大),這部分電路較為復雜,尤其在高頻時除利用電容作頻率補償外,也牽涉到PC板的布線方式,一不小心,極易引起振蕩,想設計這部分電路,除原有的模擬理論基礎外尚需具備實際的經(jīng)驗,“Try Error”的耐心是不可缺少的。  
  
PA信號出來后,經(jīng)過π型的電阻式衰減網(wǎng)路,分別衰減10倍(20dB)或100倍(40dB),此時一部基本的函數(shù)波形發(fā)生器即已完成。(注意:選用π型衰減網(wǎng)絡而不是分壓電路是要讓輸出阻抗保持一定)。  
  
一臺功能較強的函數(shù)波形發(fā)生器,還有掃頻、VCG、TTL、 TRIG、 GATE及頻率計等功能,其設計方式在此也順便一提:  
  
1. 掃頻:一般分成線性(Lin)及對數(shù)(Log)掃頻;  
  
2. VCG:即一般的FM,輸入一音頻信號,即可與信號源本身的信號產生頻率調制;  
  
上述兩項設計方式,第1項要先產生鋸齒波及對數(shù)波信號,并與第2項的輸入信號經(jīng)過多路器 (Multiplexer)選擇,然后再經(jīng)過電壓對電流轉換電路,同步地去加到I1、I2上;  
  
3. TTL同步輸出:將方波經(jīng)三極管電路轉成0(Low)、5V(High)的TTL信號即可。  
  
但注意這樣的TTL信號須再經(jīng)過緩沖門(buffer)后才能輸出,以增加扇出數(shù)(Fan Out),通常有時還并聯(lián)幾個buffer。而TTL INV則只要加個NOT Gate即可;  
  
4. TRIG功能:類似One Shot功能,輸入一個TTL信號,則可讓信號源產生一個周期的信號輸出,設計方式是在沒信號輸入時,將圖二的SWI接地即可;  
  
5. Gate功能:即輸入一個TTL信號,讓信號源在輸入為Hi時,產生波形輸出,直到輸入為LOW時,圖二SWI接地而關掉信號源輸出;  
  
6. 頻率計:除市場上簡易的刻度盤顯示之外,無論是LED數(shù)碼管或LCD液晶顯示頻率,其與頻率計電路是重疊的.   

任意波形發(fā)生器,仿真實驗的最佳儀器  
  
任意波形發(fā)生器是信號源的一種,它具有信號源所有的特點。我們傳統(tǒng)都認為信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號(各種波形),然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)??梢娦盘栐丛陔娮訉嶒灪蜏y試處理中,并不測量任何參數(shù)而是根據(jù)使用者的要求,仿真各種測試信號,提供給被測電路,以達到測試的需要。  
  
信號源有很多種,包括正弦波信號源,函數(shù)發(fā)生器、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器、任意波形發(fā)生器、合成信號源等。一般來講任意波形發(fā)生器,是一種特殊的信號源,綜合具有其它信號源波形生成能力,因而適合各種仿真實驗的需要。  
  
一、函數(shù)功能,仿真基礎實驗室設計人員的環(huán)境  
  
函數(shù)信號源是使用最廣的通用信號源,它能提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖串等波形,有的還同時具有調制和掃描能力,眾所周知,在我們的基礎實驗中(如大學電子實驗室、科研機構研究實驗室、工廠開發(fā)實驗室等),我們設計了一種電路,需要驗證其可靠性與穩(wěn)定性,就需要給它施加理想中的波形以辨別真?zhèn)?。如我們可使用信號源的DC補償功能對固態(tài)電路控制DC偏壓電平;我們可對一個懷疑有故障的數(shù)字電路,利用信號源的方波輸出作為數(shù)字電路的時鐘,同時使用方波加DC補償產生有效的邏輯電平模擬輸出,觀察該電路的運行狀況,而證實故障缺陷的地方。總之利用任意波形發(fā)生器這方面的基礎功能,能仿真您基礎實驗室所必須的信號。  
  
二、任意波形,仿真模擬更復雜的信號要求  
  
眾所周知,在我們實際的電子環(huán)境所設計的電路在運行中,由于各種干擾和響應的存在,實際電路往往存在各種信號缺陷和瞬變信號,例如過脈沖、尖峰、阻尼瞬變、頻率突變等(見圖1,圖2),這些情況的發(fā)生,如在設計之初沒有考慮進去,有的將會產生災難性后果。例如圖1中的a處過尖峰脈沖,如果給一個抗沖能力差的電路,將可能會導致整個設備“燒壞”。確認電路對這樣一個狀況敏感的程度,我們可以避免不必要的損失,該方面的要求在航天、軍事、鐵路和一些情況比較復雜的重要領域尤其重要。  
  
由于任意波形發(fā)生器特殊的功能,為了增強任意波形生成能力,它往往依賴計算機通訊輸出波形數(shù)據(jù)。在計算機傳輸中,通過專用的波形編輯軟件生成波形,有利于擴充儀器的能力,更進一步仿真模擬實驗。同時由于編輯一個任意波形有時需要花費大量的時間和精力,并且每次編輯波形可能有所差異這樣有的任意波形發(fā)生器,內置一定數(shù)量的非易失性存儲器,隨機存取編輯波形,有利于參考對比;或通過隨機接口通訊傳輸?shù)接嬎銠C作更進一步分析與處理。  
  
三、下載傳輸,更進一步實時仿真  
  
在一些軍事、航空、交通制造業(yè)等領域中,有些電路運行環(huán)境很難估計,在實驗設計完成之后,在現(xiàn)實環(huán)境還需要作更進一步實驗,有些實驗的成本很高或者風險性很大(如火車高速實驗時鐵軌變換情況、飛機試機時螺旋槳的運行情況等),人們不可能長期作實驗判斷所設計產品(例如高速火車、飛機)的可行性和穩(wěn)定性等;我們就可利用有些任意波形發(fā)生器波形下載功能,在作一些麻煩費用高或風險性大的實驗時,通過數(shù)字示波器等儀器把波形實時記錄下來,然后通過計算機接口傳輸?shù)叫盘栐矗苯酉螺d到設計電路,更進一步實驗驗證。  
  
綜上所述,任意波形發(fā)生器是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具。我們選購時除關心傳統(tǒng)信號源的缺陷——頻率精度、頻率穩(wěn)定度、幅度精度、信號失真度外,更應關心它編輯與波形生存和下載能力,同時也要注意它的輸出通道數(shù),以便同步比較兩信號的相移特性,更進一步達到仿真實驗狀態(tài)。  

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