三角波信號

三角波信號

如果以恆流源對電容充電,即可產生正斜率的斜波。同理,又以恆流源將儲存在電容上的電荷放電即產生負斜率的斜波,電路結構如下:

基本介紹


當時,即可產生對稱的三角波,如果,此時即產生負斜率的鋸齒波,同理即產生正斜率鋸齒波。
再如圖二所示,開關SW1的選擇即可讓充電速度呈倍數改變,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。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整頻率的電位器,只不過需要簡單地將原本是電壓信號轉成電流而已。
而在占空比調整上的設計有下列兩種思路:
1、頻率(周期)不變,脈寬改變,其方法如下:
改變電平的幅度,亦即改變方波產生電路比較器的參考幅度,即可達到改變脈寬而頻率不變的特性,但其最主要的缺點是占空比一般無法調到20%以下,導致在採樣電路實驗時,對瞬時信號所採集出來的信號有所變動,如果要將此信號用來作模數(A/D)轉換,那麼得到的數字信號就發生變動而無所適從。但不容否認的在使用上比較好調。
2、占空比變,頻率跟著改變,其方法如下:
將方波產生電路比較器的參考幅度予以固定(正、負可利用電路予以切換),改變充放電斜率,即可達成。
這種方式的設計一般使用者的反應是“難調”,這是大缺點,但它可以產生10%以下的占空比卻是在採樣時的必備條件。
以上的兩種占空比調整電路設計思路,各有優缺點,當然連帶的也影響到是否能產生“像樣的”鋸齒波。
接下來PA功率放大器)的設計。首先是利用運算放大器(OP) ,再利用推拉式(push-pull)放大器(注意交越失真Cross-distortion的預防)將信號送到衰減網路,這部分牽涉到信號源輸出信號的指標,包含信噪比、方波上升時間及信號源的頻率響應,好的信號源當然是正弦波信噪比高、方波上升時間快、三角波線性度要好、同時伏頻特性也要好,(也即頻率上升,信號不能衰減或不能減太大),這部分電路較為複雜,尤其在高頻時除利用電容作頻率補償外,也牽涉到PC板的布線方式,一不小心,極易引起振蕩,想設計這部分電路,除原有的模擬理論基礎外尚需具備實際的經驗,“Try Error”的耐心是不可缺少的。
PA信號出來后,經過π型的電阻式衰減網路,分別衰減10倍(20dB)或100倍(40dB),此時一部基本的函數波形發生器即已完成。(注意:選用π型衰減網路而不是分壓電路是要讓輸出阻抗保持一定)。
一台功能較強的函數波形發生器,還有掃頻、VCGTTL、 TRIG、 GATE及頻率計等功能,其設計方式在此也順便一提:
1. 掃頻:一般分成線性(Lin)及對數(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生頻率調製;
上述兩項設計方式,第1項要先產生鋸齒波及對數波信號,並與第2項的輸入信號經過多路器(Multiplexer)選擇,然後再經過電壓對電流轉換電路,同步地去加到圖二中的I1、I2上;
3. TTL同步輸出:將方波經三極體電路轉成0(Low)、5V(High)的TTL信號即可。
但注意這樣的TTL信號須再經過緩衝門(buffer)后才能輸出,以增加扇出數(Fan Out),通常有時還並聯幾個buffer。而TTL INV則只要加個NOT Gate即可;
4. TRIG功能:類似One Shot功能,輸入一個TTL信號,則可讓信號源產生一個周期的信號輸出,設計方式是在沒信號輸入時,將圖二的SWI接地即可;
5. Gate功能:即輸入一個TTL信號,讓信號源在輸入為Hi時,產生波形輸出,直到輸入為LOW時,圖二SWI接地而關掉信號源輸出;
6. 頻率計:除市場上簡易的刻度盤顯示之外,無論是LED數碼管或LCD液晶顯示頻率,其與頻率計電路是重疊的,方塊圖如下:
2. 任意波形發生器,模擬實驗的最佳儀器
任意波形發生器是信號源的一種,它具有信號源所有的特點。我們傳統都認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),然後用其它儀錶測量感興趣的參數。可見信號源在電子實驗和測試處理中,並不測量任何參數而是根據使用者的要求,模擬各種測試信號,提供給被測電路,以達到測試的需要。
信號源有很多種,包括正弦波信號源,函數發生器脈衝發生器、掃描發生器、任意波形發生器、合成信號源等。一般來講任意波形發生器,是一種特殊的信號源,綜合具有其它信號源波形生成能力,因而適合各種模擬實驗的需要。
一、函數功能,模擬基礎實驗室設計人員的環境
函數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、脈衝串等波形,有的還同時具有調製和掃描能力,眾所周知,在我們的基礎實驗中(如大學電子實驗室、科研機構研究實驗室、工廠開發實驗室等),我們設計了一種電路,需要驗證其可靠性與穩定性,就需要給它施加理想中的波形以辨別真偽。如我們可使用信號源的DC補償功能對固態電路控制DC偏壓電平;我們可對一個懷疑有故障的數字電路,利用信號源的方波輸出作為數字電路的時鐘,同時使用方波加DC補償產生有效的邏輯電平模擬輸出,觀察該電路的運行狀況,而證實故障缺陷的地方。總之利用任意波形發生器這方面的基礎功能,能模擬您基礎實驗室所必須的信號。
二、任意波形,模擬模擬更複雜的信號要求
眾所周知,在我們實際的電子環境所設計的電路在運行中,由於各種干擾和響應的存在,實際電路往往存在各種信號缺陷和瞬變信號,例如過脈衝、尖峰、阻尼瞬變、頻率突變等(見圖1,圖2),這些情況的發生,如在設計之初沒有考慮進去,有的將會產生災難性後果。例如圖1中的a處過尖峰脈衝,如果給一個抗沖能力差的電路,將可能會導致整個設備“燒壞”。確認電路對這樣一個狀況敏感的程度,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複雜的重要領域尤其重要。
由於任意波形發生器特殊的功能,為了增強任意波形生成能力,它往往依賴計算機通訊輸出波形數據。在計算機傳輸中,通過專用的波形編輯軟體生成波形,有利於擴充儀器的能力,更進一步模擬模擬實驗。同時由於編輯一個任意波形有時需要花費大量的時間和精力,並且每次編輯波形可能有所差異這樣有的任意波形發生器,內置一定數量的非易失性存儲器,隨機存取編輯波形,有利於參考對比;或通過隨機介面通訊傳輸到計算機作更進一步分析與處理。
三、下載傳輸,更進一步實時模擬
在一些軍事、航空、交通製造業等領域中,有些電路運行環境很難估計,在實驗設計完成之後,在現實環境還需要作更進一步實驗,有些實驗的成本很高或者風險性很大(如火車高速實驗時鐵軌變換情況、飛機試機時螺旋槳的運行情況等),人們不可能長期作實驗判斷所設計產品(例如高速火車、飛機)的可行性和穩定性等;我們就可利用有些任意波形發生器波形下載功能,在作一些麻煩費用高或風險性大的實驗時,通過數字示波器等儀器把波形實時記錄下來,然後通過計算機介面傳輸到信號源,直接下載到設計電路,更進一步實驗驗證。
綜上所述,任意波形發生器是電子工程師信號模擬實驗的最佳工具。我們選購時除關心傳統信號源的缺陷——頻率精度、頻率穩定度、幅度精度、信號失真度外,更應關心它編輯與波形生存和下載能力,同時也要注意它的輸出通道數,以便同步比較兩信號的相移特性,更進一步達到模擬實驗狀態。