信號源的使用方法

　　在電子測試和測量中，經(jīng)常要求信號源，生成只有在外部提供時(shí)才會(huì )有的信號。信號源可以提供“已知良好”的信號，或者在其提供的信號中添加可重復的數量和類(lèi)型已知的失真(或誤碼)。這是信號源最大的特點(diǎn)之一，因為僅使用電路本身，通常不可能恰好在需要的時(shí)間和地點(diǎn)創(chuàng )建可預測的失真。從設計檢驗到檢定，從極限和余量測試到一致性測試，信號源可以用于數百種應用。
　　因此，有多種信號源結構可供選擇也就不足為奇了，而每種結構都有各自的優(yōu)點(diǎn)、功能和經(jīng)濟性，適用于特定的用途。在本文中，我們將比較兩種信號發(fā)生結構：一種用于任意波形/ 函數發(fā)生器中，一種用于任意波形發(fā)生器中。選擇結果在很大程度上取決于應用。

了解信號發(fā)生方法
　　任意波形/ 函數發(fā)生器(AFG)通過(guò)讀取內存的內容，來(lái)同時(shí)創(chuàng )建函數波形和任意波形。大多數現代AFG 采用直接信號合成(DDS)技術(shù)，在廣泛的頻率范圍上提供信號。
　　任意波形發(fā)生器(AWG)基于真正可變時(shí)鐘結構(通常稱(chēng)為" 真正的arbs*1")，適用于在所有頻率上生成比較復雜的波形。AWG 也讀取內存的內容，但其讀取方式不同(后面進(jìn)行了介紹)。處理先進(jìn)通信和計算單元的設計人員選擇AWG，驅動(dòng)采用復雜調制和帶有異常事件的高速信號。結果，AWG 占據了研究、開(kāi)發(fā)和工程應用的最高層。
　　這兩種結構在波形生成方法上有著(zhù)很大差異。本技術(shù)簡(jiǎn)
介討論了基于可變時(shí)鐘的任意波形發(fā)生器和基于DDS的任意波形/ 函數發(fā)生器之間的差別。

透過(guò)前面板：比較兩個(gè)平臺
AWG：概念簡(jiǎn)單，靈活性最大
　　盡管AWG 在這兩種結構中更加靈活，但AWG 的底層波形生成技術(shù)非常簡(jiǎn)明。AWG的播放方案可以視為“反向取樣”。
　　這是什么意思呢？看一下信號取樣平臺-- 示波器，它通過(guò)在連續時(shí)點(diǎn)上數字化模擬信號的電壓值，來(lái)采集波形，其取樣頻率取決于用戶(hù)選擇的時(shí)鐘速率。得到的樣點(diǎn)存儲在內存中。

　　AWG的流程相反。AWG開(kāi)始時(shí)波形已經(jīng)在內存中。波形占用指定數量的內存位置。在每個(gè)時(shí)鐘周期中，儀器從內存中輸出另一個(gè)波形樣點(diǎn)。由于代表波形的樣點(diǎn)數量是固定的，因此時(shí)鐘速率越快，讀取內存中波形數據點(diǎn)的速度越快，輸出頻率越高。換句話(huà)說(shuō)，輸出信號頻率完全取決于時(shí)鐘頻率和內存中的波形樣點(diǎn)數量*2。圖1 中簡(jiǎn)化的方框圖概括了AWG 結構。

　　AWG 的靈活性源自其內存中存儲的波形。波形可以采取任何形狀；它可以有任意數量的畸變，或根本沒(méi)有畸變。在基于PC 的工具的幫助下，用戶(hù)可以開(kāi)發(fā)人們想得到的幾乎任何波形(在物理限制內!)?？梢栽趦x器能夠生成的任何時(shí)鐘頻率上，從內存中讀取樣點(diǎn)。不管時(shí)鐘是以1 MHz運行還是以1 GHz運行，波形的形狀相同。
*1 工程師通常使用"arb" 來(lái)指任何類(lèi)型的任意波形發(fā)生器。
*2 當然任何AWG 型號都有最大內存容量。波形占用的深度可能要小于全部容量。

AFG 在高頻中采取高效的快捷方式
　　AFG也使用存儲的波形，作為輸出信號的基礎。其樣點(diǎn)讀數中涉及時(shí)鐘信號，但結果類(lèi)似。
　　AFG 的時(shí)鐘以某個(gè)固定速率運行。由于波形樣點(diǎn)的數量在內存中也是固定的，因此AFG 怎樣才能在變動(dòng)頻率上提供波形呢？例如，想象一下您正在使用一部AFG，它存儲由1000 個(gè)樣點(diǎn)組成的波形，以1 MHz 的固定速率輸出。輸出信號的周期將恰好固定在1 ms (1kHz)。很明顯，單頻信號源在大多數應用中用途有限。因此，DDS 技術(shù)提供了一個(gè)解決方案?；贒DS的儀器不讀取每個(gè)樣點(diǎn)，而是讀取不到1000 個(gè)樣點(diǎn)，來(lái)重建波形。

