实验五任意函数信号发生器

1、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25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

2、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

3、。2.直接数字合成基本原理（1）DDS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。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

4、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。频率控制字和时钟频率共同决定着DDS输出信号的频率，频率分辨率正比于系统的时钟，而反比于相位累加器的位数。它们之间的关系满足： （7-1）相应的，其频率分辨率为： （7-2）（2）相位累加器原理如果改变地址计数器计数步进值（即以值来进行累加），则在保持时钟频率和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，如果地址计数步进为，则每周期取样点数为，输出频率（3）DDS的性能DDS信号源输出

5、的信号实际上是以时钟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，所以。实际中一般取。当时，输出频率最小，。输出频率的分辨率由相位累加器的位数决定，即 。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

6、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

7、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。（3）DDS/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

8、”，“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2Hz2MHz，方波为2Hz500KHz其他波形为2Hz200KHz，峰值幅度范围0.1V8V，设定各参数时需保证输出信号在此范围内。如图7-5所示信号源高级设置包括波形，频率相关（时钟频率，步进），幅度相关（幅度初调，幅度微调）等几部分的设置。频率设置频率设置由前面的公式7-1计算得出，输出信号频率与频率控制字和时钟频率相关。SJ8002电子测量实验箱主板的相位累加器位数是24，故

9、；先选择时钟频率，再确定频率步进值，令图7-6中的步进高位符号为H、步进中位符号为M、步进低位符号为L，则频率控制字的计算公式为，由式（7-1）就可以得到需要的输出信号频率。例如：选择“时钟频率”=80MHz，“步进高位”H=0，“步进中位”M=5，“步进低位”L=25，则频率控制字，再由公式7-1，得到其中H取值范围015，M和L取值范围0255。幅度设置峰值幅度相关设置由图7-6的“幅度初调”和“幅度微调”控制，令幅度峰值符号为V，幅度初调（幅度分辨率）为M，幅度微调为N，则输出信号峰值幅度。N取值范围50250。 例如：“幅度初调”选择为0.01N，则幅度分辨率M=0.01；“幅度微调”

10、设定N=150，则可得输出信号的峰值幅度信号源高级设置输出波形按照表73的要求信号的频率，计算步进频率控制字的高、中、低位，根据幅度要求选择初调和微调，设定相关参数，点击“启动”后，观察示波器显示的波形，频率和幅度是否满足要求。信号波形选用正弦波。表73 频率和幅度参数设定要求信号频率(Hz)信号幅度（峰值）V选择时钟频率步进H步进M步进L测试输出信号频率（kHz）幅度初调幅度微调输出信号幅度峰值（V）10011M2K2.520M2K45M80K620M注意：数字合成信号源的输出信号频率范围正弦波为2Hz2MHz，方波为2Hz500KHz其他波形为2Hz200KHz，峰值幅度范围0.1V8V，设定各参数时需保证输出信号在此范围内。六、思考和练习1. 信号源高级设置输出波形，选择不同的时钟频率和步进都可以得到同一个输出频率，分析哪一种设置输出的波形最好？为什么？2DD