一、引言
信號(hào)源是根據(jù)用戶對(duì)其波形的命令來產(chǎn)生信號(hào)的電子儀器。信號(hào)源主要給被測(cè)電路提供所需要的已知信號(hào)(各種波形),然后用其它儀表測(cè)量感興趣的參數(shù)??梢娦盘?hào)源在電子實(shí)驗(yàn)和測(cè)試處理中,并不測(cè)量任何參數(shù),而是根據(jù)使用者的要求,仿真各種測(cè)試信號(hào),提供給被測(cè)電路,以達(dá)到測(cè)試的需要。
二、信號(hào)源的分類和作用
信號(hào)源有很多種分類方法,其中一種方法可分為混和信號(hào)源和邏輯信號(hào)源兩種。其中混和信號(hào)源主要輸出模擬波形;邏輯信號(hào)源輸出數(shù)字碼形?;旌托盘?hào)源又可分為函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和任意波形/函數(shù)發(fā)生器,其中函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出標(biāo)準(zhǔn)波形,如正弦波、方波等,任意波/函數(shù)發(fā)生器輸出用戶自定義的任意波形;邏輯信號(hào)發(fā)生器又可分為脈沖信號(hào)發(fā)生器和碼型發(fā)生器,其中脈沖信號(hào)發(fā)生器驅(qū)動(dòng)較小個(gè)數(shù)的的方波或脈沖波輸出,碼型發(fā)生器生成許多通道的數(shù)字碼型。如泰克生產(chǎn)的AFG3000系列就包括函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、任意波形/函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器的功能。
另外,信號(hào)源還可以按照輸出信號(hào)的類型分類,如射頻信號(hào)發(fā)生器、掃描信號(hào)發(fā)生器、頻率合成器、噪聲信號(hào)發(fā)生器、脈沖信號(hào)發(fā)生器等等。信號(hào)源也可以按照使用頻段分類,不同頻段的信號(hào)源對(duì)應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域。
下面我們將對(duì)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器和任意波形/函數(shù)發(fā)生器做簡(jiǎn)要介紹:
1、 函數(shù)信號(hào)發(fā)生器
函數(shù)發(fā)生器是使用最廣的通用信號(hào)源,提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖波等波形,有的還同時(shí)具有調(diào)制和掃描功能。
函數(shù)波形發(fā)生器在設(shè)計(jì)上分為模擬式和數(shù)字合成式。眾所周知,數(shù)字合成式函數(shù)信號(hào)源(DDS)無論就頻率、幅度乃至信號(hào)的信噪比(S/N)均優(yōu)于模擬式,其鎖相環(huán)(PLL)的設(shè)計(jì)讓輸出信號(hào)不僅是頻率精準(zhǔn),而且相位抖動(dòng)(phase Jitter)及頻率漂移均能達(dá)到相當(dāng)穩(wěn)定的狀態(tài),但數(shù)字式信號(hào)源中,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(hào)的輸出上不如模擬式的函數(shù)信號(hào)發(fā)生器,如今市場(chǎng)上的大部分函數(shù)信號(hào)發(fā)生器均為DDS信號(hào)源。
2、任意波形發(fā)生器
任意波形發(fā)生器,是一種特殊的信號(hào)源,不僅具有一般信號(hào)源波形生成能力,而且可以仿真實(shí)際電路測(cè)試中需要的任意波形。在我們實(shí)際的電路的運(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缺陷信號(hào)和瞬變信號(hào),如果在設(shè)計(jì)之初沒有考慮這些情況,有的將會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果。任意波發(fā)生器可以幫您完成實(shí)驗(yàn),仿真實(shí)際電路,對(duì)您的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的測(cè)試。