　　圖2 是典型的簡(jiǎn)化的AFG 結構，其中包括DDS 段。輸出信號由時(shí)鐘、代表相位值的存儲的二進(jìn)制數字及波形內存的內容構成。
　　如前所述，AFG保持固定的系統時(shí)鐘頻率。360度時(shí)鐘周期分布在所有波形樣點(diǎn)中，DDS 段根據波形長(cháng)度及用戶(hù)選擇的頻率自動(dòng)確定相位增量。
　　高頻設置會(huì )導致大的相位增量，使AFG 在通過(guò)360 度周期時(shí)迅速向前跳，提供高頻信號。低頻值導致小的增量，觸發(fā)相位累加器以較低的步長(cháng)步進(jìn)通過(guò)波形樣點(diǎn)，
甚至會(huì )重復各個(gè)樣點(diǎn)，構成360度，生成頻率較低的波形。
　　這一決策背后的數學(xué)運算超出了本文的討論范疇?？梢赃@樣講，AFG根據自己的內部算法跳過(guò)選擇的波形數據點(diǎn)。由于相位增量方法，它并不是在每個(gè)周期中一直跳過(guò)相同的樣點(diǎn)數。AFG為生成變化的波形和頻率提供了一種快捷方式，但最終用戶(hù)不能控制跳過(guò)哪些數據點(diǎn)。
　　這必然對輸出波形保真度造成一定的影響。具有連續形狀的波形(正弦、三角形等等)通常不是問(wèn)題，但可能會(huì )影響當前數字環(huán)境中常見(jiàn)的帶有快速轉換的信號，如脈沖和瞬變。例如，假設在新的電信交換機元件上進(jìn)行極限測試。測試波形是一串二進(jìn)制脈沖，其中一個(gè)脈沖在上升沿上有一個(gè)瞬變。在某些頻率上，DDS相位增量可能會(huì )剛好跳過(guò)瞬變，而不會(huì )作為信號的一部分在時(shí)鐘中輸出瞬變。對被測器件(DUT)，信號類(lèi)似于沒(méi)有干擾的脈沖流，由于缺少任何實(shí)際“極限”，這種極限測試是無(wú)效的。

　
表1. AFG 與AWG 取樣特點(diǎn)比較

　　AFG結構的實(shí)現成本要低于全功能AWG工具集。結果，它非常經(jīng)濟，可以供各個(gè)工程師和科研人員使用。此外，AFG擁有某些獨有的性能優(yōu)勢。部分領(lǐng)先型號擁有任何波形發(fā)生平臺中最優(yōu)秀的頻率捷變性，即能夠在不同頻率之間平滑切換，而不會(huì )在信號中產(chǎn)生不連續點(diǎn)。

表1 概括了AFG 平臺和AWG 平臺的時(shí)鐘和內存特點(diǎn)。

深入細節
　　為更好地比較AWG和AFG結構，我們將進(jìn)行簡(jiǎn)單的“案例分析”。我們將考察這兩個(gè)平臺處理定義輸出波形的樣點(diǎn)的方式?！?BR>
　　這一比較涉及三種儀器：最大取樣速率1 GS/s的AFG；最大取樣速率1 GS/s的AWG #1；最大取樣速率2 GS/s 的AWG #2。

　　我們的目標是在3 MHz - 20 MHz 的頻率范圍內生成一個(gè)正弦波。這兩臺AWG和AFG都在100點(diǎn)的取樣內存中裝有一個(gè)正弦波周期。圖3顯示了這三個(gè)平臺的特點(diǎn)怎樣影響其任務(wù)處理方式。

　　這三種工具都以1 GS/s 的取樣速率讀取100 個(gè)點(diǎn)，生成10 MHz 正弦波(圖3 中的中間行):

圖3. T 管理輸出信號頻率的三種方法。

• AFG 的DDS 單元收到命令，在輸出上提供10 MHz，它計算出1 GS/s 時(shí)鐘每擺動(dòng)一下增加1 個(gè)點(diǎn)。它接觸到100 個(gè)樣點(diǎn)中的每個(gè)點(diǎn)。
  
