認識函數信號發生器
2020-06-11
信號發生器一般區分為函數信號發生器及任意波形發生器，而函數波形發生器在設計上又區分出模擬及數字合成式。眾所周知，數字合成式函數信號源無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比（S/N）均優于模擬，其鎖相環（ PLL）的設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定的狀態，但畢竟是數字式信號源，數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信號發.
這是通用模擬式函數信號發生器的結構，是以三角波產生電路為基礎經二極管所構成的正弦波整型電路產生正弦波，同時經由比較器的比較產生方波,換句話說，如果以恒流源對電容充電，即可產生正斜率的斜波。同理，右以恒流源將儲存在電容上的電荷放電即產生負斜率的斜波，電路結構如下：
當I1 =I2時，即可產生對稱的三角波，如果I1 > >I2，此時即產生負斜率的鋸齒波，同理I1 < < I2即產生正斜率鋸齒波。
再如圖二所示，開關SW1的選擇即可讓充電速度呈倍數改變，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。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整頻率的電位器，只不過需要簡單地將原本是電壓信號轉成電流而已。
而在占空比調整上的設計有下列兩種思路：
改變電平的幅度，亦即改變方波產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（A/D)轉換，那么得到的數字信號就發生變動而無所適從。但不容否認的在使用上比較好調。
2、占空比變，頻率跟著改變，其方法如下：
將方波產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。
這種方式的設計一般使用者的反應是“難調”，這是大缺點，但它可以產生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整電路設計思路，各有優缺點，當然連帶的也影響到是否能產生“像樣的”鋸齒波。
接下來PA（功率放大器）的設計。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的預防）將信號送到衰減網路，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，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，想設計這部分電路，除原有的模擬理論基礎外尚需具備實際的經驗，“Try Error”的耐心是不可缺少的。
PA信號出來后，經過π型的電阻式衰減網路，分別衰減10倍（20dB)或100倍（40dB),此時一部基本的函數波形發生器即已完成。（注意：選用π型衰減網絡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波形發生器，還有掃頻、VCG、TTL、 TRIG、 GATE及頻率計等功能，其設計方式在此也順便一提：
1. 掃頻：一般分成線性（Lin)及對數（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生頻率調制；
上述兩項設計方式，第1項要先產生鋸齒波及對數波信號，并與第2項的輸入信號經過多路器（Multiplexer)選擇，然后再經過電壓對電流轉換電路，同步地去加到圖二中的I1、I2上；
3. TTL同步輸出：將方波經三極管電路轉成0(Low)、5V(High)的TTL信號即可。
但注意這樣的TTL信號須再經過緩沖門（buffer)后才能輸出，以增加扇出數（Fan Out)，通常有時還并聯幾個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，則可讓信號源產生一個周期的信號輸出，設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，產生波形輸出，直到輸入為LOW時，圖二SWI接地而關掉信號源輸出；
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. 任意波形發生器，仿真實驗的最佳儀器
任意波形發生器是信號源的一種，它具有信號源所有的特點。我們傳統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。可見信號源在電子實驗和測試處理中，并不測量任何參數而是根據使用者的要求，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，函數發生器、脈沖發生器、掃描發生器、任意波形發生器、合成信號源等。一般來講任意波形發生器，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。
一、函數功能，仿真基礎實驗室設計人員的環境
函數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，有的還同時具有調制和掃描能力，眾所周知，在我們的基礎實驗中（如大學電子實驗室、科研機構研究實驗室、工廠開發實驗室等），我們設計了一種電路，需要驗證其可靠性與穩定性，就需要給它施加理想中的波形以辨別真偽。如我們可使用信號源的DC補償功能對固態電路控制DC偏壓電平；我們可對一個懷疑有故障的數字電路，利用信號源的方波輸出作為數字電路的時鐘，同時使用方波加DC補償產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生器這方面的基礎功能，能仿真您基礎實驗室所必須的信號。
二、任意波形，仿真模擬更復雜的信號要求
眾所周知，在我們實際的電子環境所設計的電路在運行中，由于各種干擾和響應的存在，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），這些情況的發生，如在設計之初沒有考慮進去，有的將會產生災難性后果。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雜的重要領域尤其重要。
由于任意波形發生器特殊的功能，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據。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生器，內置一定數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到計算機作更進一步分析與處理。
三、下載傳輸，更進一步實時仿真
在一些軍事、航空、交通制造業等領域中，有些電路運行環境很難估計，在實驗設計完成之后，在現實環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計產品（例如高速火車、飛機）的可行性和穩定性等；我們就可利用有些任意波形發生器波形下載功能，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到信號源，直接下載到設計電路，更進一步實驗驗證。
