虛擬多波形信號(hào)源的原理和應(yīng)用

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。

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??????????????????????????????????????????????????????????? ? 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

（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

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

?? 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

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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？