虚拟多波形信号源的原理和应用

虚拟多波形信号源的原理和应用

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，观察记录下数据。
4．用信号源高级设置信号参数（时钟频率、步进值、幅度增益），并输出要求信号。
5．计算和产生一个符合要求的任意波形。

三、实验器材

1．SJ-8002B电子测量实验箱                                  1台
2．双踪示波器（20MHz模拟或数字示波器）                     1台
3．计算机(具有运行windows2000和图形化控件的能力)           1台

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

（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1所示。

                      

                                                              图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：                                                （1）
相应的，其频率分辨率为：                                              （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。

（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。

图2   虚拟数字合成信号源主界面

   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。

五、实验步骤

1．实验准备

（1）硬件连线

①实验选择电子测量实验箱的内部信号源和外部数字示波器的连线如图3

                          

                                         图3 内部信号源和外部数字示波器实验的硬件连线图

   在开电源前，用Q9线把电子测量实验箱内部信号源的Aout1和Aout2分别与外部数字示波器相连；连通EPP线。主板上的短路块S102放左面。

  实验选择电子测量实验箱的内部信号源和数据采集的连线如图4。

                                  

                                                 图4  内部信号源和数据采集实验的硬件连线图

    在开电源前，用Q9线把电子测量实验箱内部信号源和数据采集的BNC接头Aout1和Ain1，Aout2和Ain2分别相连；连通EPP线。主板上的短路块S102放左面。

（2）进入实验的界面，选择实验七，数字合成信号源。出现界面如图2

   注意：在运行软件前要先打开实验箱的电源。

2．观察信号源产生的波形

（1）用外部示波器观察内部信号源产生的各种波形

  按图7-3进行硬件连线。
   ①直接点击想要显示的波形，观察示波器输出信号的波形，幅度和频率。再依次点击16种波形，观察，分析输出的波形。
   例如：默认“峰值幅度”和“频率”，直接点“方波”按钮，观察示波器显示。
   ②在“峰值幅度”和“频率”框内设定需要输出信号的幅度和频率值，点击需要输出的波形，观察示波器显示，记录结果在表1
                                表1 信号源输出波形的数据观察记录表

输出波形	设定信号幅度F峰值（V）	输出信号幅度峰值（V）	设定信号频率（kHz）	输出信号频率（kHz）	波形是否正确
对数	2		0.1
M波	2		2
辛克波	2		20
正弦	2		200

（2）用虚拟示波器观察内部信号源产生的各种波形

   按图4进行硬件连线。
   ①直接点击想要显示的波形，观察示波器输出信号的波形，幅度和频率。再依次点击16种波形，观察，分析输出的波形。
   ②在“峰值幅度”和“频率”框内设定需要输出信号的幅度和频率值，点击需要输出的波形，观察示波器显示，记录结果在表2
                                           表2 信号源输出波形的数据观察记录表

输出波形	设定信号幅度F峰值（V）	输出信号幅度峰值（V）	设定信号频率（kHz）	输出信号频率（kHz）	波形是否正确
对数	2		0.1
M波	2		2
辛克波	2		20
正弦	2		200

3．高级设置输出波形

按图3进行硬件连线。点虚拟信号源的“高级设置”出现如图5的界面

                           图5    信号源高级设置的界面

   如图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。
   ①频率设置
   频率设置由前面的公式（1）计算得出，输出信号频率与频率控制字和时钟频率相关。SJ-8002B电子测量实验箱主板的相位累加器位数是24，故；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（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1，得到
其中H取值范围0～15，M和L取值范围0~255。

   ②幅度设置
   峰值幅度相关设置由图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50～250。 例如：“幅度初调”选择为0.01N，则幅度分辨率M=0.01；“幅度微调”设定N=150，则可得输出信号的峰值幅度

   ③信号源高级设置输出波形
   按照表3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3 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）
100	1	1.25M
2K	2.5	20M
2K	4	5M
80K	6	20M

    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。

   任意波形产生

   按图3进行硬件连线。点虚拟信号源的“任意波形”出现如图5的界面。
   任意波形的产生输入方式有三种：（1）左上位置的鼠标画图区；（2）左下角为函数组合波形（系数的范围是-10~10）；（3）中间的波形数据输入：一个周期共256点，每个数取值0～255。
   三种方式中，（2）（3）波形更准确。

   (1) 任意波形发生信号源界面
   左上的白色画布上可以画任意波形，所画波形在高度上满格为设定信号的幅度，宽度上也要满格才为一个周期；左下的为函数发生波形，各个框内可任意设定各函数的系数（系数的范围是-10~10）；中间的有256个点（一个波形周期为256个点），可以依次设定各点波形的幅度（各点的范围是0~255）。
   右边的图形显示框内红色线条为点击“绘图”按钮后，存入SRAM里的波形。
   在“幅度”选择信号的峰峰值，“频率”框分别设定频率（范围0.1K～20KHz），点“数据写入Aout1”或“数据写入Aout2”；最后点“启动”，观察示波器显示的任意波形的形状，幅度，频率。

  （2）在组合波形界面的左下方输入基波、二次谐波、三次谐波的系数，相位延迟角度取0，点击“绘图”，右上方的显示窗显示生成的组合波形，点击“数据写入Aout1”，选择组合波形的幅度（峰峰值），频率（基波频率），最后点击“启动”，则从Aout1输出要求的信号，可外接示波器观察。改变系数和相位，重做几次。

                                图6    任意波形发生信号源的界面
   （3）计算和产生抛物线函数的信号波形，公式为。要求先计算出信号每个周期的波形数据（256点），填入表4，键入计算机，选择频率为100Hz～1KHz幅度为2V~8V，然后输出。从示波器观察信号的波形、频率、幅度，并记录。
  （提示：把一个周期波形分为256点，计算出X和Y，规一化后乘以255）

                                 表 4 抛物线函数的波形数据表

	0 ，1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，14，15，16，17，18，19?
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240

 

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？

   2．DDS信号源输出频率上限受哪些因素限制？