一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康????????????????????????????????????????????????????????????????????
1.理解數(shù)字合成信號(hào)源的基本原理。
2. 熟悉了解常見信號(hào)波形參數(shù)的設(shè)置與觀測(cè)。
3.掌握數(shù)字合成信號(hào)源的使用方法。
二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
1.用外部示波器觀察實(shí)驗(yàn)箱DDS信號(hào)源產(chǎn)生的16種波形。
2.選2~5種波形的信號(hào)改變頻率、幅度,從示波器上觀察、記錄。
3.用實(shí)驗(yàn)箱的虛擬示波器重復(fù)做上面的1、2步驟,觀察記錄下數(shù)據(jù)。
4.用信號(hào)源高級(jí)設(shè)置信號(hào)參數(shù)(時(shí)鐘頻率、步進(jìn)值、幅度增益),并輸出要求信號(hào)。
5.計(jì)算和產(chǎn)生一個(gè)符合要求的任意波形。
三、實(shí)驗(yàn)器材
1.SJ-8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱????????????????????????????????? 1臺(tái)
2.雙蹤示波器(20MHz模擬或數(shù)字示波器) ??????????????????? 1臺(tái)
3.計(jì)算機(jī)(具有運(yùn)行windows2000和圖形化控件的能力) ????????? 1臺(tái)
四、實(shí)驗(yàn)原理
1.信號(hào)源在電子測(cè)量中的作用和組成
?? 信號(hào)源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號(hào)發(fā)生器,在電子系統(tǒng)的測(cè)量、校準(zhǔn)、試驗(yàn)及維護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。
?? 信號(hào)源的用途主要有以下三方面:
(1)激勵(lì)源。
?? 作為電子設(shè)備的激勵(lì)信號(hào),如在電阻兩端施加一定電壓幅度的信號(hào),測(cè)量流過的電流來獲得阻值,又如用音頻信號(hào)源激勵(lì)揚(yáng)聲器使其發(fā)聲。
(2)信號(hào)仿真
?? 若要研究設(shè)備在實(shí)際環(huán)境下所受的影響,而又暫時(shí)無法放到實(shí)際環(huán)境中測(cè)試時(shí),可以利用信號(hào)源給其施加與實(shí)際環(huán)境相同特性的信號(hào)來測(cè)試,這時(shí)信號(hào)源就要仿真實(shí)際的特征信號(hào),如噪聲信號(hào),高頻干擾信號(hào)等。
(3)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源
? 一類是用于產(chǎn)生一些標(biāo)準(zhǔn)信號(hào),提供給某類設(shè)備測(cè)試專用如電視信號(hào)發(fā)生器。另一類是用作對(duì)一般信號(hào)源校準(zhǔn),亦稱為校準(zhǔn)源。
2.直接數(shù)字合成基本原理
(1)DDS組成原理 直接數(shù)字合成(Direct Digital Synthesis)的基本原理是基于取樣技術(shù)和計(jì)算技術(shù),通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對(duì)于固定的參考頻率可調(diào)的信號(hào)。DDS原理框圖如圖1所示。
???????? ????????? ???
??????????????????????????????????????????????????????????? ? 圖1??? DDS組成原理 ??
