帶你了解波形發(fā)生器，任意波形發(fā)生器全方位講解

時間：2019-11-18 13:17:20

關(guān)鍵字： awg 任意波形發(fā)生器波形發(fā)生器

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[導(dǎo)讀]對于波形發(fā)生器，很多朋友并不了解，但波形發(fā)生器在現(xiàn)實生活中具備諸多應(yīng)用。本文對于波形發(fā)生器的介紹基于任意波形發(fā)生器，如果你對任意波形發(fā)生器的原理等內(nèi)容并非十分熟悉，或許本文將是你的福利哦。

對于波形發(fā)生器，很多朋友并不了解，但波形發(fā)生器在現(xiàn)實生活中具備諸多應(yīng)用。本文對于波形發(fā)生器的介紹基于任意波形發(fā)生器，如果你對任意波形發(fā)生器的原理等內(nèi)容并非十分熟悉，或許本文將是你的福利哦。

一、認識信號源

用來產(chǎn)生各種測試信號的儀器稱為信號發(fā)生器或簡稱信號源。它可作為各種仿真信號或激勵信號廣泛用于各類整機、系統(tǒng)及部件、元器件的測試中。例如，用信號源產(chǎn)生某種調(diào)制信號輸入給接收機，用來測試接收機性能;我們到客戶演示力科示波器的時候，也常帶上一些信號源，比如用力科的任意波形發(fā)生器ArbStudio產(chǎn)生一些特殊的信號，方便演示示波器的各種功能。

信號源的種類很多，就產(chǎn)生信號的特征而言，有正弦信號發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器，任意波形發(fā)生器等。

正弦信號對線性系統(tǒng)頻域分析的重要意義，使得正弦信號發(fā)生器被廣泛使用。用戶對這類信號源的要求通常是頻率范圍寬、頻率準確度和穩(wěn)定度高、頻譜純度高、相位噪聲低。例如通信系統(tǒng)測試中需要的正弦信號發(fā)生器，一般要求頻率能夠延伸到射頻段、具備各種調(diào)制功能。正弦信號發(fā)生器的實現(xiàn)原理一般都是鎖相技術(shù)和頻率合成技術(shù)。

函數(shù)發(fā)生器是能夠產(chǎn)生諸如正弦波，方波，三角波的信號源。一個傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器，用恒流源對電容充電、放電，電容兩端的電壓就是三角波。如果三角波送到一個比較器，就能產(chǎn)生方波。三角波通過波形整形電路還能夠產(chǎn)生正弦波。通過改變電流和電容的大小，就能調(diào)節(jié)信號頻率。這種信號源一般能輸出的頻率不高、頻率準確度和穩(wěn)定度低。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展。函數(shù)發(fā)生器的實現(xiàn)也逐漸從模擬向數(shù)字演變。比如利用后文將要介紹的DDS技術(shù)來產(chǎn)生信號，這也使得函數(shù)發(fā)生器漸漸融合到任意波形發(fā)生器。

正弦信號發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器都只能產(chǎn)生規(guī)則的信號。而產(chǎn)生不規(guī)則的信號需要借助于任意波形發(fā)生器(AWG, Arbitrary Waveform Generator)。AWG的基本設(shè)計思想是：把所需重現(xiàn)的信號波形截取一個周期進行均勻采樣，保存在存儲器中。把存儲器中的波形數(shù)據(jù)按順序讀出，經(jīng)DAC轉(zhuǎn)換后，再濾波，獲得所需要的波形。AWG和數(shù)字存儲示波器在原理上可以認為是一個互逆的過程。數(shù)字存儲示波器把模擬波形通過ADC數(shù)字化，AWG把數(shù)字化的波形數(shù)據(jù)通過DAC轉(zhuǎn)換為模擬波形。這兩類儀器都受Nyquist定律約束，能夠測量/輸出的最高頻率分量不超過ADC/DAC采樣率的一半?？梢允褂昧剖静ㄆ鞑杉欢尾ㄐ危⒈４鏋槲募?。把波形文件導(dǎo)入到力科任意波形發(fā)生器ArbStudio，就可以還原模擬波形。實際應(yīng)用中，AWG所用到的波形數(shù)據(jù)不全是真正采樣獲得的，通常用軟件輔助產(chǎn)生。

二、AWG原理

按具體實現(xiàn)原理，AWG又可分為DDS-based和True Arb兩類。

1. DDS-based AWG

DDS,即Direct Digital Synthesis直接數(shù)字合成，一種頻率合成的方法。前文也提到正弦信號發(fā)生器一般使用了頻率合成技術(shù)。那么什么是頻率合成?

