任意波形发生器简介

2013-01-29 12:03:48来源: EEWORLD

一、认识信号源

用来产生各种测试信号的仪器称为信号发生器或简称信号源。它可作为各种仿真信号或激励信号广泛用于各类整机、系统及部件、元器件的测试中。例如,用信号源产生某种调制信号输入给接收机,用来测试接收机性能;我们到客户演示力科示波器的时候,也常带上一些信号源,比如用力科的任意波形发生器ArbStudio产生一些特殊的信号,方便演示示波器的各种功能。

信号源的种类很多,就产生信号的特征而言,有正弦信号发生器函数发生器,任意波形发生器等。

正弦信号对线性系统频域分析的重要意义,使得正弦信号发生器被广泛使用。用户对这类信号源的要求通常是频率范围宽、频率准确度和稳定度高、频谱纯度高、相位噪声低。例如通信系统测试中需要的正弦信号发生器,一般要求频率能够延伸到射频段、具备各种调制功能。正弦信号发生器的实现原理一般都是锁相技术和频率合成技术。

函数发生器是能够产生诸如正弦波,方波,三角波的信号源。一个传统函数发生器,用恒流源对电容充电、放电,电容两端的电压就是三角波。如果三角波送到一个比较器,就能产生方波。三角波通过波形整形电路还能够产生正弦波。通过改变电流和电容的大小,就能调节信号频率。这种信号源一般能输出的频率不高、频率准确度和稳定度低。随着数字技术的发展。函数发生器的实现也逐渐从模拟向数字演变。比如利用后文将要介绍的DDS技术来产生信号,这也使得函数发生器渐渐融合到任意波形发生器。

正弦信号发生器和函数发生器都只能产生规则的信号。而产生不规则的信号需要借助于任意波形发生器(AWG,  Arbitrary Waveform Generator)。AWG的基本设计思想是:把所需重现的信号波形截取一个周期进行均匀采样,保存在存储器中。把存储器中的波形数据按顺序读出,经DAC转换后,再滤波,获得所需要的波形。AWG和数字存储示波器在原理上可以认为是一个互逆的过程。数字存储示波器把模拟波形通过ADC数字化,AWG把数字化的波形数据通过DAC转换为模拟波形。这两类仪器都受Nyquist定律约束,能够测量/输出的最高频率分量不超过ADC/DAC采样率的一半。可以使用力科示波器采集一段波形,并保存为文件。把波形文件导入到力科任意波形发生器ArbStudio,就可以还原模拟波形。实际应用中,AWG所用到的波形数据不全是真正采样获得的,通常用软件辅助产生。

二、AWG原理

按具体实现原理,AWG又可分为DDS-based和True Arb两类。

1.       DDS-based AWG

DDS,即Direct Digital Synthesis直接数字合成,一种频率合成的方法。前文也提到正弦信号发生器一般使用了频率合成技术。那么什么是频率合成?

信号源都需要使用振荡器,一般振荡器的输出频率范围有限,并且在宽的频率范围内难以获得高稳定度。那么就需要从频率单一但准确度和稳定度高的振荡源(比如晶体振荡器)派生出各种需要的频率。这种从一种频率派生出多种频率信号的方法就是频率合成。比如一个振荡器输出的单一频率信号,可利用倍频、分频、混频技术实现频率的加、减、乘、除运算,合成一系列频率的信号,这些频率都和振荡器频率(称基准频率)相参,这种方法称为直接模拟合成(Direct Analog Synthesis)。此外还有基于PLL的间接频率合成。

DDS是另外一种重要的频率合成技术。先来看如何用DDS技术产生正弦信号。我们知道,正弦波的频率可表示为f=ω/2π=Δθ/(2πΔt)。Δθ是正弦信号经过一段时间Δt之后的相位增量。在同样的时间Δt内,相位增量越大,角速率就越高,振荡频率就越高。DDS正是基于这种频率和角速率的关系来合成想要的频率。请看下面的DDS原理框图:

图 1 DDS原理框图

相位累加器用来产生表示相位的序列,它以基准时钟fs为节拍,以K为累加值,产生线性增长的相位序列。例如相位累加器初始值表示的相位是0,K对应的累加值为π/10,那么累加器在基准时钟的激励下依次产生表示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个正弦波查找表的地址,该查找表实现相位到幅度的转换,输出相位所对应的正弦波幅度值,这个时候幅度还是数字序列,经过DAC和低通滤波器后输出平滑的正弦波。基准时钟同时也是查找表的输出时钟和DAC的采样时钟。

K就是相位增量Δθ,基准时钟周期1/fs就是时间增量Δt,即

f=Δθ/(2πΔt)=K*fs/2π

也就是说,输出信号于基准时钟fs相参,频率受相位增量K控制。例如相位增量是π/10时,20个基准时钟周期就能输出一个周期的正弦信号,即频率为fs/20;如果相位增量增加到π/5时,能在更短的时间完成一个周期的扫描,频率因此提高,即fs/10。

推广到任意波的情况,查找表中如果保存的是任意一段波形的量化数据,那么输出的信号将是以该波形为一个周期的重复信号。重复频率同样受相位增量控制。

从DDS原理可以看出,在基准时钟不变的情况下,如果改变输出频率,存储器中的数据点并不都能输出。输出频率越高,需要的相位增量越大,跳过的数据点越多。这可能会影响信号保真度。

