任意波形发生器简介

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：

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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……18π/10，19π/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：

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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




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：





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：



三、AWG性能和功能

一般通过以下性能和功能来评价一款AWG：

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