一、實驗目的????????????????????????????????????????????????????????????????????

1．理解數字合成信號源的基本原理。
2. 熟悉了解常見信號波形參數的設置與觀測。
3．掌握數字合成信號源的使用方法。

二、實驗內容

1．用外部示波器觀察實驗箱DDS信號源產生的16種波形。
2．選2～5種波形的信號改變頻率、幅度，從示波器上觀察、記錄。
3．用實驗箱的虛擬示波器重復做上面的1、2步驟，觀察記錄下數據。
4．用信號源高級設置信號參數（時鐘頻率、步進值、幅度增益），并輸出要求信號。
5．計算和產生一個符合要求的任意波形。

三、實驗器材

1．SJ-8002B電子測量實驗箱????????????????????????????????? 1臺
2．雙蹤示波器（20MHz模擬或數字示波器） ??????????????????? 1臺
3．計算機(具有運行windows2000和圖形化控件的能力) ????????? 1臺

四、實驗原理

1．信號源在電子測量中的作用和組成

?? 信號源是能夠產生不同頻率、不同幅度的規則或不規則波形的信號發生器，在電子系統的測量、校準、試驗及維護中得到了廣泛的應用。
?? 信號源的用途主要有以下三方面：

（1）激勵源。

?? 作為電子設備的激勵信號，如在電阻兩端施加一定電壓幅度的信號，測量流過的電流來獲得阻值，又如用音頻信號源激勵揚聲器使其發聲。

（2）信號仿真

?? 若要研究設備在實際環境下所受的影響，而又暫時無法放到實際環境中測試時，可以利用信號源給其施加與實際環境相同特性的信號來測試，這時信號源就要仿真實際的特征信號，如噪聲信號，高頻干擾信號等。

（3）標準信號源

? 一類是用于產生一些標準信號，提供給某類設備測試專用如電視信號發生器。另一類是用作對一般信號源校準，亦稱為校準源。

2.直接數字合成基本原理

（1）DDS組成原理 直接數字合成（Direct Digital Synthesis）的基本原理是基于取樣技術和計算技術，通過數字合成來生成頻率和相位對于固定的參考頻率可調的信號。DDS原理框圖如圖1所示。

???????? ????????? ???

??????????????????????????????????????????????????????????? ? 圖1??? DDS組成原理 ??

??? DDS信號源主要由相位累加器、ROM波形存儲器、DAC數模轉換器以及低通濾波器組成。其工作原理如下：首先相位累加器根據輸入的頻率控制碼輸出相位序列，并作為波形存儲器RAM的地址，RAM里面可以是預先存放的固定波形的一個周期的幅值編碼，也可以是用戶在使用過程中存入的任意波形的幅度編碼，這樣RAM的數據線上就產生了一系列的幅度編碼數字信號，然后把該編碼經過D/A轉換得到模擬的階梯電壓，最后經過低通濾波器使其平滑后即得到所需要的模擬波形。
?? 頻率控制字和時鐘頻率共同決定著DDS輸出信號的頻率，頻率分辨率正比于系統的時鐘，而反比于相位累加器的位數。
它們之間的關系滿足：???????????? ?????????????????????????????????? （1）
相應的，其頻率分辨率為：???????? ???????????????????????????????????? （2）

（2）相位累加器原理

?? 如果改變地址計數器計數步進值（即以值來進行累加），則在保持時鐘頻率和RAM數據不變的情況下，可以改變每周期采樣點數，從而實現輸出頻率的改變。例如：設存儲器中存儲了2N個數據（一個周期的采樣數據），則地址計數器步進為1時，輸出頻率，如果地址計數步進為，則每周期取樣點數為，輸出頻率

（3）DDS的性能

?? DDS信號源輸出的信號實際上是以時鐘的速率對波形進行取樣，從獲得的樣本值中恢復出來的。根據取樣定理，所以。實際中一般取。當時，輸出頻率最小，。輸出頻率的分辨率由相位累加器的位數決定，即 。
?? 例如：參考時鐘頻率為1GHz，累加器相位為32位，則頻率分辨力為0.233Hz。而改變時，其頻率分辨力不會發生變化，因此DDS可以解決快捷變換與小步進之間的矛盾。由于D/A、存儲器等器件的限制，DDS輸出頻率的上限不高，目前仍只能達到幾十MHz。

