任意波形發(fā)生器簡(jiǎn)介

一、認(rèn)識(shí)信號(hào)源

用來(lái)產(chǎn)生各種測(cè)試信號(hào)的儀器稱為信號(hào)發(fā)生器或簡(jiǎn)稱信號(hào)源。它可作為各種仿真信號(hào)或激勵(lì)信號(hào)廣泛用于各類整機(jī)、系統(tǒng)及部件、元器件的測(cè)試中。例如，用信號(hào)源產(chǎn)生某種調(diào)制信號(hào)輸入給接收機(jī)，用來(lái)測(cè)試接收機(jī)性能;我們到客戶演示力科示波器的時(shí)候，也常帶上一些信號(hào)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(hào)，方便演示示波器的各種功能。

信號(hào)源的種類很多，就產(chǎn)生信號(hào)的特征而言，有正弦信號(hào)發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器，任意波形發(fā)生器等。正弦信號(hào)對(duì)線性系統(tǒng)頻域分析的重要意義，使得正弦信號(hào)發(fā)生器被廣泛使用。用戶對(duì)這類信號(hào)源的要求通常是頻率范圍寬、頻率準(zhǔn)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(cè)試中需要的正弦信號(hào)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(hào)發(fā)生器的實(shí)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(hào)源。一個(gè)傳統(tǒng)函數(shù)發(fā)生器，用恒流源對(duì)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(gè)比較器，就能產(chǎn)生方波。三角波通過(guò)波形整形電路還能夠產(chǎn)生正弦波。通過(guò)改變電流和電容的大小，就能調(diào)節(jié)信號(hào)頻率。這種信號(hào)源一般能輸出的頻率不高、頻率準(zhǔn)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(shí)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(lái)產(chǎn)生信號(hào)，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(hào)發(fā)生器和函數(shù)發(fā)生器都只能產(chǎn)生規(guī)則的信號(hào)。而產(chǎn)生不規(guī)則的信號(hào)需要借助于任意波形發(fā)生器(AWG, Arbitrary Waveform Generator)。AWG的基本設(shè)計(jì)思想是：把所需重現(xiàn)的信號(hào)波形截取一個(gè)周期進(jìn)行均勻采樣，保存在存儲(chǔ)器中。把存儲(chǔ)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(chǔ)示波器在原理上可以認(rèn)為是一個(gè)互逆的過(guò)程。數(shù)字存儲(chǔ)示波器把模擬波形通過(guò)ADC數(shù)字化，AWG把數(shù)字化的波形數(shù)據(jù)通過(guò)DAC轉(zhuǎn)換為模擬波形。這兩類儀器都受Nyquist定律約束，能夠測(cè)量/輸出的最高頻率分量不超過(guò)ADC/DAC采樣率的一半。可以使用力科示波器采集一段波形，并保存為文件。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(shí)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(shí)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(hào)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(hào)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(zhǔn)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(hào)的方法就是頻率合成。比如一個(gè)振蕩器輸出的單一頻率信號(hào)，可利用倍頻、分頻、混頻技術(shù)實(shí)現(xiàn)頻率的加、減、乘、除運(yùn)算，合成一系列頻率的信號(hào)，這些頻率都和振蕩器頻率(稱基準(zhǔn)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(lái)看如何用DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦信號(hào)。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(hào)經(jīng)過(guò)一段時(shí)間Δt之后的相位增量。在同樣的時(shí)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(lái)合成想要的頻率。請(qǐng)看下面的DDS原理框圖:

相位累加器用來(lái)產(chǎn)生表示相位的序列，它以基準(zhǔn)時(shí)鐘fs為節(jié)拍，以K為累加值，產(chǎn)生線性增長(zhǎng)的相位序列。例如相位累加器初始值表示的相位是0，K對(duì)應(yīng)的累加值為π/10，那么累加器在基準(zhǔn)時(shí)鐘的激勵(lì)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(gè)正弦波查找表的地址，該查找表實(shí)現(xiàn)相位到幅度的轉(zhuǎn)換，輸出相位所對(duì)應(yīng)的正弦波幅度值，這個(gè)時(shí)候幅度還是數(shù)字序列，經(jīng)過(guò)DAC和低通濾波器后輸出平滑的正弦波?；鶞?zhǔn)時(shí)鐘同時(shí)也是查找表的輸出時(shí)鐘和DAC的采樣時(shí)鐘。

