中心議題：

• 如何為應(yīng)用選擇合適的信號(hào)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(cè)試應(yīng)用中，信號(hào)源扮演著極為重要的作用。但信號(hào)源具有許多不同的類(lèi)型，不同類(lèi)型的信號(hào)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(jiàn)表1 。如何為應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)男盘?hào)源，將為測(cè)試工程師提出挑戰(zhàn)。目前，最常見(jiàn)的信號(hào)源類(lèi)型包括任意波形發(fā)生器，函數(shù)發(fā)生器，RF信號(hào)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(chǔ)器，較大的動(dòng)態(tài)范圍以及較寬的帶寬，來(lái)滿(mǎn)足各式各樣的應(yīng)用，包括通信、半導(dǎo)體和系統(tǒng)測(cè)試。AWG接收來(lái)自PC的用戶(hù)自定義數(shù)據(jù)，并利用這些數(shù)據(jù)來(lái)生成任意波形。AWG用戶(hù)可以將想要產(chǎn)生的一系列波形下載到儀器所帶的存儲(chǔ)器中。通常，可以存儲(chǔ)實(shí)際的波形和形成這些波形所需的波形序列指令。

現(xiàn)在請(qǐng)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(guó)家儀器公司(NI)的 LabVIEW這類(lèi)的軟件工具都能夠簡(jiǎn)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(kāi)始。各種波形由許多單個(gè)的樣本構(gòu)成，而生成采樣率由儀器的采樣時(shí)鐘確定。從內(nèi)部采樣時(shí)鐘時(shí)基(100 MHz VCXO)中導(dǎo)出采樣時(shí)鐘有幾種不同模式，包括DDS定時(shí)Div/N時(shí)鐘，以及幾種提供不同外部時(shí)鐘的模式。另外，對(duì)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(guò)存儲(chǔ)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(guò)DAC之后，模擬輸出又通過(guò)一個(gè)模擬濾波器。這些數(shù)字和模擬濾波器通過(guò)插值來(lái)增加采樣率，并通過(guò)諧波低通濾波器濾除寄生信號(hào)，從而極大地改進(jìn)了信號(hào)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(hù)規(guī)定波形片斷，并通過(guò)重復(fù)來(lái)構(gòu)建復(fù)雜波形。由于AWG將波形存儲(chǔ)在自身存儲(chǔ)器中，故波形長(zhǎng)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(hào)。對(duì)波形段進(jìn)行循環(huán)改善了存儲(chǔ)效率，并增加了波形的持續(xù)時(shí)間。

AWG還可以規(guī)定波形中不同的級(jí)，每級(jí)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(gè)定義的波形段。通過(guò)組合先后順序和循環(huán)次數(shù)，就能夠利用很小的存儲(chǔ)器容量來(lái)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(guò)不同段之間的過(guò)渡點(diǎn)上的相位不一定是連續(xù)的。

最后，許多AWG都具有一個(gè)仿函數(shù)發(fā)生器功能。此時(shí)，當(dāng)要求輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)波形時(shí)，可以先用軟件來(lái)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(wú)需來(lái)自計(jì)算機(jī)或大容量存儲(chǔ)緩沖器的連續(xù)輸入，因?yàn)樵O(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(lái)產(chǎn)生簡(jiǎn)單的函數(shù)，并在需要指定頻率的靜態(tài)正弦波或方波時(shí)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(hào)處理，以及一個(gè)單周期存儲(chǔ)緩沖器來(lái)產(chǎn)生信號(hào)。DDS技術(shù)依賴(lài)數(shù)字控制的方法，利用單基準(zhǔn)時(shí)鐘頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)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(jī)的和相位連續(xù)的頻率切換。

許多信號(hào)源通過(guò)對(duì)一個(gè)內(nèi)部時(shí)基進(jìn)行整數(shù)分頻來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，這被稱(chēng)為除N方法。但是，用除N方法來(lái)產(chǎn)生時(shí)鐘，只能產(chǎn)生有限的時(shí)鐘頻率。AWG，甚至幾個(gè)時(shí)鐘頻率產(chǎn)生器，可以采用DDS技術(shù)來(lái)產(chǎn)生具有非常精細(xì)的更新頻率時(shí)鐘信號(hào)，而這是除N方法無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。

典型的DDS函數(shù)發(fā)生器

一個(gè)完整周期的函數(shù)波形被存儲(chǔ)在上面所示的存儲(chǔ)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(gè)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(gè)很慢的正弦波可能將有1度的Δ相位。則波形的0號(hào)采樣樣本采得0度時(shí)刻的正弦波的幅度，而波形的1號(hào)采樣將采得1度時(shí)刻的正弦波的幅度，依次類(lèi)推。經(jīng)過(guò)360次采樣后，將輸出正弦曲線(xiàn)的全部360度，或者確切地說(shuō)是一個(gè)周期。一個(gè)較快的正弦波可能會(huì)有10度的Δ相位。于是，36 次采樣就會(huì)輸出正弦波的一個(gè)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(jìn)一步說(shuō)，一個(gè)恒定的Δ相位必將導(dǎo)致一個(gè)恒定正弦波頻率的輸出。但是，DDS技術(shù)允許通過(guò)一個(gè)頻率表迅速地改變信號(hào)的Δ相位。函數(shù)發(fā)生器能夠指定一個(gè)頻率表，該表包括由波形頻率和持續(xù)時(shí)間信息組成的各個(gè)段。函數(shù)發(fā)生器按順序產(chǎn)生每個(gè)定義的頻率段。通過(guò)生成一個(gè)頻率表，可以構(gòu)建復(fù)雜的頻率掃描信號(hào)和頻率跳變信號(hào)。DDS允許函數(shù)發(fā)生器的相位從一級(jí)到另一級(jí)連續(xù)變化。

矢量信號(hào)發(fā)生器提供高靈活度和強(qiáng)大的解決方案，可用于科學(xué)研究，通信，消費(fèi)電子，宇航/國(guó)防，半導(dǎo)體測(cè)試以及一些新興領(lǐng)域，如軟件無(wú)線(xiàn)電，無(wú)線(xiàn)電頻率識(shí)別(RFID)，以及無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò)等。
               
                              表1：各類(lèi)信號(hào)源的特性和功能比較一覽表。