函数信号发生器知识大全

分享到:
点击量: 206369

函数信号发生器概述

  信号发生器又称信号源或振荡器,在生产实践和科技领域中有着广泛的应用。各种波形曲线均可以用三角函数方程式来表示。能够产生多种波形,如三角波、锯齿波、矩形波(含方波)、正弦波的电路被称为函数信号发生器。函数信号发生器在电路实验和设备检测中具有十分广泛的用途。例如在通信、广播、电视系统中,都需要射频(高频)发射,这里的射频波就是载波,把音频(低频)、视频信号或脉冲信号运载出去,就需要能够产生高频的振荡器。函数信号发生器的实现方法有多种,利用专用直接数字合成DDS芯片的函数发生器:能产生任意波形并达到很高的频率,但其成本较高。

  

函数信号发生器的电路结构

  信号发生器一般区分为函数信号发生器及任意波形发生器,而函数信号发生器在设计上又区分出模拟及数字合成式。众所周知,数字合成式函数信号源无论就频率、幅度乃至信号的信噪比(S/N)均优于模拟,其锁相环( PLL)的设计让输出信号不仅是频率精准,而且相位抖动(phase Jitter)及频率漂移均能达到相当稳定的状态,但毕竟是数字式信号源,数字电路与模拟电路之间的干扰,始终难以有效克服,也造成在小信号的输出上不如模拟式的函数信号发生器.

  这是通用模拟式函数信号发生器的结构,是以三角波产生电路为基础经二极管所构成的正弦波整型电路产生正弦波,同时经由比较器的比较产生方波,换句话说,如果以恒流源对电容充电,即可产生正斜率的斜波。同理,右以恒流源将储存在电容上的电荷放电即产生负斜率的斜波,电路结构如下:

  当I1 =I2时,即可产生对称的三角波,如果I1 > >I2,此时即产生负斜率的锯齿波,同理I1 < < I2即产生正斜率锯齿波。

  开关SW1的选择即可让充电速度呈倍数改变,也就是改变信号的频率,这也就是信号源面板上频率档的选择开关。同样的同步地改变I1及I2,也可以改变频率,这也就是信号源上调整频率的电位器,只不过需要简单地将原本是电压信号转成电流而已。

  

函数信号发生器的设计

  函数信号发生器在占空比调整上的设计有下列两种思路:

  1、改变电平的幅度,亦即改变方波产生电路比较器的参考幅度,即可达到改变脉宽而频率不变的特性,但其*主要的缺点是占空比一般无法调到20%以下,导致在采样电路实验时,对瞬时信号所采集出来的信号有所变动,如果要将此信号用来作模数(A/D)转换,那么得到的数字信号就发生变动而无所适从。但不容否认的在使用上比较好调。

  2、占空比变,频率跟着改变,其方法如下:

  将方波产生电路比较器的参考幅度予以固定(正、负可利用电路予以切换),改变充放电斜率,即可达成。

  这种方式的设计一般使用者的反应是“难调”,这是大缺点,但它可以产生10%以下的占空比却是在采样时的必备条件。

  以上的两种占空比调整电路设计思路,各有优缺点,当然连带的也影响到是否能产生“像样的”锯齿波。

  接下来PA(功率放大器)的设计:

  首先是利用运算放大器(OP) ,再利用推拉式(push-pull)放大器(注意交越失真Cross-distortion的预防)将信号送到衰减网路,这部分牵涉到信号源输出信号的指标,包含信噪比、方波上升时间及信号源的频率响应,好的信号源当然是正弦波信噪比高、方波上升时间快、三角波线性度要好、同时伏频特性也要好,(也即频率上升,信号不能衰减或不能减太大),这部分电路较为复杂,尤其在高频时除利用电容作频率补偿外,也牵涉到PC板的布线方式,一不小心,极易引起振荡,想设计这部分电路,除原有的模拟理论基础外尚需具备实际的经验,“Try Error”的耐心是不可缺少的。

  PA信号出来后,经过π型的电阻式衰减网路,分别衰减10倍(20dB)或100倍(40dB),此时一部基本的函数波形发生器即已完成。(注意:选用π型衰减网络而不是分压电路是要让输出阻抗保持一定)。

  一台功能较强的函数波形发生器,还有扫频、VCG、TTL、 TRIG、 GATE及频率计等功能,其设计方式在此也顺便一提:

  1. 扫频:一般分成线性(Lin)及对数(Log)扫频;

  2. VCG:即一般的FM,输入一音频信号,即可与信号源本身的信号产生频率调制;

  上述两项设计方式,第1项要先产生锯齿波及对数波信号,并与第2项的输入信号经过多路器(Multiplexer)选择,然后再经过电压对电流转换电路,同步地去加到图二中的I1、I2上;

  3. TTL同步输出:将方波经三极管电路转成0(Low)、5V(High)的TTL信号即可。

  但注意这样的TTL信号须再经过缓冲门(buffer)后才能输出,以增加扇出数(Fan Out),通常有时还并联几个buffer。而TTL INV则只要加个NOT Gate即可;

  4. TRIG功能:类似One Shot功能,输入一个TTL信号,则可让信号源产生一个周期的信号输出,设计方式是在没信号输入时,将图二的SWI接地即可;

  5. Gate功能:即输入一个TTL信号,让信号源在输入为Hi时,产生波形输出,直到输入为LOW时,图二SWI接地而关掉信号源输出;

  6. 频率计:除市场上简易的刻度盘显示之外,无论是LED数码管或LCD液晶显示频率,其与频率计电路是重叠的.