綜上所述，任意波形發生器是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具。我們選購時除關心傳統信號源的缺陷——頻率精度、頻率穩定度、幅度精度、信號失真度外，更應關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，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。
這是通用模擬式函數信號發生器的結構，是以三角波產生電路為基礎經二極管所構成的正弦波整型電路產生正弦波，同時經由比較器的比較產生方波,換句話說，如果以恒流源對電容充電，即可產生正斜率的斜波。同理，右以恒流源將儲存在電容上的電荷放電即產生負斜率的斜波，電路結構如下：
當I1 =I2時，即可產生對稱的三角波，如果I1 > >I2，此時即產生負斜率的鋸齒波，同理I1 < < I2即產生正斜率鋸齒波。
再如圖二所示，開關SW1的選擇即可讓充電速度呈倍數改變，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。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整頻率的電位器，只不過需要簡單地將原本是電壓信號轉成電流而已。
而在占空比調整上的設計有下列兩種思路：
改變電平的幅度，亦即改變方波產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（A/D)轉換，那么得到的數字信號就發生變動而無所適從。但不容否認的在使用上比較好調。
2、占空比變，頻率跟著改變，其方法如下：
將方波產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。
這種方式的設計一般使用者的反應是“難調”，這是大缺點，但它可以產生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整電路設計思路，各有優缺點，當然連帶的也影響到是否能產生“像樣的”鋸齒波。
接下來PA（功率放大器）的設計。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的預防）將信號送到衰減網路，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，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，想設計這部分電路，除原有的模擬理論基礎外尚需具備實際的經驗，“Try Error”的耐心是不可缺少的。
PA信號出來后，經過π型的電阻式衰減網路，分別衰減10倍（20dB)或100倍（40dB),此時一部基本的函數波形發生器即已完成。（注意：選用π型衰減網絡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波形發生器，還有掃頻、VCG、TTL、 TRIG、 GATE及頻率計等功能，其設計方式在此也順便一提：
1. 掃頻：一般分成線性（Lin)及對數（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生頻率調制；
上述兩項設計方式，第1項要先產生鋸齒波及對數波信號，并與第2項的輸入信號經過多路器（Multiplexer)選擇，然后再經過電壓對電流轉換電路，同步地去加到圖二中的I1、I2上；
3. TTL同步輸出：將方波經三極管電路轉成0(Low)、5V(High)的TTL信號即可。
但注意這樣的TTL信號須再經過緩沖門（buffer)后才能輸出，以增加扇出數（Fan Out)，通常有時還并聯幾個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，則可讓信號源產生一個周期的信號輸出，設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，產生波形輸出，直到輸入為LOW時，圖二SWI接地而關掉信號源輸出；
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. 任意波形發生器，仿真實驗的最佳儀器
任意波形發生器是信號源的一種，它具有信號源所有的特點。我們傳統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。可見信號源在電子實驗和測試處理中，并不測量任何參數而是根據使用者的要求，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，函數發生器、脈沖發生器、掃描發生器、任意波形發生器、合成信號源等。一般來講任意波形發生器，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。
一、函數功能，仿真基礎實驗室設計人員的環境
函數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，有的還同時具有調制和掃描能力，眾所周知，在我們的基礎實驗中（如大學電子實驗室、科研機構研究實驗室、工廠開發實驗室等），我們設計了一種電路，需要驗證其可靠性與穩定性，就需要給它施加理想中的波形以辨別真偽。如我們可使用信號源的DC補償功能對固態電路控制DC偏壓電平；我們可對一個懷疑有故障的數字電路，利用信號源的方波輸出作為數字電路的時鐘，同時使用方波加DC補償產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生器這方面的基礎功能，能仿真您基礎實驗室所必須的信號。
二、任意波形，仿真模擬更復雜的信號要求
眾所周知，在我們實際的電子環境所設計的電路在運行中，由于各種干擾和響應的存在，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），這些情況的發生，如在設計之初沒有考慮進去，有的將會產生災難性后果。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雜的重要領域尤其重要。
由于任意波形發生器特殊的功能，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據。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生器，內置一定數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到計算機作更進一步分析與處理。
三、下載傳輸，更進一步實時仿真
在一些軍事、航空、交通制造業等領域中，有些電路運行環境很難估計，在實驗設計完成之后，在現實環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計產品（例如高速火車、飛機）的可行性和穩定性等；我們就可利用有些任意波形發生器波形下載功能，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到信號源，直接下載到設計電路，更進一步實驗驗證。
綜上所述，任意波形發生器是電子工程師信號仿真實驗的最佳工具。我們選購時除關心傳統信號源的缺陷——頻率精度、頻率穩定度、幅度精度、信號失真度外，更應關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，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。
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