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函数信号发生器设计
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简易函数信号发生器
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函数信号发生器
函数信号发生器[浏览次数：约3240次]
函数信号发生器的原理
　　如图所示，整机电路由一片单片机进行管理，主要工作为：
　　a) 控制函数发生器产生的频率；
　　b) 控制输出信号的波形；
　　c) 测量输出的频率或测量外部输入的频率并显示；
　　d) 测量输出信号的幅度并显示；
　　e) 控制输出单次脉冲。
函数信号发生器的使用
　　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，而函数波形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.
　　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。
　　而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，但其最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.
　　任意波形发生器，仿真实验的最佳仪器
　　任意波形发生器是信号源的一种，任意波形发生器具有信号源所有的特点。我们传统都认为信号源主要给被测电路提供所需要的已知信号（各种波形），然后用其它仪表测量感兴趣的参数。可见信号源在电子实验和测试处理中，并不测量任何参数而是根据使用者的要求，仿真各种测试信号，提供给被测电路，以达到测试的需要。
　　信号源有很多种，包括正弦波信号源，函数发生器、脉冲发生器、扫描发生器、任意波形发生器、合成信号源等。一般来讲任意波形发生器，是一种特殊的信号源，综合具有其它信号源波形生成能力，因而适合各种仿真实验的需要。
　　一、函数功能，仿真基础实验室设计人员的环境
　　函数信号发生器是使用最广的通用信号源，函数信号发生器能提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲串等波形，有的还同时具有调制和扫描能力，众所周知，在我们的基础实验中（如大学电子实验室、科研机构研究实验室、工厂开发实验室等），我们设计了一种电路，需要验证其可靠性与稳定性，就需要给它施加理想中的波形以辨别真伪。如我们可使用信号源的DC补偿功能对固态电路控制DC偏压电平；我们可对一个怀疑有故障的数字电路，利用信号源的方波输出作为数字电路的时钟，同时使用方波加DC补偿产生有效的逻辑电平模拟输出，观察该电路的运行状况，而证实故障缺陷的地方。总之利用任意波形发生器这方面的基础功能，能仿真您基础实验室所必须的信号。
　　二、任意波形，仿真模拟更复杂的信号要求
　　众所周知，在我们实际的电子环境所设计的电路在运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等（见图1，图2），这些情况的发生，如在设计之初没有考虑进去，有的将会产生灾难性后果。例如图1中的a处过尖峰脉冲，如果给一个抗冲能力差的电路，将可能会导致整个设备“烧坏”。确认电路对这样一个状况敏感的程度，我们可以避免不必要的损失，该方面的要求在航天、军事、铁路和一些情况比较复杂的重要领域尤其重要。
　　由于任意波形发生器特殊的功能，为了增强任意波形生成能力，它往往依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，更进一步仿真模拟实验。同时由于编辑一个任意波形有时需要花费大量的时间和精力，并且每次编辑波形可能有所差异这样有的任意波形发生器，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利于参考对比；或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。
　　三、下载传输，更进一步实时仿真
　　在一些军事、航空、交通制造业等领域中，有些电路运行环境很难估计，在实验设计完成之后，在现实环境还需要作更进一步实验，有些实验的成本很高或者风险性很大（如火车高速实验时铁轨变换情况、飞机试机时螺旋桨的运行情况等），人们不可能长期作实验判断所设计产品（例如高速火车、飞机）的可行性和稳定性等；我们就可利用有些任意波形发生器波形下载功能，在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到设计电路，更进一步实验验证。
　　综上所述，任意波形发生器是电子工程师信号仿真实验的最佳工具。
函数信号发生器的测试
　　集成块的测试函数信号发生器因为多采用了集成电路, 因此维修就变得比较简单, 故障的最大可能是集成块坏了。为了准确确定故障, 可拆下集成块进行测试, 以ICL 8038 为例, 其测试电路如图所示。
　　7 脚和8 脚相连, 使得三角波的上升时间, 下降时间为, 此时振荡频率为, 电阻R1 和R2 的阻值一般在范围内，式中 是指电源+ VCC与脚8 之间的电压, 同时应使R2& 2R1, 这样就保证了I1& I2& 2 I1 的关系, 若能顺利地调出这三种波形说明集成块是好的。
函数信号发生器的参数
　　◇& 频率范围：0.2Hz-20MHz
　　◇& 输出波形：正玄波、三角波、方波
　　◇& 输出电压：1mVp-p～10Vp-p，-3dB(50Ω负载)　　1mVp-p～20Vp-p，-3dB(开路)
　　◇& 功率输出：50Vp-p；1Ap-p