??? DDS信號(hào)源主要由相位累加器、ROM波形存儲(chǔ)器、DAC數(shù)模轉(zhuǎn)換器以及低通濾波器組成。其工作原理如下:首先相位累加器根據(jù)輸入的頻率控制碼輸出相位序列,并作為波形存儲(chǔ)器RAM的地址,RAM里面可以是預(yù)先存放的固定波形的一個(gè)周期的幅值編碼,也可以是用戶在使用過程中存入的任意波形的幅度編碼,這樣RAM的數(shù)據(jù)線上就產(chǎn)生了一系列的幅度編碼數(shù)字信號(hào),然后把該編碼經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)換得到模擬的階梯電壓,最后經(jīng)過低通濾波器使其平滑后即得到所需要的模擬波形。
?? 頻率控制字和時(shí)鐘頻率共同決定著DDS輸出信號(hào)的頻率,頻率分辨率正比于系統(tǒng)的時(shí)鐘,而反比于相位累加器的位數(shù)。
它們之間的關(guān)系滿足:???????????? ?????????????????????????????????? (1)
相應(yīng)的,其頻率分辨率為:???????? ???????????????????????????????????? (2)
(2)相位累加器原理
?? 如果改變地址計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)步進(jìn)值(即以值來進(jìn)行累加),則在保持時(shí)鐘頻率和RAM數(shù)據(jù)不變的情況下,可以改變每周期采樣點(diǎn)數(shù),從而實(shí)現(xiàn)輸出頻率的改變。例如:設(shè)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)了2N個(gè)數(shù)據(jù)(一個(gè)周期的采樣數(shù)據(jù)),則地址計(jì)數(shù)器步進(jìn)為1時(shí),輸出頻率,如果地址計(jì)數(shù)步進(jìn)為,則每周期取樣點(diǎn)數(shù)為,輸出頻率
(3)DDS的性能
?? DDS信號(hào)源輸出的信號(hào)實(shí)際上是以時(shí)鐘的速率對(duì)波形進(jìn)行取樣,從獲得的樣本值中恢復(fù)出來的。根據(jù)取樣定理,所以。實(shí)際中一般取。當(dāng)時(shí),輸出頻率最小,。輸出頻率的分辨率由相位累加器的位數(shù)決定,即 。
?? 例如:參考時(shí)鐘頻率為1GHz,累加器相位為32位,則頻率分辨力為0.233Hz。而改變時(shí),其頻率分辨力不會(huì)發(fā)生變化,因此DDS可以解決快捷變換與小步進(jìn)之間的矛盾。由于D/A、存儲(chǔ)器等器件的限制,DDS輸出頻率的上限不高,目前仍只能達(dá)到幾十MHz。
(1)單片集成化的DDS信號(hào)源
?? 單片集成DDS芯片一般包含了相位累加器、波形存儲(chǔ)器、D/A及時(shí)鐘源等部件,典型芯片如????? AD9854。外部輸入的參考時(shí)鐘為DDS提供時(shí)鐘頻率,通過可編程寄存器,可以設(shè)置頻率控制字和相位控制字,實(shí)現(xiàn)頻率和相位控制。D/A之前加入了一個(gè)數(shù)字乘法器,以實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制。
(2)基于可編程器件的DDS頻率合成信號(hào)源
?? 單片集成的DDS芯片合成信號(hào)波形的種類較少,靈活性較差,不便于任意波發(fā)生器等場(chǎng)合的應(yīng)用?;诳删幊唐骷?shí)現(xiàn)的DDS信號(hào)合成可具有更大的靈活性。
?? 相位累加與控制邏輯采用CPLD、FPGA等高速可編程芯片來實(shí)現(xiàn),波形存儲(chǔ)器也采用高速RAM。在參考時(shí)鐘控制下,根據(jù)CPU設(shè)定的頻率控制字進(jìn)行相位累加,累加器輸出波形數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)的地址,從RAM中取出的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換后便得到所需頻率信號(hào)。修改RAM中的波形數(shù)據(jù)就可以非常靈活的產(chǎn)生各種波形,如正弦波、三角波、方波、鐘型波等函數(shù)信號(hào)和任意波形。
