任意波形發(fā)生器=仿真利器,任意波形發(fā)生器≠函數(shù)信號發(fā)生器
對于波形發(fā)生器,很多朋友存在一定誤解。有諸多朋友無法分辨任意波形發(fā)生器和函數(shù)信號發(fā)生器,緣由在于大家對任意波形發(fā)生器缺乏正確理解。本文將為大家介紹任意波形發(fā)生器和函數(shù)信號發(fā)生器,并闡明任意波形發(fā)生器是仿真實驗的最佳儀器的原因,一起來了解下吧。
一、函數(shù)信號發(fā)生器
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,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。
談及模擬式函數(shù)信號源,結(jié)構(gòu)圖如下:
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。
而三角波是如何產(chǎn)生的,公式如下:
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)生負斜率的斜波,電路結(jié)構(gòu)如下:
當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:
1、頻率(周期)不變,脈寬改變,其方法如下:
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(diào)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(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(shè)計一般使用者的反應(yīng)是“難調(diào)”,這是大缺點,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,當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,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(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,方塊圖如下:
二、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。
1、函數(shù)功能,仿真基礎(chǔ)實驗室設(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)實驗中(如大學電子實驗室、科研機構(gòu)研究實驗室、工廠開發(fā)實驗室等),我們設(shè)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(chǎn)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??傊萌我獠ㄐ伟l(fā)生器這方面的基礎(chǔ)功能,能仿真您基礎(chǔ)實驗室所必須的信號。
2、任意波形,仿真模擬更復(fù)雜的信號要求
眾所周知,在我們實際的電子環(huán)境所設(shè)計的電路在運行中,由于各種干擾和響應(yīng)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(shè)計之初沒有考慮進去,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,將可能會導致整個設(shè)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(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(nèi)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。
3、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(lǐng)域中,有些電路運行環(huán)境很難估計,在實驗設(shè)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(shè)計產(chǎn)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?,直接下載到設(shè)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(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,更進一步達到仿真實驗狀態(tài)。
圖1 有尖脈沖的數(shù)字信號圖 2 有頻率突變的方波
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