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認(rèn)識函數(shù)信號發(fā)生器
2020-06-11
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(shè)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(shè)計讓輸出信號不僅是頻率精準(zhǔn)，而且相位抖動(phase Jitter)及頻率漂移均能達(dá)到相當(dāng)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).
這是通用模擬式函數(shù)信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，是以三角波產(chǎn)生電路為基礎(chǔ)經(jīng)二極管所構(gòu)成的正弦波整型電路產(chǎn)生正弦波，同時經(jīng)由比較器的比較產(chǎn)生方波,換句話說，如果以恒流源對電容充電，即可產(chǎn)生正斜率的斜波。同理，右以恒流源將儲存在電容上的電荷放電即產(chǎn)生負(fù)斜率的斜波，電路結(jié)構(gòu)如下：
當(dāng)I1 =I2時，即可產(chǎn)生對稱的三角波，如果I1 > >I2，此時即產(chǎn)生負(fù)斜率的鋸齒波，同理I1 < < I2即產(chǎn)生正斜率鋸齒波。
再如圖二所示，開關(guān)SW1的選擇即可讓充電速度呈倍數(shù)改變，也就是改變信號的頻率，這也就是信號源面板上頻率檔的選擇開關(guān)。同樣的同步地改變I1及I2，也可以改變頻率，這也就是信號源上調(diào)整頻率的電位器，只不過需要簡單地將原本是電壓信號轉(zhuǎn)成電流而已。
而在占空比調(diào)整上的設(shè)計有下列兩種思路：
改變電平的幅度，亦即改變方波產(chǎn)生電路比較器的參考幅度，即可達(dá)到改變脈寬而頻率不變的特性，但其最主要的缺點(diǎn)是占空比一般無法調(diào)到20%以下，導(dǎo)致在采樣電路實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(rèn)的在使用上比較好調(diào)。
2、占空比變，頻率跟著改變，其方法如下：
將方波產(chǎn)生電路比較器的參考幅度予以固定（正、負(fù)可利用電路予以切換），改變充放電斜率，即可達(dá)成。
這種方式的設(shè)計一般使用者的反應(yīng)是“難調(diào)”，這是大缺點(diǎn)，但它可以產(chǎn)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(diào)整電路設(shè)計思路，各有優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)然連帶的也影響到是否能產(chǎn)生“像樣的”鋸齒波。
接下來PA（功率放大器）的設(shè)計。首先是利用運(yùn)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(yù)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(biāo)，包含信噪比、方波上升時間及信號源的頻率響應(yīng)，好的信號源當(dāng)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(fù)雜，尤其在高頻時除利用電容作頻率補(bǔ)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(shè)計這部分電路，除原有的模擬理論基礎(chǔ)外尚需具備實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，“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(luò)而不是分壓電路是要讓輸出阻抗保持一定）。
一臺功能較強(qiáng)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(shè)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(chǎn)生頻率調(diào)制；
上述兩項設(shè)計方式，第1項要先產(chǎn)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(zhuǎn)換電路，同步地去加到圖二中的I1、I2上；
3. TTL同步輸出：將方波經(jīng)三極管電路轉(zhuǎn)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(chǎn)生一個周期的信號輸出，設(shè)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(chǎn)生波形輸出，直到輸入為LOW時，圖二SWI接地而關(guān)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.