??? DDS具有極高的頻率分辨率和極短的轉(zhuǎn)換時(shí)間,但其輸出頻率上限較低;而鎖相環(huán)具有很高的工作頻率及較窄的帶寬,但頻率分辨率較低,轉(zhuǎn)換時(shí)間較長。因此,兩者優(yōu)缺點(diǎn)互補(bǔ),可以將兩者組合起來,取長補(bǔ)短,從而使頻率合成信號(hào)源的性能大幅提高。
4.虛擬數(shù)字合成信號(hào)源
?? 虛擬數(shù)字合成信號(hào)源界面如圖2。
?? 數(shù)字合成信號(hào)源輸出分兩路,分別是Aout1和Aout2。
?? 初級(jí)使用直接設(shè)定信號(hào)的幅度,頻率,選擇波形按鈕后輸出設(shè)定的信號(hào)波形。兩路右邊框圖的波形顯示均為示意圖。
?? 高級(jí)使用,點(diǎn)擊“高級(jí)設(shè)置”進(jìn)入后,設(shè)定“時(shí)鐘頻率”,“步進(jìn)”,“幅度粗調(diào)”,“幅度微調(diào)”后,點(diǎn)“啟動(dòng)”輸出設(shè)定的波形。
?? 設(shè)定輸出任意形狀波形,點(diǎn)擊“任意波形”進(jìn)入后,用鼠標(biāo)畫出任意波形,再設(shè)定信號(hào)幅度,頻率后輸出需要的任意波形。
圖2?? 虛擬數(shù)字合成信號(hào)源主界面
五、實(shí)驗(yàn)步驟
1.實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備
(1)硬件連線
①實(shí)驗(yàn)選擇電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱的內(nèi)部信號(hào)源和外部數(shù)字示波器的連線如圖3
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???????????????????????????????????????? 圖3 內(nèi)部信號(hào)源和外部數(shù)字示波器實(shí)驗(yàn)的硬件連線圖
?? 在開電源前,用Q9線把電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部信號(hào)源的Aout1和Aout2分別與外部數(shù)字示波器相連;連通EPP線。主板上的短路塊S102放左面。
? 實(shí)驗(yàn)選擇電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱的內(nèi)部信號(hào)源和數(shù)據(jù)采集的連線如圖4。
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? ???????????????????????????????????????????? ? 圖4? 內(nèi)部信號(hào)源和數(shù)據(jù)采集實(shí)驗(yàn)的硬件連線圖
??? 在開電源前,用Q9線把電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱內(nèi)部信號(hào)源和數(shù)據(jù)采集的BNC接頭Aout1和Ain1,Aout2和Ain2分別相連;連通EPP線。主板上的短路塊S102放左面。
(2)進(jìn)入實(shí)驗(yàn)的界面,選擇實(shí)驗(yàn)七,數(shù)字合成信號(hào)源。出現(xiàn)界面如圖2
2.觀察信號(hào)源產(chǎn)生的波形
(1)用外部示波器觀察內(nèi)部信號(hào)源產(chǎn)生的各種波形
? 按圖7-3進(jìn)行硬件連線。
?? ①直接點(diǎn)擊想要顯示的波形,觀察示波器輸出信號(hào)的波形,幅度和頻率。再依次點(diǎn)擊16種波形,觀察,分析輸出的波形。
?? 例如:默認(rèn)“峰值幅度”和“頻率”,直接點(diǎn)“方波”按鈕,觀察示波器顯示。