由于任意波形發(fā)生往往依賴計(jì)算機(jī)通訊輸出波形數(shù)據(jù)。在計(jì)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)一步仿真實(shí)驗(yàn)。另外,內(nèi)置一定數(shù)量的非易失性存儲(chǔ)器,隨機(jī)存取編輯波形,有利于參考對(duì)比,或通過隨機(jī)接口通訊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)作更進(jìn)一步分析與處理。有些任意波形發(fā)生器有波形下載功能,在作一些麻煩費(fèi)用高或風(fēng)險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)時(shí),通過數(shù)字示波器等儀器把波形實(shí)時(shí)記錄下來,然后通過計(jì)算機(jī)接口傳輸?shù)叫盘?hào)源,直接下載到設(shè)計(jì)電路,更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
泰克推出的AFG3000系列三合一信號(hào)源,可以完成以上提到的功能,并且在波形輸出的精度、穩(wěn)定性等方面都有較大提高,是走在行業(yè)前列的新一代任意波發(fā)生器。
三、信號(hào)源的主要技術(shù)指標(biāo)
傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器的主要指標(biāo)和新近研發(fā)的任意波形發(fā)生器的主要指標(biāo)有一些不同,我們這里分開介紹。
(一)普通函數(shù)發(fā)生器的主要指標(biāo):
帶寬(輸出頻率范圍)
儀器的帶寬是指模擬帶寬,與采樣速率等無關(guān),信號(hào)源的帶寬是指信號(hào)的輸出頻率的范圍,并且一般來講信號(hào)源輸出的正弦波和方波的頻率范圍不一致,例如,某函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波的頻率范圍是1mHz~240MHz,而輸出方波的頻率范圍是1mHz~120MHz。
頻率(定時(shí))分辨率
頻率分辨率,即最小可調(diào)頻率分辨率,也就是創(chuàng)建波形時(shí)可以使用的最小時(shí)間增量。
頻率準(zhǔn)確度
信號(hào)源顯示的頻率值與真值之間的偏差,通常用相對(duì)誤差表示,低檔信號(hào)源的頻率準(zhǔn)確度只有1%,而采用內(nèi)部高穩(wěn)定晶體振蕩器的頻率準(zhǔn)確度可以達(dá)到108~1010。例如,某信號(hào)源的頻率準(zhǔn)確度為1ppm。
頻率穩(wěn)定度
頻率穩(wěn)定度是指外界環(huán)境不變的情況下,在規(guī)定時(shí)間內(nèi),信號(hào)發(fā)生器輸出頻率相對(duì)于設(shè)置讀數(shù)的偏差值的大小。頻率穩(wěn)定度一般分為長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度(長(zhǎng)穩(wěn))和短期頻率穩(wěn)定度(短穩(wěn))。其中,短期頻率穩(wěn)定度是指經(jīng)過預(yù)熱后,15分鐘內(nèi),信號(hào)頻率所發(fā)生的最大變化;長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度是指信號(hào)源經(jīng)過預(yù)熱時(shí)間后,信號(hào)頻率在任意三小時(shí)內(nèi)所發(fā)生的最大變化。
輸出阻抗
信號(hào)源的輸出阻抗是指從輸出端看去,信號(hào)源的等效阻抗。例如,低頻信號(hào)發(fā)生器的輸出阻抗通常為600Ω,高頻信號(hào)發(fā)生器通常只有50Ω,電視信號(hào)發(fā)生器通常為75Ω。
輸出電平范圍
輸出幅度一般由電壓或者分貝表示,指輸出信號(hào)幅度的有效范圍。另外,信號(hào)發(fā)生器的輸出幅度讀數(shù)定義為輸出阻抗匹配的條件下,所以必須注意輸出阻抗匹配的問題。
(二)任意波發(fā)生器的主要指標(biāo):
取樣(或采樣)速率
取樣速率通常用每秒兆樣點(diǎn)或者千兆樣點(diǎn)表示,表明了儀器可以運(yùn)行的最大時(shí)鐘或取樣速率。取樣速率影響著主要輸出信號(hào)的頻率和保真度。奈奎斯特取樣定理規(guī)定,取樣頻率或時(shí)鐘速率必須至少是生成的信號(hào)中最高頻譜成分的兩倍,以保證精確的復(fù)現(xiàn)。
存儲(chǔ)深度(記錄長(zhǎng)度)
存儲(chǔ)深度是指用來記錄波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù),它決定著波形數(shù)據(jù)的最大樣點(diǎn)數(shù)量(相當(dāng)于時(shí)間)。每個(gè)波形樣點(diǎn)占用一個(gè)存儲(chǔ)器位置,每個(gè)位置等于當(dāng)前時(shí)鐘頻率下取樣間隔時(shí)間。任意波形發(fā)生器的帶寬是由任意波發(fā)生器的取樣速率和存儲(chǔ)深度決定的。
