虛擬多波形信號源的原理和應用

一、實驗目的????????????????????????????????????????????????????????????????????

1．理解數(shù)字合成信號源的基本原理。
2. 熟悉了解常見信號波形參數(shù)的設置與觀測。
3．掌握數(shù)字合成信號源的使用方法。

二、實驗內(nèi)容

1．用外部示波器觀察實驗箱DDS信號源產(chǎn)生的16種波形。
2．選2～5種波形的信號改變頻率、幅度，從示波器上觀察、記錄。
3．用實驗箱的虛擬示波器重復做上面的1、2步驟，觀察記錄下數(shù)據(jù)。
4．用信號源高級設置信號參數(shù)（時鐘頻率、步進值、幅度增益），并輸出要求信號。
5．計算和產(chǎn)生一個符合要求的任意波形。

三、實驗器材

1．SJ-8002B電子測量實驗箱????????????????????????????????? 1臺
2．雙蹤示波器（20MHz模擬或數(shù)字示波器） ??????????????????? 1臺
3．計算機(具有運行windows2000和圖形化控件的能力) ????????? 1臺

四、實驗原理

1．信號源在電子測量中的作用和組成

?? 信號源是能夠產(chǎn)生不同頻率、不同幅度的規(guī)則或不規(guī)則波形的信號發(fā)生器，在電子系統(tǒng)的測量、校準、試驗及維護中得到了廣泛的應用。
?? 信號源的用途主要有以下三方面：

（1）激勵源。

?? 作為電子設備的激勵信號，如在電阻兩端施加一定電壓幅度的信號，測量流過的電流來獲得阻值，又如用音頻信號源激勵揚聲器使其發(fā)聲。

（2）信號仿真

?? 若要研究設備在實際環(huán)境下所受的影響，而又暫時無法放到實際環(huán)境中測試時，可以利用信號源給其施加與實際環(huán)境相同特性的信號來測試，這時信號源就要仿真實際的特征信號，如噪聲信號，高頻干擾信號等。

（3）標準信號源

? 一類是用于產(chǎn)生一些標準信號，提供給某類設備測試專用如電視信號發(fā)生器。另一類是用作對一般信號源校準，亦稱為校準源。

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和計算技術，通過數(shù)字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調(diào)的信號。DDS原理框圖如圖1所示。

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??????????????????????????????????????????????????????????? ? 圖1??? DDS組成原理 ??

??? DDS信號源主要由相位累加器、ROM波形存儲器、DAC數(shù)模轉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，并作為波形存儲器RAM的地址，RAM里面可以是預先存放的固定波形的一個周期的幅值編碼，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，然后把該編碼經(jīng)過D/A轉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。
?? 頻率控制字和時鐘頻率共同決定著DDS輸出信號的頻率，頻率分辨率正比于系統(tǒng)的時鐘，而反比于相位累加器的位數(shù)。
它們之間的關系滿足：???????????? ?????????????????????????????????? （1）
相應的，其頻率分辨率為：???????? ???????????????????????????????????? （2）

（2）相位累加器原理

?? 如果改變地址計數(shù)器計數(shù)步進值（即以值來進行累加），則在保持時鐘頻率和RAM數(shù)據(jù)不變的情況下，可以改變每周期采樣點數(shù)，從而實現(xiàn)輸出頻率的改變。例如：設存儲器中存儲了2N個數(shù)據(jù)（一個周期的采樣數(shù)據(jù)），則地址計數(shù)器步進為1時，輸出頻率，如果地址計數(shù)步進為，則每周期取樣點數(shù)為，輸出頻率

（3）DDS的性能

?? DDS信號源輸出的信號實際上是以時鐘的速率對波形進行取樣，從獲得的樣本值中恢復出來的。根據(jù)取樣定理，所以。實際中一般取。當時，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，其頻率分辨力不會發(fā)生變化，因此DDS可以解決快捷變換與小步進之間的矛盾。由于D/A、存儲器等器件的限制，DDS輸出頻率的上限不高，目前仍只能達到幾十MHz。

（1）單片集成化的DDS信號源

?? 單片集成DDS芯片一般包含了相位累加器、波形存儲器、D/A及時鐘源等部件，典型芯片如????? AD9854。外部輸入的參考時鐘為DDS提供時鐘頻率，通過可編程寄存器，可以設置頻率控制字和相位控制字，實現(xiàn)頻率和相位控制。D/A之前加入了一個數(shù)字乘法器，以實現(xiàn)幅度調(diào)制。

（2）基于可編程器件的DDS頻率合成信號源

?? 單片集成的DDS芯片合成信號波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發(fā)生器等場合的應用?；诳删幊唐骷崿F(xiàn)的DDS信號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現(xiàn)，波形存儲器也采用高速RAM。在參考時鐘控制下，根據(jù)CPU設定的頻率控制字進行相位累加，累加器輸出波形數(shù)據(jù)存儲器（RAM）的地址，從RAM中取出的數(shù)據(jù)經(jīng)D/A轉換后便得到所需頻率信號。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)信號和任意波形。

??? DDS具有極高的頻率分辨率和極短的轉換時間，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，轉換時間較長。因此，兩者優(yōu)缺點互補，可以將兩者組合起來，取長補短，從而使頻率合成信號源的性能大幅提高。

4.虛擬數(shù)字合成信號源

?? 虛擬數(shù)字合成信號源界面如圖2。
?? 數(shù)字合成信號源輸出分兩路，分別是Aout1和Aout2。
?? 初級使用直接設定信號的幅度，頻率，選擇波形按鈕后輸出設定的信號波形。兩路右邊框圖的波形顯示均為示意圖。
?? 高級使用，點擊“高級設置”進入后，設定“時鐘頻率”，“步進”，“幅度粗調(diào)”，“幅度微調(diào)”后，點“啟動”輸出設定的波形。
?? 設定輸出任意形狀波形，點擊“任意波形”進入后，用鼠標畫出任意波形，再設定信號幅度，頻率后輸出需要的任意波形。