2. 任意波形發(fā)生器，仿真實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。我們傳統(tǒng)都認(rèn)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)。可見信號源在電子實(shí)驗(yàn)和測試處理中，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(dá)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(shí)驗(yàn)的需要。
一、函數(shù)功能，仿真基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室設(shè)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(diào)制和掃描能力，眾所周知，在我們的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中（如大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)室、工廠開發(fā)實(shí)驗(yàn)室等），我們設(shè)計了一種電路，需要驗(yàn)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)巍Ｈ缥覀兛墒褂眯盘栐吹腄C補(bǔ)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(bǔ)償產(chǎn)生有效的邏輯電平模擬輸出，觀察該電路的運(yùn)行狀況，而證實(shí)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(chǔ)功能，能仿真您基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室所必須的信號。
二、任意波形，仿真模擬更復(fù)雜的信號要求
眾所周知，在我們實(shí)際的電子環(huán)境所設(shè)計的電路在運(yùn)行中，由于各種干擾和響應(yīng)的存在，實(shí)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(shè)計之初沒有考慮進(jìn)去，有的將會產(chǎn)生災(zāi)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(dǎo)致整個設(shè)備“燒壞”。確認(rèn)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(fù)雜的重要領(lǐng)域尤其重要。
由于任意波形發(fā)生器特殊的功能，為了增強(qiáng)任意波形生成能力，它往往依賴計算機(jī)通訊輸出波形數(shù)據(jù)。在計算機(jī)傳輸中，通過專用的波形編輯軟件生成波形，有利于擴(kuò)充儀器的能力，更進(jìn)一步仿真模擬實(shí)驗(yàn)。同時由于編輯一個任意波形有時需要花費(fèi)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(nèi)置一定數(shù)量的非易失性存儲器，隨機(jī)存取編輯波形，有利于參考對比；或通過隨機(jī)接口通訊傳輸?shù)接嬎銠C(jī)作更進(jìn)一步分析與處理。
三、下載傳輸，更進(jìn)一步實(shí)時仿真
在一些軍事、航空、交通制造業(yè)等領(lǐng)域中，有些電路運(yùn)行環(huán)境很難估計，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計完成之后，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境還需要作更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)的成本很高或者風(fēng)險性很大（如火車高速實(shí)驗(yàn)時鐵軌變換情況、飛機(jī)試機(jī)時螺旋槳的運(yùn)行情況等），人們不可能長期作實(shí)驗(yàn)判斷所設(shè)計產(chǎn)品（例如高速火車、飛機(jī)）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(fèi)用高或風(fēng)險性大的實(shí)驗(yàn)時，通過數(shù)字示波器等儀器把波形實(shí)時記錄下來，然后通過計算機(jī)接口傳輸?shù)叫盘栐矗苯酉螺d到設(shè)計電路，更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
綜上所述，任意波形發(fā)生器是電子工程師信號仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具。我們選購時除關(guān)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(yīng)關(guān)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(jìn)一步達(dá)到仿真實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。
這是通用模擬式函數(shù)信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu)，是以三角波產(chǎn)生電路為基礎(chǔ)經(jīng)二極管所構(gòu)成的正弦波整型電路產(chǎn)生正弦波，同時經(jīng)由比較器的比較產(chǎn)生方波,換句話說，如果以恒流源對電容充電，即可產(chǎn)生正斜率的斜波。同理，右以恒流源將儲存在電容上的電荷放電即產(chǎn)生負(fù)斜率的斜波，電路結(jié)構(gòu)如下：
當(dāng)I1 =I2時，即可產(chǎn)生對稱的三角波，如果I1 > >I2，此時即產(chǎn)生負(fù)斜率的鋸齒波，同理I1 < < I2即產(chǎn)生正斜率鋸齒波。
再如圖二所示，開關(guān)SW1的選擇即可讓充電速度呈倍數(shù)改變，也就是改變信號的頻率，這也就是信號源面板上頻率檔的選擇開關(guān)。同樣的同步地改變I1及I2，也可以改變頻率，這也就是信號源上調(diào)整頻率的電位器，只不過需要簡單地將原本是電壓信號轉(zhuǎn)成電流而已。
而在占空比調(diào)整上的設(shè)計有下列兩種思路：
改變電平的幅度，亦即改變方波產(chǎn)生電路比較器的參考幅度，即可達(dá)到改變脈寬而頻率不變的特性，但其最主要的缺點(diǎn)是占空比一般無法調(diào)到20%以下，導(dǎo)致在采樣電路實(shí)驗(yàn)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(zhuǎn)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(rèn)的在使用上比較好調(diào)。
2、占空比變，頻率跟著改變，其方法如下：
將方波產(chǎn)生電路比較器的參考幅度予以固定（正、負(fù)可利用電路予以切換），改變充放電斜率，即可達(dá)成。
這種方式的設(shè)計一般使用者的反應(yīng)是“難調(diào)”，這是大缺點(diǎn)，但它可以產(chǎn)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(diào)整電路設(shè)計思路，各有優(yōu)缺點(diǎn)，當(dāng)然連帶的也影響到是否能產(chǎn)生“像樣的”鋸齒波。
接下來PA（功率放大器）的設(shè)計。首先是利用運(yùn)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(yù)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(biāo)，包含信噪比、方波上升時間及信號源的頻率響應(yīng)，好的信號源當(dāng)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(fù)雜，尤其在高頻時除利用電容作頻率補(bǔ)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(shè)計這部分電路，除原有的模擬理論基礎(chǔ)外尚需具備實(shí)際的經(jīng)驗(yàn)，“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(luò)而不是分壓電路是要讓輸出阻抗保持一定）。
一臺功能較強(qiáng)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(shè)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(chǎn)生頻率調(diào)制；
上述兩項設(shè)計方式，第1項要先產(chǎn)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(zhuǎn)換電路，同步地去加到圖二中的I1、I2上；
3. TTL同步輸出：將方波經(jīng)三極管電路轉(zhuǎn)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(chǎn)生一個周期的信號輸出，設(shè)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(chǎn)生波形輸出，直到輸入為LOW時，圖二SWI接地而關(guān)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.