• 兩個(gè)AWG中的時(shí)鐘都被手動(dòng)設置為1 GS/s，它們也讀取100 個(gè)點(diǎn)，生成10 MHz 波形。
  
• 在把輸出頻率設為3 MHz (底部行)，其方法出現分歧：
  AFG 的時(shí)鐘仍以1 GS/s 的固定速率運行。但現在，DDS把增量自動(dòng)設成時(shí)鐘每擺動(dòng)一下0.3個(gè)點(diǎn)；也就是說(shuō)，各個(gè)數據點(diǎn)重復三次或四次。
  
• 兩個(gè)AWG中的時(shí)鐘頻率必須手動(dòng)降到300 MS/s。時(shí)
  鐘現在更慢地讀過(guò)樣點(diǎn)，生成3 MHz 的輸出頻率。
  
  現在，輸出頻率必須提高到20 MHz。這三個(gè)平臺以不同方式迎接這一挑戰：
  　　AFG 的DDS 單元把取樣增量設為兩個(gè)樣點(diǎn)。它每隔一個(gè)樣點(diǎn)讀取一個(gè)樣點(diǎn)，共使用50個(gè)點(diǎn)定義波形。其長(cháng)度只是讀取100個(gè)點(diǎn)的一半。結果是一個(gè)20 MHz輸出信號。
  　　與所有AWG 在任何頻率設置上一樣，AWG #1 時(shí)鐘每擺動(dòng)一下讀取一個(gè)樣點(diǎn)。但是，由于其最大取樣速率是1 GS/s，因此它不能在50 ns 的20 MHz 正弦波周期中讀取100個(gè)點(diǎn)。因此，必須通過(guò)用戶(hù)故意干預，把存儲的波形圖像下降到總共50 個(gè)點(diǎn)。結果是一個(gè)20 MHz 輸出信號。
  　　它提供了多種軟件工具，在要求時(shí)幫助用戶(hù)編輯樣點(diǎn)數量，某些儀器為此提供了內置功能。在使用外部工具時(shí)，必須把修改后的波形重裝到AWG 中。
  　　AWG #2時(shí)鐘每擺動(dòng)一次讀取一個(gè)樣點(diǎn)，但時(shí)鐘速率翻了一倍，提高到2 GS/s。儀器讀取100 點(diǎn)內存的速度提高了一倍。結果是一個(gè)20 MHz 輸出信號。
  　　乍一看，似乎AWG #1限于與AFG相同的波形分辨率，但有一個(gè)關(guān)鍵區別。在20 MHz的輸出頻率上，AWG讀取正弦波中50 個(gè)點(diǎn)的每個(gè)點(diǎn)。AFG 跳過(guò)樣點(diǎn)。
  

圖4. AFG 跳過(guò)樣點(diǎn)，提高其輸出頻率。在某些頻率上，可以忽略各個(gè)信號細節。
　　圖4 演示了AFG/DDS 方法和AWG 方法之間的基本二分法。本圖描述了一個(gè)正弦波的半個(gè)周期，由25 個(gè)點(diǎn)構成，包括添加的模擬DAC 上瞬時(shí)跌落的畸變。
　　AWG讀取每個(gè)點(diǎn)(紅色或黑色)，而不管輸出頻率的設置是多少。如果輸出頻率設為10 MHz，AWG 讀取25 個(gè)點(diǎn)。如果設為20 MHz，AWG仍讀取25個(gè)點(diǎn)。如果AWG內部的最大時(shí)鐘速率沒(méi)有足夠高，通過(guò)讀取所有樣點(diǎn)來(lái)生成希望的頻率，那么可以降低點(diǎn)數。假設用戶(hù)在削減AWG 的樣點(diǎn)數量時(shí)保留希望的波形特點(diǎn)，儀器將在每個(gè)周期中可靠地提供一個(gè)毛刺。
　　現在看一下AFG。如果輸出頻率設為10 MHz，它讀取每個(gè)點(diǎn)。如果設為20 MHz，它會(huì )每隔第二個(gè)點(diǎn)讀取一個(gè)點(diǎn)。這些DDS 點(diǎn)用紅色顯示。注意，AFG 完全繞過(guò)毛刺。它剛好跳過(guò)定義跌落的那個(gè)樣點(diǎn)。波形輸出為一個(gè)清楚的正弦波。被測器件沒(méi)有收到畸變。
　　

　

