任意波形發(fā)生器是現(xiàn)代電子測試領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一，它的功能遠比函數(shù)發(fā)生器強,，可以產(chǎn)生各種理想及非理想的波形信號,，對存在的各種波雷達、導(dǎo)航,、宇航等領(lǐng)域,。形都可以模擬,，廣泛應(yīng)用于測試、通信,、雷達,、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域,。
什么是波形發(fā)生器?
波形發(fā)生器是可以使用振蕩器和脈沖電路產(chǎn)生正弦波,，方波，三角波和鋸齒波的電子電路,。
本文將介紹不同的波形發(fā)生器,，和如何設(shè)計波形發(fā)生器?
任意波形發(fā)生器的功能
任意波形發(fā)生器既具有其他信號源的信號生成能力，又可以通過各種編輯手段產(chǎn)生任意的波形采樣數(shù)據(jù),，方便地合成其他信號源所不能生成的任意波形,，從而滿足測試和實驗的要求。任意波形發(fā)生器的主要功能包括：
(1)函數(shù)發(fā)生功能
基礎(chǔ)實驗中,，為了驗證電路功能,、穩(wěn)定性和可靠性，需要給它施加理想波形,，任意波形發(fā)生器能替代函數(shù)發(fā)生器提供正弦波,、方波、三角波,、鋸齒波等波形,，還具有各種調(diào)制和掃頻能力。利用任意波形發(fā)生器的這一基礎(chǔ)功能就能滿足一般實驗的信號需求,。
(2)任意波形生成
出于各種干擾的存在以及環(huán)境的變化,，實際運行在實際電子環(huán)境中的設(shè)備，電路中往往存在各種信號缺陷和瞬變信號,，例如過脈沖,、尖峰、阻尼瞬變,、頻率突變等,。任意波形發(fā)生器可以模擬這些特殊信號，以測試系統(tǒng)的實際性能,。
(3)信號還原功能
在一些軍事,、航空等領(lǐng)域，有些電路運行環(huán)境很難估計,，在設(shè)計完成之后,，在現(xiàn)實環(huán)境中還需要更進一步的實驗驗證，而有些實驗的成本很高或者風險性很大(如飛機試飛時發(fā)動機的運行情況),，人們不可能重復(fù)作實驗來判斷所設(shè)計產(chǎn)品的可行性和穩(wěn)定性,。此時,，可以利用任意波形發(fā)生器的信號還原功能。在做一些高耗費,、高風險實驗時,，可以通過數(shù)字示波器把現(xiàn)實中的實際波形記錄下來，再通過計算機接口下載到任意波形發(fā)生器,，通過任意波形發(fā)生器還原實驗中的實際做進一步的實驗驗證工作,。
施密特波形發(fā)生器
施密特反相器的輸出狀態(tài)與其輸入狀態(tài)(非門原理)的輸出狀態(tài)相反或相反，并且它可以在不同的電壓電平下改變狀態(tài),，從而使其具有“滯后”,。施密特反相器使用施密特觸發(fā)器動作，當輸入電壓信號在輸入端子周圍增加和減小時,，該操作在上閾值電平和下閾值電平之間改變狀態(tài),。該上閾值電平“設(shè)置”輸出，下閾值電平“復(fù)位”輸出,，其分別等于逆變器的邏輯“0”和邏輯“1”,。
CMOS施密特波形發(fā)生器
用于CMOS 40106的施密特波形發(fā)生器電路基本上與之前的TTL 74LS14逆變器相同，除了增加了10kΩ電阻,，用于防止電容器損壞敏感MOSFET輸入晶體管，因為它在較高頻率下快速放電,。
標記 - 空間比率更均勻大約1：1匹配,，反饋電阻值增加到100kΩ以下，導(dǎo)致更小和更小r定時電容,， C ,。振蕩頻率可能與:( 1 / 1.2RC )不同，因為CMOS輸入特性與TTL不同,。電阻值介于：1kΩ和100kΩ之間,，電容值介于： 1pF至100uF 之間。這將提供0.1Hz至100kHz之間的頻率范圍,。
施密特反相器波形發(fā)生器也可以由連接的各種不同邏輯門構(gòu)成逆變器電路,。基本的施密特非穩(wěn)態(tài)多諧振蕩器電路可以通過一些額外的元件輕松修改,，以產(chǎn)生不同的輸出或頻率,。
NAND門波形發(fā)生器
施密特波形發(fā)生器也可以使用連接的標準CMOS邏輯NAND門來產(chǎn)生逆變器電路。這里,，兩個 NAND 門連接在一起,，產(chǎn)生另一種 RC 張弛振蕩器電路，它將產(chǎn)生如下所示的方波形輸出波形,。