信號源都需要使用振蕩器，一般振蕩器的輸出頻率范圍有限，并且在寬的頻率范圍內(nèi)難以獲得高穩(wěn)定度。那么就需要從頻率單一但準確度和穩(wěn)定度高的振蕩源(比如晶體振蕩器)派生出各種需要的頻率。這種從一種頻率派生出多種頻率信號的方法就是頻率合成。比如一個振蕩器輸出的單一頻率信號，可利用倍頻、分頻、混頻技術(shù)實現(xiàn)頻率的加、減、乘、除運算，合成一系列頻率的信號，這些頻率都和振蕩器頻率(稱基準頻率)相參，這種方法稱為直接模擬合成(Direct Analog Synthesis)。此外還有基于PLL的間接頻率合成。

DDS是另外一種重要的頻率合成技術(shù)。先來看如何用DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦信號。我們知道，正弦波的頻率可表示為f=ω/2π=Δθ/(2πΔt)。Δθ是正弦信號經(jīng)過一段時間Δt之后的相位增量。在同樣的時間Δt內(nèi)，相位增量越大，角速率就越高，振蕩頻率就越高。DDS正是基于這種頻率和角速率的關(guān)系來合成想要的頻率。請看下面的DDS原理框圖:

圖 1 DDS原理框圖

相位累加器用來產(chǎn)生表示相位的序列，它以基準時鐘fs為節(jié)拍，以K為累加值，產(chǎn)生線性增長的相位序列。例如相位累加器初始值表示的相位是0，K對應(yīng)的累加值為π/10，那么累加器在基準時鐘的激勵下依次產(chǎn)生表示0, π/10, 2π/10, 3π/10……18 π/10,19 π/10, 2π, 0, π/10,…等相位的序列。

表示相位的序列用做一個正弦波查找表的地址，該查找表實現(xiàn)相位到幅度的轉(zhuǎn)換，輸出相位所對應(yīng)的正弦波幅度值，這個時候幅度還是數(shù)字序列，經(jīng)過DAC和低通濾波器后輸出平滑的正弦波?；鶞蕰r鐘同時也是查找表的輸出時鐘和DAC的采樣時鐘。

K就是相位增量Δθ，基準時鐘周期1/fs就是時間增量Δt，即

f=Δθ/(2πΔt)=K*fs/2π

也就是說，輸出信號于基準時鐘fs相參，頻率受相位增量K控制。例如相位增量是π/10時，20個基準時鐘周期就能輸出一個周期的正弦信號，即頻率為fs/20;如果相位增量增加到π/5時，能在更短的時間完成一個周期的掃描，頻率因此提高，即fs/10。

推廣到任意波的情況，查找表中如果保存的是任意一段波形的量化數(shù)據(jù)，那么輸出的信號將是以該波形為一個周期的重復(fù)信號。重復(fù)頻率同樣受相位增量控制。

從DDS原理可以看出，在基準時鐘不變的情況下，如果改變輸出頻率，存儲器中的數(shù)據(jù)點并不都能輸出。輸出頻率越高，需要的相位增量越大，跳過的數(shù)據(jù)點越多。這可能會影響信號保真度。

比如基準時鐘為100MHz，存儲器的容量為100pts,保存了欲輸出信號一個周期的采樣點數(shù)據(jù)。

如果需要輸出頻率為1MHz，在每個采樣時鐘節(jié)拍下，依次輸出所有采樣點即可滿足要求。

如果需要輸出頻率為2MHz，相位增量就必須增加1倍，也就是每個采樣時鐘節(jié)拍需要跳過1個采樣點。如果反映信號瞬變的數(shù)據(jù)點恰好在被跳過的采樣點里，輸出信號保真度就會受損。見下圖示意：

圖 2 不同頻率的輸出波形數(shù)據(jù)

如果需要輸出頻率為300kHz，和基準時鐘不是整數(shù)倍關(guān)系。那么不僅有些數(shù)據(jù)點會被跳過，而且此周期輸出的數(shù)據(jù)點和下一個周期輸出的數(shù)據(jù)點不相同，見下圖示意。輸出信號可能有相位截斷和頻率泄漏

圖 3 基準頻率和輸出頻率不是整數(shù)倍關(guān)系

盡管基于DDS原理的AWG有上述的一些缺點，但DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和頻率轉(zhuǎn)換速度快等優(yōu)點，適合輸出調(diào)頻、調(diào)相、掃頻信號。而且通過合理的設(shè)定基準時鐘、相位增量和輸出頻率的關(guān)系，能夠使信號保真度滿足測試要求。

2. True Arb

True Arb就是真任意波形發(fā)生器的意思，這是相對于DDS可能丟掉一些數(shù)據(jù)的特點而言。下圖是True Arb的原理框圖：

圖 4 True Arb原理框圖

True Arb以一個可變的采樣時鐘從波形存儲器中讀出量化數(shù)據(jù)，然后經(jīng)過DAC和低通濾波器后輸出。如果需要改變輸出信號頻率，就調(diào)節(jié)采樣時鐘的頻率。True Arb更接近于一個數(shù)字存儲示波器的逆過程：