（1）單片集成化的DDS信號源

?? 單片集成DDS芯片一般包含了相位累加器、波形存儲器、D/A及時鐘源等部件，典型芯片如????? AD9854。外部輸入的參考時鐘為DDS提供時鐘頻率，通過可編程寄存器，可以設置頻率控制字和相位控制字，實現頻率和相位控制。D/A之前加入了一個數字乘法器，以實現幅度調制。

（2）基于可編程器件的DDS頻率合成信號源

?? 單片集成的DDS芯片合成信號波形的種類較少，靈活性較差，不便于任意波發生器等場合的應用。基于可編程器件實現的DDS信號合成可具有更大的靈活性。
?? 相位累加與控制邏輯采用CPLD、FPGA等高速可編程芯片來實現，波形存儲器也采用高速RAM。在參考時鐘控制下，根據CPU設定的頻率控制字進行相位累加，累加器輸出波形數據存儲器（RAM）的地址，從RAM中取出的數據經D/A轉換后便得到所需頻率信號。修改RAM中的波形數據就可以非常靈活的產生各種波形，如正弦波、三角波、方波、鐘型波等函數信號和任意波形。

??? DDS具有極高的頻率分辨率和極短的轉換時間，但其輸出頻率上限較低；而鎖相環具有很高的工作頻率及較窄的帶寬，但頻率分辨率較低，轉換時間較長。因此，兩者優缺點互補，可以將兩者組合起來，取長補短，從而使頻率合成信號源的性能大幅提高。

4.虛擬數字合成信號源

?? 虛擬數字合成信號源界面如圖2。
?? 數字合成信號源輸出分兩路，分別是Aout1和Aout2。
?? 初級使用直接設定信號的幅度，頻率，選擇波形按鈕后輸出設定的信號波形。兩路右邊框圖的波形顯示均為示意圖。
?? 高級使用，點擊“高級設置”進入后，設定“時鐘頻率”，“步進”，“幅度粗調”，“幅度微調”后，點“啟動”輸出設定的波形。
?? 設定輸出任意形狀波形，點擊“任意波形”進入后，用鼠標畫出任意波形，再設定信號幅度，頻率后輸出需要的任意波形。

圖2?? 虛擬數字合成信號源主界面

五、實驗步驟

1．實驗準備

（1）硬件連線

①實驗選擇電子測量實驗箱的內部信號源和外部數字示波器的連線如圖3

??????????????????? ? ????

???????????????????????????????????????? 圖3 內部信號源和外部數字示波器實驗的硬件連線圖

?? 在開電源前，用Q9線把電子測量實驗箱內部信號源的Aout1和Aout2分別與外部數字示波器相連；連通EPP線。主板上的短路塊S102放左面。

? 實驗選擇電子測量實驗箱的內部信號源和數據采集的連線如圖4。

??????????????????????????????????

? ???????????????????????????????????????????? ? 圖4? 內部信號源和數據采集實驗的硬件連線圖

??? 在開電源前，用Q9線把電子測量實驗箱內部信號源和數據采集的BNC接頭Aout1和Ain1，Aout2和Ain2分別相連；連通EPP線。主板上的短路塊S102放左面。

（2）進入實驗的界面，選擇實驗七，數字合成信號源。出現界面如圖2

2．觀察信號源產生的波形

（1）用外部示波器觀察內部信號源產生的各種波形

? 按圖7-3進行硬件連線。
?? ①直接點擊想要顯示的波形，觀察示波器輸出信號的波形，幅度和頻率。再依次點擊16種波形，觀察，分析輸出的波形。
?? 例如：默認“峰值幅度”和“頻率”，直接點“方波”按鈕，觀察示波器顯示。
?? ②在“峰值幅度”和“頻率”框內設定需要輸出信號的幅度和頻率值，點擊需要輸出的波形，觀察示波器顯示，記錄結果在表1
??????????? ????????????????? ? 表1 信號源輸出波形的數據觀察記錄表

（2）用虛擬示波器觀察內部信號源產生的各種波形

?? 按圖4進行硬件連線。
?? ①直接點擊想要顯示的波形，觀察示波器輸出信號的波形，幅度和頻率。再依次點擊16種波形，觀察，分析輸出的波形。
?? ②在“峰值幅度”和“頻率”框內設定需要輸出信號的幅度和頻率值，點擊需要輸出的波形，觀察示波器顯示，記錄結果在表2
?????????????????????????????????????????? 表2 信號源輸出波形的數據觀察記錄表