圖2?? 虛擬數(shù)字合成信號源主界面

五、實驗步驟

1．實驗準備

（1）硬件連線

①實驗選擇電子測量實驗箱的內(nèi)部信號源和外部數(shù)字示波器的連線如圖3

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???????????????????????????????????????? 圖3 內(nèi)部信號源和外部數(shù)字示波器實驗的硬件連線圖

?? 在開電源前，用Q9線把電子測量實驗箱內(nèi)部信號源的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。

? 實驗選擇電子測量實驗箱的內(nèi)部信號源和數(shù)據(jù)采集的連線如圖4。

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? ???????????????????????????????????????????? ? 圖4? 內(nèi)部信號源和數(shù)據(jù)采集實驗的硬件連線圖

??? 在開電源前，用Q9線把電子測量實驗箱內(nèi)部信號源和數(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）進入實驗的界面，選擇實驗七，數(shù)字合成信號源。出現(xiàn)界面如圖2

2．觀察信號源產(chǎn)生的波形

（1）用外部示波器觀察內(nèi)部信號源產(chǎn)生的各種波形

? 按圖7-3進行硬件連線。
?? ①直接點擊想要顯示的波形，觀察示波器輸出信號的波形，幅度和頻率。再依次點擊16種波形，觀察，分析輸出的波形。
?? 例如：默認“峰值幅度”和“頻率”，直接點“方波”按鈕，觀察示波器顯示。
?? ②在“峰值幅度”和“頻率”框內(nèi)設定需要輸出信號的幅度和頻率值，點擊需要輸出的波形，觀察示波器顯示，記錄結果在表1
??????????? ????????????????? ? 表1 信號源輸出波形的數(shù)據(jù)觀察記錄表

（2）用虛擬示波器觀察內(nèi)部信號源產(chǎn)生的各種波形

?? 按圖4進行硬件連線。
?? ①直接點擊想要顯示的波形，觀察示波器輸出信號的波形，幅度和頻率。再依次點擊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)設定需要輸出信號的幅度和頻率值，點擊需要輸出的波形，觀察示波器顯示，記錄結果在表2
?????????????????????????????????????????? 表2 信號源輸出波形的數(shù)據(jù)觀察記錄表

3．高級設置輸出波形

按圖3進行硬件連線。點虛擬信號源的“高級設置”出現(xiàn)如圖5的界面

?????????????????????????? 圖5??? 信號源高級設置的界面

?? 如圖5所示信號源高級設置包括波形，頻率相關（時鐘頻率，步進），幅度相關（幅度初調(diào)，幅度微調(diào)）等幾部分的設置。
?? ①頻率設置
?? 頻率設置由前面的公式（1）計算得出，輸出信號頻率與頻率控制字和時鐘頻率相關。SJ-8002B電子測量實驗箱主板的相位累加器位數(shù)是24，故；先選擇時鐘頻率，再確定頻率步進值，令圖7-6中的步進高位符號為H、步進中位符號為M、步進低位符號為L，則頻率控制字的計算公式為，由式（1）就可以得到需要的輸出信號頻率。例如：選擇“時鐘頻率”=80MHz，“步進高位”H=0，“步進中位”M=5，“步進低位”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幅度設置
?? 峰值幅度相關設置由圖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)”設定N=150，則可得輸出信號的峰值幅度

?? ③信號源高級設置輸出波形
?? 按照表3的要求信號的頻率，計算步進頻率控制字的高、中、低位，根據(jù)幅度要求選擇初調(diào)和微調(diào)，設定相關參數(shù)，點擊“啟動”后，觀察示波器顯示的波形，頻率和幅度是否滿足要求。信號波形選用正弦波。

???? ?? ??? ?? ?? ?? ??? ?? ?? ????? 表3 頻率和幅度參數(shù)設定

?? 任意波形產(chǎn)生

?? 按圖3進行硬件連線。點虛擬信號源的“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：一個周期共256點，每個數(shù)取值0～255。
?? 三種方式中，（2）（3）波形更準確。

?? (1) 任意波形發(fā)生信號源界面
?? 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定信號的幅度，寬度上也要滿格才為一個周期；左下的為函數(shù)發(fā)生波形，各個框內(nèi)可任意設定各函數(shù)的系數(shù)（系數(shù)的范圍是-10~10）；中間的有256個點（一個波形周期為256個點），可以依次設定各點波形的幅度（各點的范圍是0~255）。
?? 右邊的圖形顯示框內(nèi)紅色線條為點擊“繪圖”按鈕后，存入SRAM里的波形。
?? 在“幅度”選擇信號的峰峰值，“頻率”框分別設定頻率（范圍0.1K～20KHz），點“數(shù)據(jù)寫入Aout1”或“數(shù)據(jù)寫入Aout2”；最后點“啟動”，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，點擊“繪圖”，右上方的顯示窗顯示生成的組合波形，點擊“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），最后點擊“啟動”，則從Aout1輸出要求的信號，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)生信號源的界面
?? （3）計算和產(chǎn)生拋物線函數(shù)的信號波形，公式為。要求先計算出信號每個周期的波形數(shù)據(jù)（256點），填入表4，鍵入計算機，選擇頻率為100Hz～1KHz幅度為2V~8V，然后輸出。從示波器觀察信號的波形、頻率、幅度，并記錄。
? （提示：把一個周期波形分為256點，計算出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

?? 2．DDS信號源輸出頻率上限受哪些因素限制？