?? ②在“峰值幅度”和“頻率”框內(nèi)設(shè)定需要輸出信號(hào)的幅度和頻率值,點(diǎn)擊需要輸出的波形,觀察示波器顯示,記錄結(jié)果在表1
??????????? ????????????????? ? 表1 信號(hào)源輸出波形的數(shù)據(jù)觀察記錄表
輸出波形 |
設(shè)定信號(hào)幅度F峰值(V) |
輸出信號(hào)幅度峰值(V) |
設(shè)定信號(hào)頻率(kHz) |
輸出信號(hào)頻率(kHz) |
波形是否正確 |
對(duì)數(shù) |
2 |
0.1 |
|||
M波 |
2 |
2 |
|||
辛克波 |
2 |
20 |
|||
正弦 |
2 |
200 |
(2)用虛擬示波器觀察內(nèi)部信號(hào)源產(chǎn)生的各種波形
?? 按圖4進(jìn)行硬件連線。
?? ①直接點(diǎn)擊想要顯示的波形,觀察示波器輸出信號(hào)的波形,幅度和頻率。再依次點(diǎn)擊16種波形,觀察,分析輸出的波形。
?? ②在“峰值幅度”和“頻率”框內(nèi)設(shè)定需要輸出信號(hào)的幅度和頻率值,點(diǎn)擊需要輸出的波形,觀察示波器顯示,記錄結(jié)果在表2
?????????????????????????????????????????? 表2 信號(hào)源輸出波形的數(shù)據(jù)觀察記錄表
輸出波形 |
設(shè)定信號(hào)幅度F峰值(V) |
輸出信號(hào)幅度峰值(V) |
設(shè)定信號(hào)頻率(kHz) |
輸出信號(hào)頻率(kHz) |
波形是否正確 |
對(duì)數(shù) |
2 |
0.1 |
|||
M波 |
2 |
2 |
|||
辛克波 |
2 |
20 |
|||
正弦 |
2 |
200 |
3.高級(jí)設(shè)置輸出波形
按圖3進(jìn)行硬件連線。點(diǎn)虛擬信號(hào)源的“高級(jí)設(shè)置”出現(xiàn)如圖5的界面
?????????????????????????? 圖5??? 信號(hào)源高級(jí)設(shè)置的界面
?? 如圖5所示信號(hào)源高級(jí)設(shè)置包括波形,頻率相關(guān)(時(shí)鐘頻率,步進(jìn)),幅度相關(guān)(幅度初調(diào),幅度微調(diào))等幾部分的設(shè)置。
?? ①頻率設(shè)置
?? 頻率設(shè)置由前面的公式(1)計(jì)算得出,輸出信號(hào)頻率與頻率控制字和時(shí)鐘頻率相關(guān)。SJ-8002B電子測(cè)量實(shí)驗(yàn)箱主板的相位累加器位數(shù)是24,故;先選擇時(shí)鐘頻率,再確定頻率步進(jìn)值,令圖7-6中的步進(jìn)高位符號(hào)為H、步進(jìn)中位符號(hào)為M、步進(jìn)低位符號(hào)為L,則頻率控制字的計(jì)算公式為,由式(1)就可以得到需要的輸出信號(hào)頻率。例如:選擇“時(shí)鐘頻率”=80MHz,“步進(jìn)高位”H=0,“步進(jìn)中位”M=5,“步進(jìn)低位”L=25,則頻率控制字,再由公式1,得到
其中H取值范圍0~15,M和L取值范圍0~255。
?? ②幅度設(shè)置
?? 峰值幅度相關(guān)設(shè)置由圖6的“幅度初調(diào)”和“幅度微調(diào)”控制,令幅度峰值符號(hào)為V,幅度初調(diào)(幅度分辨率)為M,幅度微調(diào)為N,則輸出信號(hào)峰值幅度。N取值范圍50~250。 例如:“幅度初調(diào)”選擇為0.01N,則幅度分辨率M=0.01;“幅度微調(diào)”設(shè)定N=150,則可得輸出信號(hào)的峰值幅度
?? ③信號(hào)源高級(jí)設(shè)置輸出波形
?? 按照表3的要求信號(hào)的頻率,計(jì)算步進(jìn)頻率控制字的高、中、低位,根據(jù)幅度要求選擇初調(diào)和微調(diào),設(shè)定相關(guān)參數(shù),點(diǎn)擊“啟動(dòng)”后,觀察示波器顯示的波形,頻率和幅度是否滿足要求。信號(hào)波形選用正弦波。