K就是相位增量Δθ，基準(zhǔn)時(shí)鐘周期1/fs就是時(shí)間增量Δt，即f=Δθ/(2πΔt)=K*fs/2π也就是說(shuō)，輸出信號(hào)于基準(zhǔn)時(shí)鐘fs相參，頻率受相位增量K控制。例如相位增量是π/10時(shí)，20個(gè)基準(zhǔn)時(shí)鐘周期就能輸出一個(gè)周期的正弦信號(hào)，即頻率為fs/20;如果相位增量增加到π/5時(shí)，能在更短的時(shí)間完成一個(gè)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(hào)將是以該波形為一個(gè)周期的重復(fù)信號(hào)。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(zhǔn)時(shí)鐘不變的情況下，如果改變輸出頻率，存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)點(diǎn)并不都能輸出。輸出頻率越高，需要的相位增量越大，跳過(guò)的數(shù)據(jù)點(diǎn)越多。這可能會(huì)影響信號(hào)保真度。

比如基準(zhǔn)時(shí)鐘為100MHz，存儲(chǔ)器的容量為100pts,保存了欲輸出信號(hào)一個(gè)周期的采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。

如果需要輸出頻率為1MHz，在每個(gè)采樣時(shí)鐘節(jié)拍下，依次輸出所有采樣點(diǎn)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(gè)采樣時(shí)鐘節(jié)拍需要跳過(guò)1個(gè)采樣點(diǎn)。

如果反映信號(hào)瞬變的數(shù)據(jù)點(diǎn)恰好在被跳過(guò)的采樣點(diǎn)里，輸出信號(hào)保真度就會(huì)受損。見(jiàn)下圖示意：

如果需要輸出頻率為300kHz，和基準(zhǔn)時(shí)鐘不是整數(shù)倍關(guān)系。那么不僅有些數(shù)據(jù)點(diǎn)會(huì)被跳過(guò)，而且此周期輸出的數(shù)據(jù)點(diǎn)和下一個(gè)周期輸出的數(shù)據(jù)點(diǎn)不相同，見(jiàn)下圖示意。輸出信號(hào)可能有相位截?cái)嗪皖l率泄漏

盡管基于DDS原理的AWG有上述的一些缺點(diǎn)，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(diǎn)，適合輸出調(diào)頻、調(diào)相、掃頻信號(hào)。而且通過(guò)合理的設(shè)定基準(zhǔn)時(shí)鐘、相位增量和輸出頻率的關(guān)系，能夠使信號(hào)保真度滿足測(cè)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(duì)于DDS可能丟掉一些數(shù)據(jù)的特點(diǎn)而言。下圖是True Arb的原理框圖：

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

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

2)數(shù)字存儲(chǔ)示波器的約束條件：儲(chǔ)器容量=采樣率×采樣時(shí)間

True Arb的約束條件：存儲(chǔ)容量=采樣率×信號(hào)重復(fù)周期

例如AWG的存儲(chǔ)容量為2Mpts,如果采樣率設(shè)為100MS/s，那么輸出信號(hào)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(hào)，就必須降低采樣率。

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

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

三、AWG性能和功能

一般通過(guò)以下性能和功能來(lái)評(píng)價(jià)一款A(yù)WG：

四、力科任意波形發(fā)生器

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

1)在同類產(chǎn)品中，具有無(wú)以倫比的硬件指標(biāo)：

最多4個(gè)模擬通道或36個(gè)數(shù)字通道

最大采樣率1GS/s

每通道存儲(chǔ)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

3)市面上很多AWG要么是DDS架構(gòu)，要么是True Arb架構(gòu)。ArbStudio同時(shí)提供兩種工作模式，方便用戶根據(jù)應(yīng)用的需要來(lái)選擇不同的工作模式。

4)方便易用的波形產(chǎn)生、編輯和管理軟件。除了AWG方式，ArbStudio軟件還能工作在函數(shù)發(fā)生器和PWM信號(hào)發(fā)生器模式，用戶無(wú)需編輯波形數(shù)據(jù)即可方便快捷地輸出想要的基本波形。

5)采樣時(shí)鐘和觸發(fā)可以從外部輸入，觸發(fā)信號(hào)也能輸出。

6)支持最多8臺(tái)4通道ArbStudio同步工作。