　　◇& 外测频范围：0.2Hz-20MHz
　　◇& TTL输出
　　◇& 幅度、频率数字双显◇& 外形尺寸(mm)：215(W)×90(H)×265(D)
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IC热门型号
IC现货型号产生器实现方法/函数信号发生器
(1)用分立元件组成的函数发生器：通常是且频率不高，其工作不很稳定，不易调试。
(2)可以由晶体管、运放IC等通用器件制作，更多的则是用专门的函数信号发生器IC产生。早期的函数信号发生器IC，如L8038、BA205、XR等，它们的功能较少，精度不高，频率上限只有300kHz，无法产生更高频率的信号，调节方式也不够灵活，频率和占空比不能独立调节，二者互相影响。
(3)利用单片集成芯片的函数发生器：能产生多种波形，达到较高的频率，且易于调试。鉴于此，美国美信公司开发了新一代函数信号发生器IC，它克服了(2)中芯片的缺点，可以达到更高的技术指标，是上述芯片望尘莫及的。MAX038频率高、精度好，因此它被称为高频精密函数信号发生器IC。在锁相环、、、等电路的设计上，MAX038都是优选的器件。
(4)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。但成本较高。产生所需参数的电测试信号仪器。按其信号波形分为四大类：
①正弦信号发生器。主要用于测量电路和系统的频率特性、非线性失真、增益及灵敏度等。按其不同性能和用途还可细分为低频(20赫至10兆赫)信号发生器、高频(100千赫至300兆赫)信号发生器、、扫频和程控信号发生器、频率合成式信号发生器等。
②函数(波形)信号发生器。能产生某些特定的周期性时间函数波形(正弦波、方波、三角波、锯齿波和脉冲波等)信号，频率范围可从几个微赫到几十兆赫。除供通信、仪表和自动控制系统测试用外，还广泛用于其他非电测量领域。
③脉冲信号发生器。能产生宽度、幅度和重复频率可调的矩形脉冲的发生器，可用以测试线性系统的瞬态响应，或用作模拟信号来测试雷达、多路通信和其他脉冲数字系统的性能。
④随机信号发生器。通常又分为噪声信号发生器和伪随机信号发生器两类。噪声信号发生器主要用途为：在待测系统中引入一个随机信号，以模拟实际工作条件中的噪声而测定系统性能;外加一个已知噪声信号与系统内部噪声比较以测定噪声系数;用随机信号代替正弦或脉冲信号，以测定系统动态特性等。当用进行相关函数测量时，若平均测量时间不够长，会出现统计性误差，可用伪随机信号来解决。
认识/函数信号发生器
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，而函数波形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(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。
谈及模拟式函数信号源，结构图如下：　　
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。而三角波是如何产生的，
公式如下：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，同理I1&&&&&I2即产生正斜率锯齿波。　　
再如图二所示，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。
而在占空比调整上的设计有下列两种思路1、频率(周期)不变，脉宽改变，其方法如下：　　函数信号发生器
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，但其最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(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)
技术参数/函数信号发生器
主要输出波形正弦波， 三角波， 方波， Ramp 与 脉波输出振幅&20Vp-p (open circuit)； &10Vp-p （加 50W 负载）阻抗50Ω+10%衰减器-20dB, -20dB+1.0dB (at 1kHz)DC Offset&-10V ~ &+10V, (&-5V ~ &+5V 加 50W 负载)Duty Control1 : 1 to 10 : 1 continuously rating频率范围0.2Hz to 2MHz （共 7 档）档位准确度+5% + 1Hz （在 0.2, 2.0 刻度位置）正弦波失真& 1% 0.2Hz ~ 200kHz频率响应& 0.1dB 0.2Hz ~ 100kHz； & 0.5dB 100kHz ~ 2MHz三角波线性98% 0.2Hz ~ 100kHz； 95% 100kHz ~ 2MHz方波对称性&2% 0.2Hz ~ 100kHz上升/下降时间&100nSTTL 输出Level&3Vpp上升/下降时间&25nSVCF输入电压约 0V~10V ±1V input for 1000 : 1 frequency ratio输入阻抗10kW (±10%)使用电源交流 100V/120V/220V/230V ±10%, 50/60Hz附件测试线 GTL-101 × 1, 操作手册 × 1, 电源线 × 1尺寸及重量230（宽） × 95（高） × 280（长） mm, 约 2.0 公斤
其余功能/函数信号发生器
一台功能较强的函数波形发生器，还有扫频、VCG、TTL、&TRIG、&GATE及或LCD液晶显示频率，其与频率计电路是重叠的。
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