  

DDS函数信号发生器的优点

  在电子行业的基础设施和制造等领域,函数信号发生器都是有效的通用仪器。它可以生成不同频率和幅度的大量信号,用来评估新电路的运行情况,代替时钟信号,对新产品进行制造测试,及用于许多其它用途。

  自**部正弦波发生器问世以来,函数信号发生器的设计已经发生了多次演进,在当前数字领域中,大多数新型函数发生器(如Agilent 33220A)正采用一种新技术,称为直接数字合成(DDS)。DDS在大部分操作中使用数字电路,从而提供了数字操作拥有的许多优势。由于信号只在合成的*后阶段转换到模拟域中,所以在多个方面降低了函数信号发生器的复杂度,提高了函数信号发生器的稳定性。

  从本质上看,DDS是一个以恒定高频率运行的多位计数器。在溢出时,通过利用一个多位控制字来设置计数器步进的尺寸,允许计数器过零。计数器的高阶位用来寻址存储设备,该设备保持有生成的一个波形周期的数字记录。高频时钟每前进一单位,计数器便步进一次,存储器也将生成一个新的地址字,而新的波形数据值将会发送到DAC。DAC输出的是取样模拟波形,该波形经重构滤波器之后由发生器输出。

  DDS的主要优点之一是输出信号的频率精度可以达到作为发生器参考信号使用的晶体控制振荡器的水平。如果想实现更高的精度,也可以采用函数信号发生器本身的温度补偿晶体振荡器产生。这些信号可以提供高于0.1PPM的频率精度。在许多情况下,函数信号发生器还可以把频率锁定到外部实验室频率参考源上,从而生成超高精度的信号。

  在许多实验室工作台上,另一部仪器如频率计数器可以提供***的恒温器控制的时钟振荡器,其输出参考信号可以作为DDS 函数信号发生器的参考信号使用。在其它高精度测量实验室中,将通过在每个工作台上探测10 MHz 标准频率参考信号,以实现这一目的。根据数字电路的特点,DDS电路可以锁定在这一频率,从而提供与参考标准一样**的信号。

  DDS的**个优点与**个优点相关:DDS发生器可以生成非常高的频率精度。DDS函数信号发生器的数字电路可以实现与数字电路相同的频率精度。如果DDS电路有一个48位计数器,它可以提供高达48位的频率分辨率,而且日前,某些DDS合成器使用了位数更多及分辨率更高的计数器。

  这种高分辨率意味着函数信号发生器能够准确地生成希望的输出频率,同时这还意味着发生器可以非常**地改变频率。特别适合在通信、海量存储和类似应用中评估定时电路。目前能够生成几十MHz、分辨率为1mHz的DDS 函数信号发生器并不少见。

  由于所有的波形都是以数字方式生成的,因此函数信号发生器中的调制功能、扫描功能和突发生成功能都受到数字控制,并可以以非常高的精度进行设置。不仅可以**地设置/改变频率和定时,还可以**地设置/改变相位和幅度。

  DDS的第三个优点是如果拥有RAM波形存储器,那么DDS函数信号发生器可以重现几乎任何波形。DDS 发生器通过播放存储器中存储的波形来运行。如果存储器是只读存储器,那么只能生成ROM中存储的波形。一般来说,每个函数信号发生器中都会内置正弦波、方波、三角波和类似的波形。但是对于占空比为10%的方波,或对称性为58%的三角波(而不是50%),仅带有只读存储器的DDS发生器则无法实现。不过如果DDS电路有存储波形的RAM,那么控制器电路可以把任何波形写入RAM,并通过合成器重放波形。

  因此,函数信号发生器现在的功能要远远超过传统函数信号发生器。对称性可变的波形现在已是标配功能,另外还可以内置各种不常见的波形,如指数上升和下降型波形或正弦脉冲型波形等。

  把这种RAM概念再推进一步,假设工程师需要测试独有的某个特定波形,*新的函数信号发生器可以把客户指定的波形加载到DDS引擎的RAM中,由合成器进行播放。这为函数信号发生器提供了生成任意波形的额外功能。这种功能特别有用,并能得到包括Matlab、MathCad、Excel和类似的软件文件格式及示波器波形捕获文件等多种波形读取软件的支持。

  *新的函数信号发生器利用了DDS的优势,能够把多台不同仪器中的功能融合到一部仪器中。基于DDS的函数信号发生器现在不仅可以执行函数信号发生器的功能,还可以执行任意波形发生器(ARB)的功能。除此之外,某些仪器还是功能强大的脉冲发生器。这些功能将会给传统测试方案带来一次**。