做座利用任意波形发生器实现复杂类型的频率扫描

利用任意波形发生器实现复杂类型的频率扫描

很多任意波形发生器都提供频率扫描功能，一般都能实现“线性扫频”、“对数扫频”，少数任意波形发生器还能实现“步进扫频”的功能。“线性扫频”是指输出频率以恒定的“每秒若干赫兹”的方式改变，“对数扫频”是指输出频率以恒定的“每秒倍频程”的方式改变，“步进扫频”是指以一定的频率间隔从起始频率到终止频率进行步进，同时在每一个步进点上停留的时间可设置。

然而，在实际的电子开发中，工程师对于扫频类型的需求往往是多种多样的，绝不仅仅局限于上述三种扫频类型。那么，有没有一种解决方案可以满足工程师所有的扫频需求呢？答案是肯定的。目前，很多任意波形发生器都提供频率调制的功能，只要合理配置频率调制参数，再利用任意波形发生器的任意波功能，就能实现任意类型的频率扫描。

我们知道，正弦波的一般数学表达式如下：F(t)=A×Sin(2πf×t+θ)

式中，A是正弦信号的幅度，f是正弦信号的频率，θ是正弦信号的起始相位。正弦信号当前输出的频率只与f有关，假设f是一个与时间相关的动态函数，那么正弦信号的频率就会随着该动态函数的改变而改变，如此便实现了频率扫描。具体数学表达式如下：F(t)=A×Sin6.配电箱内的两个超温保护器设定值请不要随意调试(2π×Fmod(t)×t+θ)

其中，Fmod(t)为与时间相关的动态函数。

观察该表达式可以发现，该公式其实就是频率调制的数学表达式。当我们在频率调制模式下，改变调制波的形状时，其实也就是在改变Fmod(t)。我们所知道的“线性扫频”其实就是Fmod(t)为锯齿波的频率调制，而“对数扫频”其实就是Fmod(t)为对数函数的频率调制。 由此可见，只要我们能定义出任意的调制波形，那么我们就可以实现任意类型的频率扫描。所幸的是，一般的任意波形发生器都提供了很方便的任意波功能，只要利用任意波功能出所需要的任意波形，然后再将该任意波选择为频率调制模式下的调制波，这样就能实现任意类型的频率扫描。

频率扫描实现步骤

本文仅以北京普源精电(RIGOL)最新推出的DG5000系列函数/任意波形发生器为例来详细介绍如何实现任意类型的频率扫描。

首先点击前面板的“Arb”按钮进入任意波界面。DG5000的任意波模式提供10种内建波形，工程师可以直接选择这些波形，同2时也可以通过界面中的任意波功能来自定义任意波形。此处，我们手动一个简单的任意波形，如图1所示。

图1、 任意波界面(print)

好任意波形之后，点击“Sine”按钮切换至正弦波界面。此时，在正弦波界面下设置载波的幅度、频率、偏移等等相关参数。此时的频率参数就是所需要的频率扫描时的中心频率，该频率参数可以通过起始频率和终止频率进行换算，具体公式如下： fc=(fstart+fstop)/2

图2、 正弦波设置界面

设置好正弦载波参数之后，点击“Mod”按钮进入调制模式。在调制模式中选择调制类型为“FM”，设置信号源为“内部”，选择调制波形为“Arb”，同时设置“调制频率”和“频率偏移”。此处的“调制频率”就是扫频的速率，可以通过扫频时间进行转换，此处的“频率偏移”决定了频率扫描时的频率跨度，可以通过起始频率和终止频率进行换算，具体公式如下：

fmod=1/Tsweep Deviation=|fstart=fstop|/2

设置好这些参数之后，打开对应通道的“Output”开关即可输出相应的扫频信号。DG5000频率扫描模式中有一种扫描方式叫做“步进扫频”。在此种方式下扫频时，输出频率会在每个输出频点上停留一段时间。此种方案在测试高分辨率数字滤波器的频响时非常有用，但是在系统的设计上存在一个缺陷，那就是输出频率在每种频率上的停留时间必须是等长的。

图3、 频率调制界面

此种设计方案在普通应用上是没有问题，但是对于宽频带的频率步进扫描，往往要求在各频段上停留的时间是不等长的。数字滤波器在不同频段上的稳定时间往往是不等的，工程师需要对于不同的频点，设置不等长的停留时间，以达到对于步进扫频的灵活配置。工程师们在实际应用中对于扫频方式的需求是多种多样的，但是只要借助任意波的强大功能，任何扫频方式都能够得到实现。

下面，就利用DG5000的任意波功能再加上频率调制功能来实现频率停留时间不等长的“步进扫频”。

首先点击“Arb”按钮进入任意波界面，然后在第二页菜单点击“创建波形”按钮。在“创建波形”界面下设置“循环周期”为5.5ms，上下限电平分别为2.5V和-2.5V，初始化点数为10，插值关闭，最后点击“点”按钮进入点界面。在点界面中，对于各点的时间及电压设置如表1所示。表1、点界面中各点的时间及电压设置

通过上表的参数设置，可以得到如图4所示的示意波形。好任意波形之后，点击“Sine”按钮切换至正弦波界面。此时，在正弦波界面下设置载波的幅度、频率、偏移等等相关参数。

图4、停留时间递减的阶梯波

设置好正弦载波参数之后，点击“Mod”9、搅拌机电：16W按钮进入调制模式。在调制模式中选择调制类型为“FM”，设置信号源为“内部”，选择调制波形为“Arb”，同时设置“调制频率”和“频率偏移”。具体参数的换算关系可参看前文。

图5、正弦波设置界面

设置好这些参数之后，打开对应通道的“Output”开关即可输出相应的扫频信号。如图6所示，输出信号就会按照停留时间逐步递减的方式进行“步进扫频”。

图6、停留时间递减的频率调制界面

注意事项

利用DDS信号源的任意波功能来实现频率扫描是十分简单快捷的，但是由于DDS本身原理的一些限制，在使用时有些因素是需要格外注意的，否则可能无法达到预期的效果。

1. 在选择载波频率时需要综合考虑DDS信号源的波表长度和采样率。我们知道，DDS的相位步进是与波表长度和采样率直接相关的，一旦载波频率过大，DDS的相位步进也会过大，必然导致载波在每个周期内的波形点数下降。波形点愈小，载波信号的频谱纯度就会越差，这必然会对扫频测量带来不利影响；

2. 利用任意波形发生器实现频率扫描时，需要考虑调制波的波表长度。因为无论你是如何复杂的扫频类型，本质上其实都是在调制波的波表，所以调制波的波表越大，你的调制波就能得越复杂，能实现的扫频方式也可以越复杂。从另外一方面来说，调制波的波表越大，输出的扫频信号的频率变化精度也会越高；

3. 调制波的频率不宜过大。这个类似于第1点中所述，当调制波的频率过大时，调制波本身也是一个DDS信号源由于本实验只需转换1个通道，那么调制波的波形点就会减少。当调制波的波形点减少时，调制波的波形细节就会缺失，那么输出的扫频信号就会不完整，有一些关键的频点就可能丢失。

综上所述，在利用任意波形发生器来实现频率扫描时，只有综合考虑各限制条件，才能更好地满足频率扫描需求。

本文小结

通过任意波形发生器的任意波形功能，然后再灵活应用频率调制模式，这使得工程师们对于实现任意类型的频率扫描成为可能，同时也大大丰富了工程师的调制手段，为电子开发带来便利。(end)