函數(shù)信號�(fā)生器是一種精密的測試儀器,是工�(yè)生產(chǎn)、產(chǎn)品開�(fā)、科�(xué)研究等領(lǐng)域必備的工具。它�(chǎn)生的鋸齒波和正弦�、矩形波、三角波是常用的基本測試信號。在示波�、電視機(jī)等儀器中,為了使電子按照一定的�(guī)律運(yùn)動,以利用熒光屏顯示圖像,常用到鋸齒波信號產(chǎn)生器作為時基電路�
如圖所�,整�(jī)電路由一片單片機(jī)�(jìn)行管�,主要工作為�
a) 控制函數(shù)�(fā)生器�(chǎn)生的頻率�
b) 控制輸出信號的波��
c) 測量輸出的頻率或測量外部輸入的頻率并顯示�
d) 測量輸出信號的幅度并顯示�
e) 控制輸出單次脈沖�
信號�(fā)生器一般區(qū)分為函數(shù)信號�(fā)生器及任意波形發(fā)生器,而函�(shù)波形�(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�(yōu)于模�,其鎖相�(huán)� PLL)的�(shè)計讓輸出信號不僅是頻率精�(zhǔn),而且相位抖動(phase Jitter)及頻率漂移均能達(dá)到相�(dāng)�(wěn)定的狀�(tài),但畢竟是數(shù)字式信號源,�(shù)字電路與模擬電路之間的干�,始終難以有效克�,也造成在小信號的輸出上不如模擬式的函數(shù)信號�(fā).
這是通用模擬式函�(shù)信號�(fā)生器的結(jié)�(gòu),是以三角波�(chǎn)生電路為基礎(chǔ)�(jīng)二極管所�(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�,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�。同理,右以恒流源將儲存在電容上的電荷放電即�(chǎn)生負(fù)斜率的斜�,電路結(jié)�(gòu)如下�
�(dāng)I1 =I2�,即可產(chǎn)生對稱的三角�,如果I1 > >I2,此時即�(chǎn)生負(fù)斜率的鋸齒波,同理I1 < < I2即產(chǎn)生正斜率鋸齒泀�
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�,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�(diào)整頻率的電位�,只不過需要簡單地將原本是電壓信號�(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、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�,即可達(dá)到改變脈寬而頻率不變的特性,但其最主要的缺點是占空比一般無法調(diào)�20%以下,導(dǎo)致在采樣電路實驗�,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�(shù)(A/D)�(zhuǎn)�,那么得到的�(shù)字信號就�(fā)生變動而無所適從。但不容否認(rèn)的在使用上比較好�(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(�、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�(diào)�,這是大缺點,但它可以�(chǎn)�10%以下的占空比卻是在采樣時的必備條��
以上的兩種占空比�(diào)整電路設(shè)計思路,各有優(yōu)缺點,當(dāng)然連帶的也影響到是否能�(chǎn)生“像樣的”鋸齒波�
接下來PA(功率放大器)的�(shè)�。首先是利用�(yùn)算放大器(OP) ,再利用推拉�(push-pull)放大器(注意交越失真Cross-distortion的預(yù)防)將信號送到衰減�(wǎng)�,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�(dāng)然是正弦波信噪比�、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)�,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�,極易引起振�,想�(shè)計這部分電�,除原有的模擬理論基�(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�,經(jīng)過π型的電阻式衰減網(wǎng)�,分別衰�10倍(20dB)�100倍(40dB),此時一部基本的函數(shù)波形�(fā)生器即已完成。(注意:選用π型衰減網(wǎng)�(luò)而不是分壓電路是要讓輸出阻抗保持一定)�
一臺功能較�(qiáng)的函�(shù)波形�(fā)生器,還有掃�、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�(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�(chǎn)生頻率調(diào)��
上述兩項�(shè)計方�,第1項要先產(chǎn)生鋸齒波及對�(shù)波信�,并與第2項的輸入信號�(jīng)過多路器(Multiplexer)選擇,然后再�(jīng)過電壓對電流�(zhuǎn)換電�,同步地去加到圖二中的I1、I2��
3. TTL同步輸出:將方波�(jīng)三極管電路轉(zhuǎn)�0(Low)�5V(High)的TTL信號即可�
