《08 任意波形发生器简介-Limai》.pdf

任意波形发生器简介 美国力科公司成都代表处 万力劢 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: 相位累加器 相位累加值K 相位 正弦波 低通 DAC 寄存器 查询表