認(rèn)識函數(shù)信號發(fā)生器
信號發(fā)生器一般區(qū)分為函數(shù)信號發(fā)生器及任意波形發(fā)生器，而函數(shù)波形發(fā)生器在設(shè)計(jì)上又區(qū)分出模擬及數(shù)字合成式,。眾所周知,，數(shù)字合成式函數(shù)信號源無論就頻率、幅度乃至信號的信噪比（S/N）均優(yōu)于模擬,，其鎖相環(huán)（ PLL）的設(shè)計(jì)讓輸出信號不僅是頻率精準(zhǔn),，而且相位抖動(dòng)(phase Jitter)及頻率漂移均能達(dá)到相當(dāng)穩(wěn)定的狀態(tài)，但畢竟是數(shù)字式信號源,，數(shù)字電路與模擬電路之間的干擾,，始終難以有效克服，也造成在小信號的輸出上不如模擬式的函數(shù)信號發(fā)生器,。
這是通用模擬式函數(shù)信號發(fā)生器的結(jié)構(gòu),，是以三角波產(chǎn)生電路為基礎(chǔ)經(jīng)二極管所構(gòu)成的正弦波整型電路產(chǎn)生正弦波，同時(shí)經(jīng)由比較器的比較產(chǎn)生方波,換句話說,，如果以恒流源對電容充電,，即可產(chǎn)生正斜率的斜波。同理,，右以恒流源將儲(chǔ)存在電容上的電荷放電即產(chǎn)生負(fù)斜率的斜波,，電路結(jié)構(gòu)如下：
當(dāng)I1 =I2時(shí)，即可產(chǎn)生對稱的三角波,，如果I1 > >I2,，此時(shí)即產(chǎn)生負(fù)斜率的鋸齒波，同理I1 < < I2即產(chǎn)生正斜率鋸齒波,。
再如圖二所示,，開關(guān)SW1的選擇即可讓充電速度呈倍數(shù)改變，也就是改變信號的頻率,，這也就是信號源面板上頻率檔的選擇開關(guān),。同樣的同步地改變I1及I2，也可以改變頻率,，這也就是信號源上調(diào)整頻率的電位器,，只不過需要簡單地將原本是電壓信號轉(zhuǎn)成電流而已。
而在占空比調(diào)整上的設(shè)計(jì)有下列兩種思路：
改變電平的幅度,，亦即改變方波產(chǎn)生電路比較器的參考幅度,，即可達(dá)到改變脈寬而頻率不變的特性，但其最主要的缺點(diǎn)是占空比一般無法調(diào)到20%以下,，導(dǎo)致在采樣電路實(shí)驗(yàn)時(shí),，對瞬時(shí)信號所采集出來的信號有所變動(dòng)，如果要將此信號用來作模數(shù)（A/D)轉(zhuǎn)換,，那么得到的數(shù)字信號就發(fā)生變動(dòng)而無所適從,。但不容否認(rèn)的在使用上比較好調(diào),。
1、占空比變,，頻率跟著改變,，其方法如下：
將方波產(chǎn)生電路比較器的參考幅度予以固定（正、負(fù)可利用電路予以切換）,，改變充放電斜率,，即可達(dá)成。
這種方式的設(shè)計(jì)一般使用者的反應(yīng)是“難調(diào)”,，這是大缺點(diǎn),，但它可以產(chǎn)生10%以下的占空比卻是在采樣時(shí)的必備條件。
以上的兩種占空比調(diào)整電路設(shè)計(jì)思路,，各有優(yōu)缺點(diǎn),，當(dāng)然連帶的也影響到是否能產(chǎn)生“像樣的”鋸齒波。
接下來PA（功率放大器）的設(shè)計(jì),。首先是利用運(yùn)算放大器（OP) ,，再利用推拉式(push-pull)放大器（注意交越失真Cross-distortion的預(yù)防）將信號送到衰減網(wǎng)路，這部分牽涉到信號源輸出信號的指標(biāo),，包含信噪比,、方波上升時(shí)間及信號源的頻率響應(yīng)，好的信號源當(dāng)然是正弦波信噪比高,、方波上升時(shí)間快,、三角波線性度要好、同時(shí)伏頻特性也要好,，（也即頻率上升,，信號不能衰減或不能減太大），這部分電路較為復(fù)雜,，尤其在高頻時(shí)除利用電容作頻率補(bǔ)償外,，也牽涉到PC板的布線方式,，一不小心,，極易引起振蕩，想設(shè)計(jì)這部分電路,，除原有的模擬理論基礎(chǔ)外尚需具備實(shí)際的經(jīng)驗(yàn),，“Try Error”的耐心是不可缺少的。
