实验五任意函数信号发生器解读

实验五任意函数信号发生器

一、实验目的

1.理解数字合成信号源的基本原理。

2. 熟悉了解常见信号波形参数的设置与观测。

3.掌握数字合成信号源的使用方法。

二、实验内容

1.用外部示波器观察实验箱DDS信号源分别产生的16种波形。

2.选2~5种波形的信号改变频率、幅度,从示波器上观察、记录。

3.用实验箱的虚拟示波器重复做上面的1、2步骤,观察记录下波形数据。

4.用鼠标画图方法,从界面上输入任意波形数据。

5.用信号源高级设置设置信号参数,并输出波形。

三、实验器材

软件:中文WindowsXP,LabVIEW 7.0。

硬件:微型计算机、虚拟仪器实验箱(SJ8002。

四、实验原理

1.信号源在电子测量中的作用和组成

信号源是能够产生不同频率、不同幅度的规则或不规则波形的信号发生器,在电子系统的测量、校准、试验及维护中得到了广泛的应用。

信号源的用途主要有以下三方面:

(1激励源。

作为电子设备的激励信号,如在电阻两端施加一定电压幅度的信号,测量流过的电流来获得阻值,又如用音频信号源激励扬声器使其发声。

(2信号仿真

若要研究设备在实际环境下所受的影响,而又暂时无法放到实际环境中测试时,可以利用信号源给其施加与实际环境相同特性的信号来测试,这时信号源就要仿真实际的特征信号,如噪声信号,高频干扰信号等。

(3标准信号源

一类是用于产生一些标准信号,提供给某类设备测试专用如电视信号发生器。另一类是用作对一般信号源校准,亦称为校准源。

2.直接数字合成基本原理

(1DDS组成原理

直接数字合成(Direct Digital Synthesis的基本原理是基于取样技术和计算技术,通过数字合成来生成频率和相位对于固定的参考频率可调的信号。DDS原理框图如图7-1所示。

K

O

图7-1 DDS 组成原理

DDS 信号源主要由相位累加器、ROM 波形存储器、DAC 数模转换器以及低通滤波器组成。其工作原理如下:首先相位累加器根据输入的频率控制码输出相位序列,并作为波形存储器RAM 的地址,RAM 里面可以是预先存放的固定波形的一个周期的幅值编码,也可以是用户在使用过程中存入的任意波形的幅度编码,这样RAM 的数据线上就产生了一系列的幅度编码数字信号,然后把该编码经过D/A 转

换得到模拟的阶梯电压,最后经过低通滤波器使其平滑后即得到所需要的模拟波形。

频率控制字K 和时钟频率C f 共同决定着DDS 输出信号的频率O f ,频率分辨率正比于系统的时钟C f ,而反比于相位累加器的位数。

它们之间的关系满足: 2

c

o N f f K =⋅ (7-1 相应的,其频率分辨率为: 2

c

N f f ∆= (7-2

(2相位累加器原理

如果改变地址计数器计数步进值(即以值1(≥M M 来进行累加,则在保持时钟频率

c f 和RAM 数据不变的情况下,可以改变每周期采样点数,从而实现输出频率o f 的改变。

例如:设存储器中存储了2N 个数据(一个周期的采样数据,则地址计数器步进为1时,输出频率2N o C f f =,如果地址计数步进为M ,则每周期取样点数为2N M ,输出频率

(2N o c f M f =

(3DDS 的性能

DDS 信号源输出的信号实际上是以时钟c f 的速率对波形进行取样,从获得的样本值中恢复出来的。根据取样定理2(max c o f f ≤,所以1

2-≤N M 。实际中一般取2

2

-≤N M 。

当1=M 时,输出频率最小,c N o f f 21(min =。输出频率的分辨率f ∆由相位累加器的位

数N 决定,即c N f f 21(=∆。

例如:参考时钟频率为1GHz ,累加器相位为32位,则频率分辨力为0.233Hz 。而M 改变时,其频率分辨力不会发生变化,因此DDS 可以解决快捷变换与小步进之间的矛盾。由于D/A 、存储器等器件的限制,DDS 输出频率的上限不高,目前仍只能达到几十MHz 。 3.DDS 频率合成信号源

(1单片集成化的DDS 信号源

单片集成DDS 芯片一般包含了相位累加器、波形存储器、D/A 及时钟源等部件,典型芯片如 AD9854。外部输入的参考时钟为DDS 提供时钟频率,通过可编程寄存器,可以设置频率控制字和相位控制字,实现频率和相位控制。D/A 之前加入了一个数字乘法器,以实现幅度调制。

(2基于可编程器件的DDS 频率合成信号源

单片集成的DDS 芯片合成信号波形的种类较少,灵活性较差,不便于任意波发生器等场合的应用。基于可编程器件实现的DDS 信号合成可具有更大的灵活性。

相位累加与控制逻辑采用CPLD 、FPGA 等高速可编程芯片来实现,波形存储器也采用高速RAM 。在参考时钟控制下,根据CPU 设定的频率控制字进行相位累加,累加器输出波形数据存储器(RAM 的地址,从RAM 中取出的数据经D/A 转换后便得到所需频率信号。修改RAM 中的波形数据就可以非常灵活的产生各种波形,如正弦波、三角波、方波、钟型

波等函数信号和任意波形。

(3DDS/PLL 组合的频率合成信号源

DDS 具有极高的频率分辨率和极短的转换时间,但其输出频率上限较低;而锁相环具有很高的工作频率及较窄的带宽,但频率分辨率较低,转换时间较长。因此,两者优缺点互补,可以将两者组合起来,取长补短,从而使频率合成信号源的性能大幅提高。 4.虚拟数字合成信号源

虚拟数字合成信号源界面如图7-2。

数字合成信号源输出分两路,分别是Aout1和Aout2。

初级使用直接设定信号的幅度,频率,选择波形按钮后输出设定的信号波形。两路右边框图的波形显示均为示意图。

高级使用,点击“高级设置”进入后,设定“时钟频率”,“步进”,“幅度粗调”,“幅度微调”后,点“启动”输出设定的波形。

设定输出任意形状波形,点击“任意波形”进入后,用鼠标画出任意波形,再设定信号幅度,频率后输出需要的任意波形。

注意:数字合成信号源的输出信号频率范围正弦波为2Hz~2MHz ,方波为

2Hz~500KHz 其他波形为2Hz ~200KHz ,峰值幅度范围0.1V~8V ,设定各参数时需保证输出信号在此范围内。