但注意這樣的TTL信號須再�(jīng)過緩沖門(buffer)后才能輸�,以增加扇出�(shù)(Fan Out),通常有時還并�(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�,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�,產(chǎn)生波形輸出,直到輸入為LOW�,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�(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�(fā)生器,仿真實驗的儀�
任意波形�(fā)生器是信號源的一�,任意波形發(fā)生器具有信號源所有的特點。我們傳�(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�(shù)??梢娦盘栐丛陔娮訉嶒灪蜏y試處理中,并不測量任何參�(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�,以�(dá)到測試的需��
信號源有很多種,包括正弦波信號源,函�(shù)�(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�。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�,因而適合各種仿真實驗的需��
一、函�(shù)功能,仿真基�(chǔ)實驗室設(shè)計人員的�(huán)�
函數(shù)信號�(fā)生器是使用最廣的通用信號源,函數(shù)信號�(fā)生器能提供正弦波、鋸齒波、方�、脈沖串等波�,有的還同時具有�(diào)制和掃描能力,眾所周知,在我們的基礎(chǔ)實驗中(如大�(xué)電子實驗�、科研機(jī)�(gòu)研究實驗�、工廠開�(fā)實驗室等�,我們設(shè)計了一種電�,需要驗證其可靠性與�(wěn)定�,就需要給它施加理想中的波形以辨別�?zhèn)巍H缥覀兛墒褂眯盘栐吹腄C�(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�,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�(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�,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�(chǔ)實驗室所必須的信號�
�、任意波�,仿真模擬更�(fù)雜的信號要求
眾所周知,在我們實際的電子�(huán)境所�(shè)計的電路在運(yùn)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�,例如過脈沖、尖�、阻尼瞬變、頻率突變等(見�1,圖2�,這些情況的發(fā)生,如在�(shè)計之初沒有考慮�(jìn)去,有的將會�(chǎn)生災(zāi)難性后�。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�,將可能會導(dǎo)致整個設(shè)備“燒壞�。確�(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�,該方面的要求在航天、軍�、鐵路和一些情況比較復(fù)雜的重要�(lǐng)域尤其重��
由于任意波形�(fā)生器特殊的功�,為了增�(qiáng)任意波形生成能力,它往往依賴計算�(jī)通訊輸出波形�(shù)�(jù)。在計算�(jī)傳輸�,通過專用的波形編輯軟件生成波�,有利于�(kuò)充儀器的能力,更�(jìn)一步仿真模擬實�。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�,并且每次編輯波形可能有所差異這樣有的任意波形�(fā)生器,內(nèi)置一定數(shù)量的非易失性存儲器,隨�(jī)存取編輯波形,有利于參考對�;或通過隨機(jī)接口通訊傳輸?shù)接嬎銠C(jī)作更�(jìn)一步分析與處理�
�、下載傳輸,更�(jìn)一步實時仿�
在一些軍�、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�,在實驗�(shè)計完成之�,在�(xiàn)實環(huán)境還需要作更�(jìn)一步實�,有些實驗的成本很高或者風(fēng)險性很大(如火車高速實驗時鐵軌變換情況、飛�(jī)試機(jī)時螺旋槳的運(yùn)行情況等),人們不可能長期作實驗判斷所�(shè)計產(chǎn)品(例如高速火�、飛�(jī))的可行性和�(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(fēng)險性大的實驗時,通過�(shù)字示波器等儀器把波形實時記錄下來,然后通過計算�(jī)接口傳輸?shù)叫盘�?,直接下載到�(shè)計電�,更�(jìn)一步實驗驗證�
綜上所�,任意波形發(fā)生器是電子工程師信號仿真實驗的工��
集成塊的測試函數(shù)信號�(fā)生器因為多采用了集成電路, 因此維修就變得比較簡�, 故障的可能是集成塊壞�。為了準(zhǔn)確確定故�, 可拆下集成塊�(jìn)行測�, 以ICL 8038 為例, 其測試電路如圖所示�
7 腳和8 腳相�, 使得三角波的上升時間, 下降時間�
, 此時振蕩頻率�
, 電阻R1 和R2 的阻值一般在
范圍�(nèi),式�
是指電源+ VCC與腳8 之間的電�, 同時�(yīng)使R2< 2R1, 這樣就保證了I1< I2< 2 I1 的關(guān)�, 若能順利地調(diào)出這三種波形說明集成塊是好的�
� 頻率范圍�0.2Hz-20MHz
� 輸出波形:正玄波、三角波、方�
� 輸出電壓�1mVp-p�10Vp-p�-3dB(50Ω�(fù)�) 1mVp-p�20Vp-p�-3dB(開路)
� 功率輸出�50Vp-p�1Ap-p
� 外測頻范圍:0.2Hz-20MHz
� TTL輸出
� 幅度、頻率數(shù)字雙顯◇ 外形尺寸(mm)�215(W)×90(H)×265(D)