垂直(幅度)分辨率
信號(hào)源的垂直分辨率是指信號(hào)源中可以編程的最小電壓增量,也就是儀器數(shù)模轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制字寬度,單位為位,它規(guī)定了波形的幅度精度。在混和信號(hào)源中,垂直分辨率與儀器DAC的二進(jìn)制字長(zhǎng)度有關(guān),位越多,分辨率就越高。
四、信號(hào)源的主要功能
一臺(tái)功能較強(qiáng)的信號(hào)源,還有信號(hào)調(diào)制、頻率掃描、TTL同步輸出、參考時(shí)鐘輸出、Burst及頻率計(jì)等功能:
信號(hào)調(diào)制功能
信號(hào)調(diào)制是指被調(diào)制信號(hào)中,幅度、相位或頻率變化把低頻信息嵌入到高頻的載波信號(hào)中,得到的信號(hào)可以傳送到語音、到數(shù)據(jù)、到視頻的任何信號(hào)。信號(hào)調(diào)制可分為模擬調(diào)制和數(shù)字調(diào)制兩種,其中模擬調(diào)制,如幅度調(diào)制(AM)和頻率調(diào)制(FM)最常用于廣播通信中,而數(shù)字調(diào)制基于兩種狀態(tài),允許信號(hào)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)。
頻率掃描功能
測(cè)量電子設(shè)備的頻率特點(diǎn)要求“掃描”正弦波,其會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)改變頻率。一般分成線性(Lin)掃頻及對(duì)數(shù)(Log)掃頻;高級(jí)信號(hào)發(fā)生器支持掃頻功能,而且可以選擇開始頻率、保持頻率、停止頻率和相關(guān)時(shí)間,有些信號(hào)發(fā)生器還提供與掃頻同步的觸發(fā)信號(hào)。
TTL同步輸出功能
一般信號(hào)源輸出的TTL同步信號(hào)是方波經(jīng)三極管電路轉(zhuǎn)成的,電平為0(Low)、3.6~5V(High)。主要用來同步其他信號(hào)源,或其他類型的儀器,以保證觸發(fā)同步。
參考時(shí)鐘輸出功能
TTL同步輸出只能保證觸發(fā)同步,要想使信號(hào)源完全同步就要讓時(shí)鐘同步,參考時(shí)鐘輸出就是為了讓兩臺(tái)信號(hào)源的時(shí)鐘同步而設(shè)計(jì)的,一般參考時(shí)鐘輸出頻率較穩(wěn)定的方波信號(hào)。
Burst功能
類似One Shot功能,輸入一個(gè)TTL信號(hào),則可讓信號(hào)源產(chǎn)生一個(gè)周期的信號(hào)輸出,設(shè)計(jì)方式是在沒有信號(hào)輸入時(shí),輸出接地即可。
頻率計(jì)
除市場(chǎng)上簡(jiǎn)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(jì)電路是重疊的。
小結(jié)
信號(hào)發(fā)生器是基礎(chǔ)的通用儀器之一,是電子工程師信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具,在許多領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。本文介紹了函數(shù)信號(hào)發(fā)生器的基礎(chǔ)知識(shí),為您的選型和概念的了解提供方便。我們選購(gòu)時(shí)除關(guān)心信號(hào)源的基本指標(biāo)外,還需要關(guān)心他的高級(jí)功能,如波形編輯和下載功能,和計(jì)算機(jī)的通訊能力,幾臺(tái)信號(hào)發(fā)生器的同步能力等等。根據(jù)工程師自己的應(yīng)用需要,選擇合適的信號(hào)發(fā)生器,為工程師的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面,真實(shí)的測(cè)試,對(duì)自己研發(fā)的產(chǎn)品更有信心。
參考文獻(xiàn)
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[5]庫(kù)姆斯:《電子儀器手冊(cè)》.科學(xué)出版社.2006年5月第一版.
——北京海洋興業(yè)科技有限公司王樂 供稿
函數(shù)/任意波形發(fā)生器對(duì)比
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