包括畸變的信號
　　圖4是嚴格的“教科書(shū)”實(shí)例。根據涉及的算法和頻率，DDS 將選擇要跳過(guò)的不同點(diǎn)，因此紅色樣點(diǎn)和黑色樣點(diǎn)之間的二分法并不適用于任何情況。圖5和圖6是實(shí)際屏幕圖，它們突出顯示了兩種取樣和波形重建結構的差別?！?BR>
生成偽隨機碼流(PRBS)碼型
　　在使用基于DDS的AFG及固定取樣速率生成偽隨機碼流(PRBS)碼型時(shí)，抖動(dòng)是一個(gè)問(wèn)題。簡(jiǎn)單地說(shuō)，AFG一般對快速變化的脈沖上升沿和下降沿應用相當于抖動(dòng)的一個(gè)相同周期*3。例如，如果AFG的取樣速率是250MS/s，那么信號邊沿上將出現4 ns 的抖動(dòng)。抖動(dòng)值與AFG 的取樣周期相同。
　　之所以出現抖動(dòng)，是因為AFG擁有固定的取樣速率，其不是數據速率的倍數。AWG則沒(méi)有這種限制(盡管任何實(shí)際環(huán)境信號源都會(huì )產(chǎn)生某些抖動(dòng))。

優(yōu)點(diǎn)/ 缺點(diǎn)
　　工具的最終選擇總是取決于應用。用戶(hù)總是面臨著(zhù)“好大喜功”的問(wèn)題，這在取樣速率和內存深度中意味著(zhù)最大的數字。而聰明的用戶(hù)則會(huì )根據應用的實(shí)際信號要求來(lái)作出選擇。
　　例如，某些中檔AFG 提供了1 GS/s 的取樣速率，某些同類(lèi)AWG 則只提供了600 MS/s 的取樣速率。但當應用要求在廣泛的頻率范圍上可靠地提供小信號細節時(shí)，最好選擇AWG，因為AWG 讀取存儲的波形上的每個(gè)樣點(diǎn)，可以保證準確地復現瞬變、邊沿上升時(shí)間、甚至噪聲效應。
　　此外，AWG 還適合為低抖動(dòng)數字波形提供信號，如偽隨機碼流(PRBS)。這使其成為許多串行總線(xiàn)測試應用的最佳解決方案。
　　AWG 不可避免也有一些缺點(diǎn)。如前面所述的AWG#1，編輯樣點(diǎn)數、以提高輸出頻率不象AFG改變一個(gè)設置、進(jìn)而改變頻率那樣方便。
　　由于A(yíng)WG結構在所有通道中依賴(lài)一個(gè)可變主時(shí)鐘，因此在多條通道中同時(shí)生成不同頻率要求在每條通道后面存儲一個(gè)不同的波形文件。
　　例如，如果需要從通道1 中生成一個(gè)10 MHz 正弦波，同時(shí)從通道2 中生成一個(gè)20 MHz 正弦波，那么通道2的波形內存必須加載兩個(gè)周期。所以，在時(shí)鐘步進(jìn)通過(guò)內存時(shí)，對通道1 中的每一個(gè)周期，通道2 中會(huì )出現兩個(gè)周期，使輸出頻率翻一番。當不同頻率不是基本頻率的倍數時(shí)，這一過(guò)程會(huì )變得更加復雜。
　　AFG提供了一套不同的優(yōu)勢。其相噪指標和頻率捷變一般要優(yōu)于A(yíng)WG。在某些領(lǐng)先的AFG 型號中，每條通道中的DDS單元獨立操縱主時(shí)鐘，從而可以簡(jiǎn)便地一次提供多個(gè)頻率。此外，AFG通常是各種選項中最經(jīng)濟的解決方案。任意函數發(fā)生器已經(jīng)成為通用信號源的支柱。
　　AFG不太適合要求低抖動(dòng)和非常窄的瞬變的應用。該平臺不適合PRBS應用，因為其輸出波形本身的抖動(dòng)較高，會(huì )導致DUT接收單元發(fā)出錯誤響應。對要求可預測的信號失真的極限測試，AFG跳過(guò)樣點(diǎn)的技術(shù)會(huì )在某些頻率上產(chǎn)生誤導結果。

總結
　　通常情況下，選擇AFG還是AWG 主要是取決于哪種方法最適合具體應用：
　

• 在應用要求干凈規則的波形時(shí)，或要求從一個(gè)頻率到另一個(gè)頻率快速切換，或在多條通道中必須同時(shí)提供不同頻率時(shí)，應選擇AFG。
  　
• 對最復雜的信號應選擇AWG，如PRBS 流、調制的RF 信號等等。當信號源必須在提供的每個(gè)頻率上在每個(gè)工作周期中可靠地生成畸變、受控抖動(dòng)和噪聲時(shí)，更適合采用AWG。