???? ?? ??? ?? ?? ?? ??? ?? ?? ????? 表3 頻率和幅度參數(shù)設(shè)定
要求信號(hào)頻率 (Hz) |
信號(hào)幅度(峰值) |
選擇 |
步進(jìn)H |
步進(jìn)M |
步進(jìn)L |
測(cè)試輸出信號(hào)頻率(kHz) |
幅度初調(diào) |
幅度微調(diào) |
輸出信號(hào)幅度峰值(V) |
100 |
1 |
1.25M |
|||||||
2K |
2.5 |
20M |
|||||||
2K |
4 |
5M |
|||||||
80K |
6 |
20M |
?? 任意波形產(chǎn)生
?? 按圖3進(jìn)行硬件連線。點(diǎn)虛擬信號(hào)源的“任意波形”出現(xiàn)如圖5的界面。
?? 任意波形的產(chǎn)生輸入方式有三種:(1)左上位置的鼠標(biāo)畫圖區(qū);(2)左下角為函數(shù)組合波形(系數(shù)的范圍是-10~10);(3)中間的波形數(shù)據(jù)輸入:一個(gè)周期共256點(diǎn),每個(gè)數(shù)取值0~255。
?? 三種方式中,(2)(3)波形更準(zhǔn)確。
?? (1) 任意波形發(fā)生信號(hào)源界面
?? 左上的白色畫布上可以畫任意波形,所畫波形在高度上滿格為設(shè)定信號(hào)的幅度,寬度上也要滿格才為一個(gè)周期;左下的為函數(shù)發(fā)生波形,各個(gè)框內(nèi)可任意設(shè)定各函數(shù)的系數(shù)(系數(shù)的范圍是-10~10);中間的有256個(gè)點(diǎn)(一個(gè)波形周期為256個(gè)點(diǎn)),可以依次設(shè)定各點(diǎn)波形的幅度(各點(diǎn)的范圍是0~255)。
?? 右邊的圖形顯示框內(nèi)紅色線條為點(diǎn)擊“繪圖”按鈕后,存入SRAM里的波形。
?? 在“幅度”選擇信號(hào)的峰峰值,“頻率”框分別設(shè)定頻率(范圍0.1K~20KHz),點(diǎn)“數(shù)據(jù)寫入Aout1”或“數(shù)據(jù)寫入Aout2”;最后點(diǎn)“啟動(dòng)”,觀察示波器顯示的任意波形的形狀,幅度,頻率。
? (2)在組合波形界面的左下方輸入基波、二次諧波、三次諧波的系數(shù),相位延遲角度取0,點(diǎn)擊“繪圖”,右上方的顯示窗顯示生成的組合波形,點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)寫入Aout1”,選擇組合波形的幅度(峰峰值),頻率(基波頻率),最后點(diǎn)擊“啟動(dòng)”,則從Aout1輸出要求的信號(hào),可外接示波器觀察。改變系數(shù)和相位,重做幾次。
??????????????????????????????? 圖6??? 任意波形發(fā)生信號(hào)源的界面
?? (3)計(jì)算和產(chǎn)生拋物線函數(shù)的信號(hào)波形,公式為。要求先計(jì)算出信號(hào)每個(gè)周期的波形數(shù)據(jù)(256點(diǎn)),填入表4,鍵入計(jì)算機(jī),選擇頻率為100Hz~1KHz幅度為2V~8V,然后輸出。從示波器觀察信號(hào)的波形、頻率、幅度,并記錄。
? (提示:把一個(gè)周期波形分為256點(diǎn),計(jì)算出X和Y,規(guī)一化后乘以255)
???????????????????????? ??????? 表 4 拋物線函數(shù)的波形數(shù)據(jù)表
0 ,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19? | |
0 |
|
20 |
|
40 |
|
60 |
|
80 |
|
100 |
|
120 |
|
140 |
|
160 |
|
180 |
|
200 |
|
220 |
|
240 |
?
六、思考和練習(xí)
?? 2.DDS信號(hào)源輸出頻率上限受哪些因素限制?
評(píng)論
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