2. 任意波形發(fā)生器，仿真實(shí)驗(yàn)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(diǎn)。我們傳統(tǒng)都認(rèn)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)。可見信號源在電子實(shí)驗(yàn)和測試處理中，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(dá)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(shí)驗(yàn)的需要。
一、函數(shù)功能，仿真基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室設(shè)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(diào)制和掃描能力，眾所周知，在我們的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中（如大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)室、科研機(jī)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)室、工廠開發(fā)實(shí)驗(yàn)室等），我們設(shè)計了一種電路，需要驗(yàn)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)巍Ｈ缥覀兛墒褂眯盘栐吹腄C補(bǔ)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(bǔ)償產(chǎn)生有效的邏輯電平模擬輸出，觀察該電路的運(yùn)行狀況，而證實(shí)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(chǔ)功能，能仿真您基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室所必須的信號。
二、任意波形，仿真模擬更復(fù)雜的信號要求
眾所周知，在我們實(shí)際的電子環(huán)境所設(shè)計的電路在運(yùn)行中，由于各種干擾和響應(yīng)的存在，實(shí)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(shè)計之初沒有考慮進(jìn)去，有的將會產(chǎn)生災(zāi)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(dǎo)致整個設(shè)備“燒壞”。確認(rèn)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(fù)雜的重要領(lǐng)域尤其重要。
由于任意波形發(fā)生器特殊的功能，為了增強(qiáng)任意波形生成能力，它往往依賴計算機(jī)通訊輸出波形數(shù)據(jù)。在計算機(jī)傳輸中，通過專用的波形編輯軟件生成波形，有利于擴(kuò)充儀器的能力，更進(jìn)一步仿真模擬實(shí)驗(yàn)。同時由于編輯一個任意波形有時需要花費(fèi)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(nèi)置一定數(shù)量的非易失性存儲器，隨機(jī)存取編輯波形，有利于參考對比；或通過隨機(jī)接口通訊傳輸?shù)接嬎銠C(jī)作更進(jìn)一步分析與處理。
三、下載傳輸，更進(jìn)一步實(shí)時仿真
在一些軍事、航空、交通制造業(yè)等領(lǐng)域中，有些電路運(yùn)行環(huán)境很難估計，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計完成之后，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境還需要作更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，有些實(shí)驗(yàn)的成本很高或者風(fēng)險性很大（如火車高速實(shí)驗(yàn)時鐵軌變換情況、飛機(jī)試機(jī)時螺旋槳的運(yùn)行情況等），人們不可能長期作實(shí)驗(yàn)判斷所設(shè)計產(chǎn)品（例如高速火車、飛機(jī)）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(fèi)用高或風(fēng)險性大的實(shí)驗(yàn)時，通過數(shù)字示波器等儀器把波形實(shí)時記錄下來，然后通過計算機(jī)接口傳輸?shù)叫盘栐矗苯酉螺d到設(shè)計電路，更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
綜上所述，任意波形發(fā)生器是電子工程師信號仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具。我們選購時除關(guān)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(yīng)關(guān)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(jìn)一步達(dá)到仿真實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。
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