PA信號出來后,，經(jīng)過π型的電阻式衰減網(wǎng)路,，分別衰減10倍（20dB)或100倍（40dB),此時(shí)一部基本的函數(shù)波形發(fā)生器即已完成。（注意：選用π型衰減網(wǎng)絡(luò)而不是分壓電路是要讓輸出阻抗保持一定）,。
一臺功能較強(qiáng)的函數(shù)波形發(fā)生器,，還有掃頻,、VCG、TTL,、 TRIG,、 GATE及頻率計(jì)等功能，其設(shè)計(jì)方式在此也順便一提：
1. 掃頻：一般分成線性（Lin)及對數(shù)（Log)掃頻,；
2. VCG：即一般的FM,，輸入一音頻信號，即可與信號源本身的信號產(chǎn)生頻率調(diào)制,；
上述兩項(xiàng)設(shè)計(jì)方式,，第1項(xiàng)要先產(chǎn)生鋸齒波及對數(shù)波信號，并與第2項(xiàng)的輸入信號經(jīng)過多路器（Multiplexer)選擇,，然后再經(jīng)過電壓對電流轉(zhuǎn)換電路,，同步地去加到圖二中的I1、I2上,；
3. TTL同步輸出：將方波經(jīng)三極管電路轉(zhuǎn)成0(Low),、5V(High)的TTL信號即可。
但注意這樣的TTL信號須再經(jīng)過緩沖門（buffer)后才能輸出,，以增加扇出數(shù)（Fan Out),，通常有時(shí)還并聯(lián)幾個(gè)buffer。而TTL INV則只要加個(gè)NOT Gate即可,；
4. TRIG功能：類似One Shot功能,，輸入一個(gè)TTL信號，則可讓信號源產(chǎn)生一個(gè)周期的信號輸出,，設(shè)計(jì)方式是在沒信號輸入時(shí),，將圖二的SWI接地即可；
5. Gate功能：即輸入一個(gè)TTL信號,，讓信號源在輸入為Hi時(shí),，產(chǎn)生波形輸出，直到輸入為LOW時(shí),，圖二SWI接地而關(guān)掉信號源輸出,；
6. 頻率計(jì)：除市場上簡易的刻度盤顯示之外，無論是LED數(shù)碼管或LCD液晶顯示頻率,，其與頻率計(jì)電路是重疊的.
2. 任意波形發(fā)生器,，仿真實(shí)驗(yàn)的最佳儀器
任意波形發(fā)生器是信號源的一種，它具有信號源所有的特點(diǎn),。我們傳統(tǒng)都認(rèn)為信號源主要給被測電路提供所需要的已知信號（各種波形）,，然后用其它儀表測量感興趣的參數(shù)?？梢娦盘栐丛陔娮訉?shí)驗(yàn)和測試處理中,，并不測量任何參數(shù)而是根據(jù)使用者的要求,，仿真各種測試信號，提供給被測電路,，以達(dá)到測試的需要,。
信號源有很多種，包括正弦波信號源,，函數(shù)發(fā)生器,、脈沖發(fā)生器、掃描發(fā)生器,、任意波形發(fā)生器,、合成信號源等。一般來講任意波形發(fā)生器,，是一種特殊的信號源,，綜合具有其它信號源波形生成能力，因而適合各種仿真實(shí)驗(yàn)的需要,。
一,、函數(shù)功能，仿真基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)人員的環(huán)境
函數(shù)信號源是使用最廣的通用信號源,，它能提供正弦波,、鋸齒波、方波,、脈沖串等波形,，有的還同時(shí)具有調(diào)制和掃描能力，眾所周知,，在我們的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)中（如大學(xué)電子實(shí)驗(yàn)室,、科研機(jī)構(gòu)研究實(shí)驗(yàn)室、工廠開發(fā)實(shí)驗(yàn)室等）,，我們設(shè)計(jì)了一種電路,，需要驗(yàn)證其可靠性與穩(wěn)定性，就需要給它施加理想中的波形以辨別真?zhèn)?。如我們可使用信號源的DC補(bǔ)償功能對固態(tài)電路控制DC偏壓電平,；我們可對一個(gè)懷疑有故障的數(shù)字電路，利用信號源的方波輸出作為數(shù)字電路的時(shí)鐘,，同時(shí)使用方波加DC補(bǔ)償產(chǎn)生有效的邏輯電平模擬輸出,，觀察該電路的運(yùn)行狀況,，而證實(shí)故障缺陷的地方,。總之利用任意波形發(fā)生器這方面的基礎(chǔ)功能,，能仿真您基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)室所必須的信號,。