在這種波形發(fā)生器電路中,， RC 網(wǎng)絡(luò)由電阻器 R1 和電容器 C 組成,，此 RC 網(wǎng)絡(luò)由第一個 NAND的輸出控制門。此 R1C 網(wǎng)絡(luò)的輸出通過電阻器 R2 反饋到第一個 NAND 門的輸入端,，當電容器兩端的充電電壓反饋時達到第一個 NAND 門的上限閾值,， NAND 門改變狀態(tài)，導(dǎo)致第二個 NAND 門跟隨它,，從而改變狀態(tài)和產(chǎn)生輸出電平的變化,。
R1C 網(wǎng)絡(luò)上的電壓現(xiàn)在反轉(zhuǎn)，電容開始通過電阻放電,，直到達到第一個電壓的下閾值電平,。 NAND 門使兩個門再次改變狀態(tài)。與上面的上述施密特波形發(fā)生器電路一樣,，振蕩頻率由 R1C 時間常數(shù)決定,，時間常數(shù)為： 1 / 2.2R1C 。通常 R2 的值為電阻 R1 的10倍,。
當需要高穩(wěn)定性或保證自啟動時,，CMOS波形發(fā)生器可以使用三個反相 NAND 門或任何三個邏輯逆變器來制作，如下所示連接在一起產(chǎn)生一個有時被稱為“三環(huán)”的電路波形發(fā)生器,。振蕩頻率由 R1C 時間常數(shù)再次確定,，與上面的兩個門振蕩器相同，并且當 1 / 2.2R1C > R2 的值是電阻值的10倍,， R1 ,。
環(huán)形波形發(fā)生器
振蕩頻率取決于所使用的 Inverters 的總傳播延遲在環(huán)內(nèi)并且其本身由柵極技術(shù)的類型決定，即逆變器的TTL,，CMOS,，BiCMOS。傳播延遲或傳播時間是信號從到達輸入端的邏輯“0”直接通過逆變器所需的總時間(通常以納秒為單位),，產(chǎn)生邏輯“1”
對于這種類型的環(huán)形波形發(fā)生器電路,，電源電壓，溫度和負載電容的變化都會影響邏輯門的傳播延遲,。通常,，平均傳播延遲時間將在制造商數(shù)據(jù)表中給出，使用的數(shù)字邏輯門類型的振蕩頻率如下：
其中：?是振蕩頻率,， n 是使用的門數(shù),， Tp 是每個門的傳播延遲。
例如,，假設(shè)一個簡單的波形發(fā)生器電路有5個單獨的逆變器串聯(lián)連接在一起形成環(huán)振蕩器,，每個逆變器的傳播延遲以 8ns 給出。那么振蕩的頻率將給出如下：
當然，這實際上并不是一個實際的振蕩器它的不穩(wěn)定性和非常高的振蕩頻率,，10兆赫茲取決于所使用的邏輯門技術(shù)的類型,，在我們的簡單例子中它被計算為12.5MHz !!通過改變環(huán)內(nèi)使用的 Inverters 的數(shù)量，可以稍微“調(diào)整”環(huán)形振蕩器輸出頻率,，但使用更穩(wěn)定的 RC 波形發(fā)生器要好得多我們在上面討論過的,。
然而，它確實表明邏輯門可以連接在一起產(chǎn)生基于邏輯的波形發(fā)生器和設(shè)計糟糕的數(shù)字電路,，有許多門,，信號路徑和反饋回路已知無意間振蕩。
通過逆變器電路上的 RC 網(wǎng)絡(luò),，可以精確控制振蕩頻率,，從而產(chǎn)生更實用的非穩(wěn)態(tài)振蕩振蕩器用于許多通用電子應(yīng)用的電路。
波形發(fā)生器的制作
一,、任務(wù)
設(shè)計制作一個波形發(fā)生器,，該波形發(fā)生器能產(chǎn)生正弦波、方波,、三角波和由用戶編輯的特定形狀波形,。
二、要求
1.基本要求
(1)具有產(chǎn)生正弦波,、方波,、三角波三種周期性波形的功能。
(2)用鍵盤輸入編輯生成上述三種波形(同周期)的線性組合波形,，以及由基波及其諧波(5次以下)線性組合的波形,。
(3)具有波形存儲功能。
(4)輸出波形的頻率范圍為100Hz～20kHz(非正弦波頻率按10次諧波計算);重復(fù)頻率可調(diào),，頻率步進間隔≤100Hz。
(5)輸出波形幅度范圍0～5V(峰-峰值),，可按步進0.1V(峰-峰值)調(diào)整,。
(6)具有顯示輸出波形的類型、重復(fù)頻率(周期)和幅度的功能,。
2.發(fā)揮部分
(1)輸出波形頻率范圍擴展至100Hz～200kHz,。
(2)用鍵盤或其他輸入裝置產(chǎn)生任意波形。
(3)增加穩(wěn)幅輸出功能,，當負載變化時,，輸出電壓幅度變化不大于±3%(負載電阻變化范圍：100Ω～∞)。
(4)具有掉電存儲功能,，可存儲掉電前用戶編輯的波形和設(shè)置,。
(5)可產(chǎn)生單次或多次(1000次以下)特定波形(如產(chǎn)生1個半周期三角波輸出)。
(6)其它(如增加頻譜分析、失真度分析,、頻率擴展>200kHz,、掃頻輸出等功能)。