任意波形發(fā)生器是現(xiàn)代電子測(cè)試領(lǐng)域應(yīng)用最為廣泛的通用儀器之一，它的功能遠(yuǎn)比函數(shù)發(fā)生器強(qiáng)，可以產(chǎn)生各種理想及非理想的波形信號(hào)，對(duì)存在的各種波雷達(dá)、導(dǎo)航、宇航等領(lǐng)域。形都可以模擬，廣泛應(yīng)用于測(cè)試、通信、雷達(dá)、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(jì)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(hào)源的信號(hào)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(hào)源所不能生成的任意波形，從而滿足測(cè)試和實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，為了驗(yàn)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(shí)驗(yàn)的信號(hào)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(shí)際運(yùn)行在實(shí)際電子環(huán)境中的設(shè)備，電路中往往存在各種信號(hào)缺陷和瞬變信號(hào)，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(hào)，以測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)際性能。
(3)信號(hào)還原功能
在一些軍事、航空等領(lǐng)域，有些電路運(yùn)行環(huán)境很難估計(jì)，在設(shè)計(jì)完成之后，在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中還需要更進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而有些實(shí)驗(yàn)的成本很高或者風(fēng)險(xiǎn)性很大(如飛機(jī)試飛時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行情況)，人們不可能重復(fù)作實(shí)驗(yàn)來判斷所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可行性和穩(wěn)定性。此時(shí)，可以利用任意波形發(fā)生器的信號(hào)還原功能。在做一些高耗費(fèi)、高風(fēng)險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)時(shí)，可以通過數(shù)字示波器把現(xiàn)實(shí)中的實(shí)際波形記錄下來，再通過計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)中的實(shí)際做進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(dòng)作，當(dāng)輸入電壓信號(hào)在輸入端子周圍增加和減小時(shí)，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?yàn)樗谳^高頻率下快速放電。
標(biāo)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(shí)電容， C 。振蕩頻率可能與:( 1 / 1.2RC )不同，因?yàn)镃MOS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?；镜氖┟芴胤欠€(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(biāo)準(zhǔn)CMOS邏輯NAND門來產(chǎn)生逆變器電路。這里，兩個(gè) 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(gè) 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(gè) NAND 門的輸入端，當(dāng)電容器兩端的充電電壓反饋時(shí)達(dá)到第一個(gè) NAND 門的上限閾值， NAND 門改變狀態(tài)，導(dǎo)致第二個(gè) 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(dá)到第一個(gè)電壓的下閾值電平。 NAND 門使兩個(gè)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(shí)間常數(shù)決定，時(shí)間常數(shù)為： 1 / 2.2R1C 。通常 R2 的值為電阻 R1 的10倍。
當(dāng)需要高穩(wěn)定性或保證自啟動(dòng)時(shí)，CMOS波形發(fā)生器可以使用三個(gè)反相 NAND 門或任何三個(gè)邏輯逆變器來制作，如下所示連接在一起產(chǎn)生一個(gè)有時(shí)被稱為“三環(huán)”的電路波形發(fā)生器。振蕩頻率由 R1C 時(shí)間常數(shù)再次確定，與上面的兩個(gè)門振蕩器相同，并且當(dāng) 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(shí)間是信號(hào)從到達(dá)輸入端的邏輯“0”直接通過逆變器所需的總時(shí)間(通常以納秒為單位)，產(chǎn)生邏輯“1”
對(duì)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(fù)載電容的變化都會(huì)影響邏輯門的傳播延遲。通常，平均傳播延遲時(shí)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(gè)門的傳播延遲。
例如，假設(shè)一個(gè)簡(jiǎn)單的波形發(fā)生器電路有5個(gè)單獨(dú)的逆變器串聯(lián)連接在一起形成環(huán)振蕩器，每個(gè)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(dāng)然，這實(shí)際上并不是一個(gè)實(shí)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(jiǎn)單例子中它被計(jì)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?cè)谏厦嬗懻撨^的。
然而，它確實(shí)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(jì)糟糕的數(shù)字電路，有許多門，信號(hào)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(shí)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(jì)制作一個(gè)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(chǔ)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(jì)算);重復(fù)頻率可調(diào)，頻率步進(jìn)間隔≤100Hz。
(5)輸出波形幅度范圍0～5V(峰-峰值)，可按步進(jìn)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(kuò)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(dāng)負(fù)載變化時(shí)，輸出電壓幅度變化不大于±3%(負(fù)載電阻變化范圍：100Ω～∞)。
(4)具有掉電存儲(chǔ)功能，可存儲(chǔ)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(gè)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(kuò)展>200kHz、掃頻輸出等功能)。