二,、任意波形，仿真模擬更復(fù)雜的信號要求
眾所周知,，在我們實(shí)際的電子環(huán)境所設(shè)計(jì)的電路在運(yùn)行中,，由于各種干擾和響應(yīng)的存在，實(shí)際電路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（見圖1,，圖2），這些情況的發(fā)生,，如在設(shè)計(jì)之初沒有考慮進(jìn)去,，有的將會(huì)產(chǎn)生災(zāi)難性后果。例如圖1中的a處過尖峰脈沖,，如果給一個(gè)抗沖能力差的電路,，將可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)設(shè)備“燒壞”。確認(rèn)電路對這樣一個(gè)狀況敏感的程度,，我們可以避免不必要的損失,，該方面的要求在航天、軍事,、鐵路和一些情況比較復(fù)雜的重要領(lǐng)域尤其重要,。
由于任意波形發(fā)生器特殊的功能，為了增強(qiáng)任意波形生成能力,，它往往依賴計(jì)算機(jī)通訊輸出波形數(shù)據(jù),。在計(jì)算機(jī)傳輸中，通過專用的波形編輯軟件生成波形,，有利于擴(kuò)充儀器的能力,，更進(jìn)一步仿真模擬實(shí)驗(yàn)。同時(shí)由于編輯一個(gè)任意波形有時(shí)需要花費(fèi)大量的時(shí)間和精力,，并且每次編輯波形可能有所差異這樣有的任意波形發(fā)生器,，內(nèi)置一定數(shù)量的非易失性存儲(chǔ)器，隨機(jī)存取編輯波形,，有利于參考對比,；或通過隨機(jī)接口通訊傳輸?shù)接?jì)算機(jī)作更進(jìn)一步分析與處理。
三,、下載傳輸,，更進(jìn)一步實(shí)時(shí)仿真
在一些軍事、航空,、交通制造業(yè)等領(lǐng)域中,，有些電路運(yùn)行環(huán)境很難估計(jì),，在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)完成之后，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境還需要作更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn),，有些實(shí)驗(yàn)的成本很高或者風(fēng)險(xiǎn)性很大（如火車高速實(shí)驗(yàn)時(shí)鐵軌變換情況,、飛機(jī)試機(jī)時(shí)螺旋槳的運(yùn)行情況等），人們不可能長期作實(shí)驗(yàn)判斷所設(shè)計(jì)產(chǎn)品（例如高速火車,、飛機(jī)）的可行性和穩(wěn)定性等,；我們就可利用有些任意波形發(fā)生器波形下載功能，在作一些麻煩費(fèi)用高或風(fēng)險(xiǎn)性大的實(shí)驗(yàn)時(shí),，通過數(shù)字示波器等儀器把波形實(shí)時(shí)記錄下來,，然后通過計(jì)算機(jī)接口傳輸?shù)叫盘栐矗苯酉螺d到設(shè)計(jì)電路,，更進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,。
綜上所述，任意波形發(fā)生器是電子工程師信號仿真實(shí)驗(yàn)的最佳工具,。我們選購時(shí)除關(guān)心傳統(tǒng)信號源的缺陷——頻率精度,、頻率穩(wěn)定度、幅度精度,、信號失真度外,，更應(yīng)關(guān)心它編輯與波形生存和下載能力，同時(shí)也要注意它的輸出通道數(shù),，以便同步比較兩信號的相移特性,，更進(jìn)一步達(dá)到仿真實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。