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函数信号发生器

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锯齿波,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:
 
  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。[NextPage]
 
  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
 
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