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在电子行业的基础设施和制造等领域,函数发生器都是有效的通用仪器。它可以生成不同频率和幅度的大量信号,用来评估新电路的运行情况,代替时钟信号,对新产品进行制造测试,及用于许多其它用途。
自第一部正弦波发生器问世以来,函数发生器的设计已经发生了多次演进,在当前数字领域中,大多数新型函数发生器(如Agilent
33220A)正采用一种新技术,称为直接数字合成(DDS)。DDS在大部分操作中使用数字电路,从而提供了数字操作拥有的许多优势。由于信号只在合成的最后阶段转换到模拟域中,所以在多个方面降低了函数发生器的复杂度,提高了函数发生器的稳定性。
从本质上看,DDS是一个以恒定高频率运行的多位计数器。在溢出时,通过利用一个多位控制字来设置计数器步进的尺寸,允许计数器过零。计数器的高阶位用来寻址存储设备,该设备保持有生成的一个波形周期的数字记录。高频时钟每前进一单位,计数器便步进一次,存储器也将生成一个新的地址字,而新的波形数据值将会发送到DAC。DAC输出的是取样模拟波形,该波形经重构滤波器之后由发生器输出。
DDS的主要优点之一是输出信号的频率精度可以达到作为发生器参考信号使用的晶体控制振荡器的水平。如果想实现更高的精度,也可以采用函数发生器本身的温度补偿晶体振荡器产生。这些信号可以提供高于0.1PPM的频率精度。在许多情况下,函数发生器还可以把频率锁定到外部实验室频率参考源上,从而生成超高精度的信号。
在许多实验室工作台上,另一部仪器如频率计数器可以提供最精确的恒温器控制的时钟振荡器,其输出参考信号可以作为DDS
函数发生器的参考信号使用。在其它高精度测量实验室中,将通过在每个工作台上探测10
MHz 标准频率参考信号,以实现这一目的。根据数字电路的特点,DDS电路可以锁定在这一频率,从而提供与参考标准一样精确的信号。
DDS的第二个优点与第一个优点相关：DDS发生器可以生成非常高的频率精度。DDS
信号发生器的数字电路可以实现与数字电路相同的频率精度。如果DDS电路有一个48位计数器,它可以提供高达48位的频率分辨率,而且日前,某些DDS合成器使用了位数更多及分辨率更高的计数器。
这种高分辨率意味着函数发生器能够准确地生成希望的输出频率,同时这还意味着发生器可以非常精确地改变频率。特别适合在通信、海量存储和类似应用中评估定时电路。目前能够生成几十MHz、分辨率为1mHz的DDS
发生器并不少见。
由于所有的波形都是以数字方式生成的,因此函数发生器中的调制功能、扫描功能和突发生成功能都受到数字控制,并可以以非常高的精度进行设置。不仅可以精确地设置/改变频率和定时,还可以精确地设置/改变相位和幅度。
DDS的第三个优点是如果拥有RAM波形存储器,那么DDS函数发生器可以重现几乎任何波形。DDS
发生器通过播放存储器中存储的波形来运行。如果存储器是只读存储器,那么只能生成ROM中存储的波形。一般来说,每个函数发生器中都会内置正弦波、方波、三角波和类似的波形。但是对于占空比为10%的方波,或对称性为58%的三角波(而不是50%),仅带有只读存储器的DDS发生器则无法实现。不过如果DDS电路有存储波形的RAM,那么控制器电路可以把任何波形写入RAM,并通过合成器重放波形。
因此,函数发生器现在的功能要远远超过传统函数发生器。对称性可变的波形现在已是标配功能,另外还可以内置各种不常见的波形,如指数上升和下降型波形或正弦脉冲型波形等。
把这种RAM概念再推进一步,假设工程师需要测试独有的某个特定波形,最新的函数发生器可以把客户指定的波形加载到DDS引擎的RAM中,由合成器进行播放。这为函数发生器提供了生成任意波形的额外功能。这种功能特别有用,并能得到包括Matlab、MathCad、Excel和类似的软件文件格式及示波器波形捕获文件等多种波形读取软件的支持。
最新的函数发生器利用了DDS的优势,能够把多台不同仪器中的功能融合到一部仪器中。基于DDS的函数发生器现在不仅可以执行函数发生器的功能,还可以执行任意波形发生器(ARB)的功能。除此之外,某些仪器还是功能强大的脉冲发生器。这些功能将会给传统测试方案带来一次革命。■
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