1)數(shù)字存儲示波器的采樣率可以變化，True Arb的采樣時鐘頻率也可以變化。

2)數(shù)字存儲示波器的約束條件：儲器容量=采樣率×采樣時間

True Arb的約束條件：存儲容量=采樣率×信號重復(fù)周期

例如AWG的存儲容量為2Mpts,如果采樣率設(shè)為100MS/s，那么輸出信號的最大重復(fù)周期為20ms，即最小重復(fù)頻率50Hz。如果要輸出更低頻率的信號，就必須降低采樣率。

可以看出，通過改變采樣時鐘來改變輸出頻率的方法，能夠保證存儲器中的數(shù)據(jù)都被輸出，相比DDS方法，信號保真度更好。

另外True Arb存儲器從邏輯上可以分成若干片段，每個片段的波形數(shù)據(jù)可以單獨、重復(fù)輸出，即所謂波形序列(Sequence)功能。例如存儲器深度為1Mpts?？梢苑譃?個片段，分別可以保存500kpts、400kpts、100kpts數(shù)據(jù)?？梢远x第一個片段波形重復(fù)輸出3次后，第二個片段波形輸出1次，第三個片段波形重復(fù)輸出2次，又重新回到第一個片段開始新的循環(huán)… 這種功能的好處是可以設(shè)計更復(fù)雜的波形，并最大程度利用存儲器容量。比方需要產(chǎn)生這樣一種信號，先輸出一個寬度25us、幅度3V的脈沖，保持低電平20s后再輸出一個寬度25us、幅度5V的脈沖，再經(jīng)過50s的低電平后完成一次重復(fù)，開始下一個周期。這樣一個信號，必須有相對較高的采樣率才能重建出25us的脈沖，但信號重復(fù)周期長，True Arb的約束條件決定了，在有限的存儲器容量下，無法保存高采樣率下的長時間波形數(shù)據(jù)。這時就可以利用波形序列功能。比如第一個片段保存3V脈沖，輸出一次，第二個片段保存50us低電平，重復(fù)輸出400000次，總持續(xù)時間為20s，第三個片段保存5V脈沖，輸出一次，第三個片段保存50us低電平，重復(fù)輸出1000000次，總持續(xù)時間50s。如下圖示意：

圖 5 波形序列功能示意

兩種AWG結(jié)構(gòu)的特點總結(jié)如下：

三、AWG性能和功能

一般通過以下性能和功能來評價一款A(yù)WG：

采樣率：即DAC采樣頻率，也是DDS的基準時鐘頻率。根據(jù)Nyquist定律，AWG能夠輸出的最高頻率成分不超過最大采樣率的一半。

存儲深度：最多能夠存儲的波形數(shù)據(jù)量

模擬帶寬：AWG輸出電路的截至頻率點

輸出頻率范圍：能夠輸出的最大頻率受AWG輸出電路的模擬帶寬，以及采樣率的制約;能夠輸出的最小頻率受存儲深度和采樣率的制約。

輸出最大幅度：AWG能夠輸出的最大電壓，通常是在一定負載條件下，如50ohm或高阻。

分辨率：AWG能夠輸出的最小電壓。一般用DAC的位數(shù)來表示，位數(shù)越多，分辨率越高，能夠輸出的幅度越小

輸出通道數(shù)：能夠輸出的信號數(shù)量，包括模擬信號通道數(shù)量和數(shù)字信號數(shù)量

頻譜純度：通常用諧波失真和相位噪聲來描述

數(shù)字信號輸出能力：除了具備輸出模擬波形的能力，有些AWG還能輸出數(shù)字碼流

調(diào)制能力：是否能夠輸出調(diào)制信號

波形編輯能力：AWG通常借助PC端軟件來產(chǎn)生、編輯波形。借助軟件強大的功能，除了能夠產(chǎn)生正弦、方波、三角波等標準波形數(shù)據(jù)，還能產(chǎn)生更復(fù)雜的波形數(shù)據(jù)，如調(diào)制信號、疊加噪聲、級聯(lián)數(shù)字濾波器等等

觸發(fā)：一些應(yīng)用要求波形輸出的起始時間受控，這就需要觸發(fā)信號來啟動波形的輸出。

同步：一些應(yīng)用要求多個通道的輸出信號相參，即采樣時鐘同源。

四、力科任意波形發(fā)生器

圖 6 ArbStudio

力科任意波形發(fā)生器ArbStudio包括信號源本身和在PC上運行的波形編輯和管理軟件。其主要功能特點：

1)在同類產(chǎn)品中，具有無以倫比的硬件指標：

最多4個模擬通道或36個數(shù)字通道

最大采樣率1GS/s

每通道存儲深度2Mpts

模擬帶寬125MHz

DAC分辨率16bits

2)支持多種調(diào)制方式：AM, FM, PM, ASK, FSK, PSK, PWM