比如基准时钟为100MHz,存储器的容量为100pts,保存了欲输出信号一个周期的采样点数据。

如果需要输出频率为1MHz,在每个采样时钟节拍下,依次输出所有采样点即可满足要求。

如果需要输出频率为2MHz,相位增量就必须增加1倍,也就是每个采样时钟节拍需要跳过1个采样点。如果反映信号瞬变的数据点恰好在被跳过的采样点里,输出信号保真度就会受损。见下图示意:

dds.tif

图 2 不同频率的输出波形数据

如果需要输出频率为300kHz,和基准时钟不是整数倍关系。那么不仅有些数据点会被跳过,而且此周期输出的数据点和下一个周期输出的数据点不相同,见下图示意。输出信号可能有相位截断和频率泄漏

图 3 基准频率和输出频率不是整数倍关系

尽管基于DDS原理的AWG有上述的一些缺点,但DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和频率转换速度快等优点,适合输出调频、调相、扫频信号。而且通过合理的设定基准时钟、相位增量和输出频率的关系,能够使信号保真度满足测试要求。

2.       True Arb

True Arb就是真任意波形发生器的意思,这是相对于DDS可能丢掉一些数据的特点而言。下图是True Arb的原理框图:

图 4 True Arb原理框图

True Arb以一个可变的采样时钟从波形存储器中读出量化数据,然后经过DAC和低通滤波器后输出。如果需要改变输出信号频率,就调节采样时钟的频率。True Arb更接近于一个数字存储示波器的逆过程:

1)数字存储示波器的采样率可以变化,True Arb的采样时钟频率也可以变化。

2)数字存储示波器的约束条件:储器容量=采样率×采样时间

True Arb的约束条件:存储容量=采样率×信号重复周期

例如AWG的存储容量为2Mpts,如果采样率设为100MS/s,那么输出信号的最大重复周期为20ms,即最小重复频率50Hz。如果要输出更低频率的信号,就必须降低采样率。

可以看出,通过改变采样时钟来改变输出频率的方法,能够保证存储器中的数据都被输出,相比DDS方法,信号保真度更好。

另外True Arb存储器从逻辑上可以分成若干片段,每个片段的波形数据可以单独、重复输出,即所谓波形序列(Sequence)功能。例如存储器深度为1Mpts。可以分为3个片段,分别可以保存500kpts、400kpts、100kpts数据。可以定义第一个片段波形重复输出3次后,第二个片段波形输出1次,第三个片段波形重复输出2次,又重新回到第一个片段开始新的循环… 这种功能的好处是可以设计更复杂的波形,并最大程度利用存储器容量。比方需要产生这样一种信号,先输出一个宽度25us、幅度3V的脉冲,保持低电平20s后再输出一个宽度25us、幅度5V的脉冲,再经过50s的低电平后完成一次重复,开始下一个周期。这样一个信号,必须有相对较高的采样率才能重建出25us的脉冲,但信号重复周期长,True Arb的约束条件决定了,在有限的存储器容量下,无法保存高采样率下的长时间波形数据。这时就可以利用波形序列功能。比如第一个片段保存3V脉冲,输出一次,第二个片段保存50us低电平,重复输出400000次,总持续时间为20s,第三个片段保存5V脉冲,输出一次,第三个片段保存50us低电平,重复输出1000000次,总持续时间50s。如下图示意:

图 5 波形序列功能示意

两种AWG结构的特点总结如下:

三、AWG性能和功能

一般通过以下性能和功能来评价一款AWG:

采样率:即DAC采样频率,也是DDS的基准时钟频率。根据Nyquist定律,AWG能够输出的最高频率成分不超过最大采样率的一半。

存储深度:最多能够存储的波形数据量

模拟带宽:AWG输出电路的截至频率点

输出频率范围:能够输出的最大频率受AWG输出电路的模拟带宽,以及采样率的制约;能够输出的最小频率受存储深度和采样率的制约。

输出最大幅度:AWG能够输出的最大电压,通常是在一定负载条件下,如50ohm或高阻。

分辨率:AWG能够输出的最小电压。一般用DAC的位数来表示,位数越多,分辨率越高,能够输出的幅度越小

输出通道数:能够输出的信号数量,包括模拟信号通道数量和数字信号数量

频谱纯度:通常用谐波失真和相位噪声来描述

数字信号输出能力:除了具备输出模拟波形的能力,有些AWG还能输出数字码流

调制能力:是否能够输出调制信号

波形编辑能力:AWG通常借助PC端软件来产生、编辑波形。借助软件强大的功能,除了能够产生正弦、方波、三角波等标准波形数据,还能产生更复杂的波形数据,如调制信号、叠加噪声、级联数字滤波器等等

触发:一些应用要求波形输出的起始时间受控,这就需要触发信号来启动波形的输出。

同步:一些应用要求多个通道的输出信号相参,即采样时钟同源。

四、力科任意波形发生器

ArbStudio_1470r

图 5  ArbStudio

力科任意波形发生器ArbStudio包括信号源本身和在PC上运行的波形编辑和管理软件。其主要功能特点:

1)在同类产品中,具有无以伦比的硬件指标:

最多4个模拟通道或36个数字通道

最大采样率1GS/s

每通道存储深度2Mpts

模拟带宽125MHz

DAC分辨率16bits

2)支持多种调制方式:AM, FM, PM, ASK, FSK, PSK, PWM

3)市面上很多AWG要么是DDS架构,要么是True Arb架构。ArbStudio同时提供两种工作模式,方便用户根据应用的需要来选择不同的工作模式。

4)方便易用的波形产生、编辑和管理软件。除了AWG方式,ArbStudio软件还能工作在函数发生器和PWM信号发生器模式,用户无需编辑波形数据即可方便快捷地输出想要的基本波形。

5)采样时钟和触发可以从外部输入,触发信号也能输出。

6)支持最多8台4通道ArbStudio同步工作。

关键字:任意波形发生器

编辑:马悦 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2013/0129/article_6767.html
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