中心議題：

• 如何為應(yīng)用選擇合適的信號源
• 任意波形發(fā)生器
• 函數(shù)發(fā)生器
• 典型的DDS函數(shù)發(fā)生器

 

在各行各業(yè)的測試應(yīng)用中，信號源扮演著極為重要的作用。但信號源具有許多不同的類型，不同類型的信號源在功能和特性上各不相同，分別適用于許多不同的應(yīng)用，詳見表1 。如何為應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)男盘栐?，將為測試工程師提出挑戰(zhàn)。目前，最常見的信號源類型包括任意波形發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器，RF信號源，以及基本的模擬輸出模塊。

任意波形發(fā)生器

任意波形發(fā)生器(AWG)通常提供較深的存儲器，較大的動態(tài)范圍以及較寬的帶寬，來滿足各式各樣的應(yīng)用，包括通信、半導(dǎo)體和系統(tǒng)測試。AWG接收來自PC的用戶自定義數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)來生成任意波形。AWG用戶可以將想要產(chǎn)生的一系列波形下載到儀器所帶的存儲器中。通常，可以存儲實際的波形和形成這些波形所需的波形序列指令。

現(xiàn)在請看一下AWG的基本架構(gòu)。要從AWG上產(chǎn)生一種波形，必須先創(chuàng)建任意波形本身。像模擬波形編輯器，調(diào)制工具，以及國家儀器公司(NI)的 LabVIEW這類的軟件工具都能夠簡化這些波形的創(chuàng)建。這些波形和其波形序列指令都存在儀器所帶的RAM中。

波形生成序列通常從TTL硬件觸發(fā)器開始。各種波形由許多單個的樣本構(gòu)成，而生成采樣率由儀器的采樣時鐘確定。從內(nèi)部采樣時鐘時基(100 MHz VCXO)中導(dǎo)出采樣時鐘有幾種不同模式，包括DDS定時Div/N時鐘，以及幾種提供不同外部時鐘的模式。另外，對于用于儀器的鎖相環(huán)的頻率基準(zhǔn)，也有幾種不同的選擇。

波形通過存儲器到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字采樣樣本轉(zhuǎn)換成所需的模擬輸出波形。在DAC之前，樣本被數(shù)字濾波，而經(jīng)過DAC之后，模擬輸出又通過一個模擬濾波器。這些數(shù)字和模擬濾波器通過插值來增加采樣率，并通過諧波低通濾波器濾除寄生信號，從而極大地改進了信號的質(zhì)量。通常，這些濾波器都能夠軟件編程。
                          
                                      圖 1：任意波形發(fā)生器的基本架構(gòu)。

AWG允許用戶規(guī)定波形片斷，并通過重復(fù)來構(gòu)建復(fù)雜波形。由于AWG將波形存儲在自身存儲器中，故波形長度受限。波形循環(huán)幫助產(chǎn)生具有多次重復(fù)的子段的信號。對波形段進行循環(huán)改善了存儲效率，并增加了波形的持續(xù)時間。

AWG還可以規(guī)定波形中不同的級，每級都可以包括不同的波形段和不同的循環(huán)次數(shù)。AWG依次產(chǎn)生每一個定義的波形段。通過組合先后順序和循環(huán)次數(shù)，就能夠利用很小的存儲器容量來構(gòu)建非常復(fù)雜的波形。AWG可以為每段指定不同的波形片段，不過不同段之間的過渡點上的相位不一定是連續(xù)的。

最后，許多AWG都具有一個仿函數(shù)發(fā)生器功能。此時，當(dāng)要求輸出一個標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)波形時，可以先用軟件來產(chǎn)生，并下載到AWG上，然后再由AWG輸出。這就不同于下面將要介紹的全DDS技術(shù)。

函數(shù)發(fā)生器

函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生固定波形，如正弦波、方波或三角波，頻率可調(diào)節(jié)。函數(shù)發(fā)生器無需來自計算機或大容量存儲緩沖器的連續(xù)輸入，因為設(shè)備本身能夠產(chǎn)生這些波形。

函數(shù)發(fā)生器可以基于模擬技術(shù)，也可以基于數(shù)字技術(shù)。模擬函數(shù)發(fā)生器利用模擬硬件來產(chǎn)生簡單的函數(shù)，并在需要指定頻率的靜態(tài)正弦波或方波時經(jīng)常使用。而數(shù)字函數(shù)發(fā)生器采用直接數(shù)字綜合(DDS)，DAC，數(shù)字信號處理，以及一個單周期存儲緩沖器來產(chǎn)生信號。DDS技術(shù)依賴數(shù)字控制的方法，利用單基準(zhǔn)時鐘頻率來實現(xiàn)一個模擬頻率源。DDS能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高分辨率，高溫度穩(wěn)定度，高寬帶，以及隨機的和相位連續(xù)的頻率切換。

許多信號源通過對一個內(nèi)部時基進行整數(shù)分頻來產(chǎn)生時鐘信號，這被稱為除N方法。但是，用除N方法來產(chǎn)生時鐘，只能產(chǎn)生有限的時鐘頻率。AWG，甚至幾個時鐘頻率產(chǎn)生器，可以采用DDS技術(shù)來產(chǎn)生具有非常精細的更新頻率時鐘信號，而這是除N方法無法實現(xiàn)的。

典型的DDS函數(shù)發(fā)生器

一個完整周期的函數(shù)波形被存儲在上面所示的存儲器查找表中。相位累加器跟蹤輸出函數(shù)的電流相位。為了輸出一個非常低的頻率，采樣樣本之間的差相位 (Δ)將非常小。例如，一個很慢的正弦波可能將有1度的Δ相位。則波形的0號采樣樣本采得0度時刻的正弦波的幅度，而波形的1號采樣將采得1度時刻的正弦波的幅度，依次類推。經(jīng)過360次采樣后，將輸出正弦曲線的全部360度，或者確切地說是一個周期。一個較快的正弦波可能會有10度的Δ相位。于是，36 次采樣就會輸出正弦波的一個周期。如果采樣率保持恒定，上述較慢的正弦波的頻率將比較快的正弦波慢10倍。[page]
                          
                                     圖 2：典型DDS函數(shù)發(fā)生器的架構(gòu)方框圖。

進一步說，一個恒定的Δ相位必將導(dǎo)致一個恒定正弦波頻率的輸出。但是，DDS技術(shù)允許通過一個頻率表迅速地改變信號的Δ相位。函數(shù)發(fā)生器能夠指定一個頻率表，該表包括由波形頻率和持續(xù)時間信息組成的各個段。函數(shù)發(fā)生器按順序產(chǎn)生每個定義的頻率段。通過生成一個頻率表，可以構(gòu)建復(fù)雜的頻率掃描信號和頻率跳變信號。DDS允許函數(shù)發(fā)生器的相位從一級到另一級連續(xù)變化。

矢量信號發(fā)生器提供高靈活度和強大的解決方案，可用于科學(xué)研究，通信，消費電子，宇航/國防，半導(dǎo)體測試以及一些新興領(lǐng)域，如軟件無線電，無線電頻率識別(RFID)，以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)等。
               
                              表1：各類信號源的特性和功能比較一覽表。