3．高級設置輸出波形

按圖3進行硬件連線。點虛擬信號源的“高級設置”出現如圖5的界面

?????????????????????????? 圖5??? 信號源高級設置的界面

?? 如圖5所示信號源高級設置包括波形，頻率相關（時鐘頻率，步進），幅度相關（幅度初調，幅度微調）等幾部分的設置。
?? ①頻率設置
?? 頻率設置由前面的公式（1）計算得出，輸出信號頻率與頻率控制字和時鐘頻率相關。SJ-8002B電子測量實驗箱主板的相位累加器位數是24，故；先選擇時鐘頻率，再確定頻率步進值，令圖7-6中的步進高位符號為H、步進中位符號為M、步進低位符號為L，則頻率控制字的計算公式為，由式（1）就可以得到需要的輸出信號頻率。例如：選擇“時鐘頻率”=80MHz，“步進高位”H=0，“步進中位”M=5，“步進低位”L=25，則頻率控制字，再由公式1，得到
其中H取值范圍0～15，M和L取值范圍0~255。

?? ②幅度設置
?? 峰值幅度相關設置由圖6的“幅度初調”和“幅度微調”控制，令幅度峰值符號為V，幅度初調（幅度分辨率）為M，幅度微調為N，則輸出信號峰值幅度。N取值范圍50～250。 例如：“幅度初調”選擇為0.01N，則幅度分辨率M=0.01；“幅度微調”設定N=150，則可得輸出信號的峰值幅度

?? ③信號源高級設置輸出波形
?? 按照表3的要求信號的頻率，計算步進頻率控制字的高、中、低位，根據幅度要求選擇初調和微調，設定相關參數，點擊“啟動”后，觀察示波器顯示的波形，頻率和幅度是否滿足要求。信號波形選用正弦波。

???? ?? ??? ?? ?? ?? ??? ?? ?? ????? 表3 頻率和幅度參數設定

?? 任意波形產生

?? 按圖3進行硬件連線。點虛擬信號源的“任意波形”出現如圖5的界面。
?? 任意波形的產生輸入方式有三種：（1）左上位置的鼠標畫圖區；（2）左下角為函數組合波形（系數的范圍是-10~10）；（3）中間的波形數據輸入：一個周期共256點，每個數取值0～255。
?? 三種方式中，（2）（3）波形更準確。

?? (1) 任意波形發生信號源界面
?? 左上的白色畫布上可以畫任意波形，所畫波形在高度上滿格為設定信號的幅度，寬度上也要滿格才為一個周期；左下的為函數發生波形，各個框內可任意設定各函數的系數（系數的范圍是-10~10）；中間的有256個點（一個波形周期為256個點），可以依次設定各點波形的幅度（各點的范圍是0~255）。
?? 右邊的圖形顯示框內紅色線條為點擊“繪圖”按鈕后，存入SRAM里的波形。
?? 在“幅度”選擇信號的峰峰值，“頻率”框分別設定頻率（范圍0.1K～20KHz），點“數據寫入Aout1”或“數據寫入Aout2”；最后點“啟動”，觀察示波器顯示的任意波形的形狀，幅度，頻率。

? （2）在組合波形界面的左下方輸入基波、二次諧波、三次諧波的系數，相位延遲角度取0，點擊“繪圖”，右上方的顯示窗顯示生成的組合波形，點擊“數據寫入Aout1”，選擇組合波形的幅度（峰峰值），頻率（基波頻率），最后點擊“啟動”，則從Aout1輸出要求的信號，可外接示波器觀察。改變系數和相位，重做幾次。

??????????????????????????????? 圖6??? 任意波形發生信號源的界面
?? （3）計算和產生拋物線函數的信號波形，公式為。要求先計算出信號每個周期的波形數據（256點），填入表4，鍵入計算機，選擇頻率為100Hz～1KHz幅度為2V~8V，然后輸出。從示波器觀察信號的波形、頻率、幅度，并記錄。
? （提示：把一個周期波形分為256點，計算出X和Y，規一化后乘以255）

???????????????????????? ??????? 表 4 拋物線函數的波形數據表

?

六、思考和練習

?? 2．DDS信號源輸出頻率上限受哪些因素限制？