您好, 歡迎來(lái)到化工儀器網(wǎng)
信號(hào)發(fā)生器入門(mén)手冊(cè)-（專業(yè)回收回購(gòu)）
一提到電子測(cè)量，可能進(jìn)入人們腦海的第一個(gè)東西是采集儀器，其通常是示波器或邏輯分析儀。但是，只有在能夠采集某類信號(hào)時(shí)，這些工具才能進(jìn)行測(cè)量。在許多情況下，這些信號(hào)是沒(méi)有的，除非在外部提供信號(hào)。
例如，應(yīng)力測(cè)量放大器不生成信號(hào)，而只是提高其從傳感器中收到的信號(hào)功率。類似的，數(shù)字地址總線上的復(fù)用器也不發(fā)起信號(hào)，而是引導(dǎo)來(lái)自計(jì)數(shù)器、寄存器和其它單元的信號(hào)流量。但不可避免的是，必需在連接饋電的電路之前測(cè)試放大器或復(fù)用器。為使用采集儀器測(cè)量這些器件的行為，您必須在輸入上提供激勵(lì)信號(hào)。
再舉一個(gè)例子，工程師必須檢定新出現(xiàn)的電路，保證新硬件在全系列操作范圍及之上的范圍內(nèi)滿足設(shè)計(jì)規(guī)范，這稱為余量測(cè)試或極限測(cè)試。這一測(cè)量任務(wù)要求完整的解決方案，這個(gè)解決方案要能夠生成信號(hào)及進(jìn)行測(cè)量。數(shù)字電路的檢定系列工具與模擬/ 混合信號(hào)電路不同，但這兩者都必須包括激勵(lì)儀器和采集儀器。
信號(hào)發(fā)生器或信號(hào)源是與采集儀器配套使用的激勵(lì)源，構(gòu)成了完整測(cè)量解決方案的兩個(gè)單元。這兩個(gè)工具接在被測(cè)器件(DUT) 的輸入端子和輸出端子上，如圖1 所示。在各種配置中，信號(hào)發(fā)生器可以以模擬波形、數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)碼型、調(diào)制、故意失真、噪聲等形式提供激勵(lì)信號(hào)。為進(jìn)行有效的設(shè)計(jì)、檢定或調(diào)試測(cè)量，應(yīng)同時(shí)考慮解決方案中的這兩個(gè)單元。
圖1. 大多數(shù)測(cè)量要求使用由信號(hào)發(fā)生器及采集儀器配套組成的解決方案。觸發(fā)連接簡(jiǎn)化了DUT 輸出信號(hào)的捕獲工作。
本文的目的是解釋信號(hào)發(fā)生器、其對(duì)整體測(cè)量解決方案的作用以及其應(yīng)用。了解各種類型的信號(hào)發(fā)生器及其功能對(duì)研究人員、工程師或技術(shù)人員的工作至關(guān)重要。選擇適當(dāng)?shù)墓ぞ呖梢宰尮ぷ鞲?jiǎn)便，幫助您生成快速可靠的結(jié)果。在看完本讀物后，您將能夠：
描述信號(hào)發(fā)生器的工作方式
描述電子波形類型
描述混合信號(hào)發(fā)生器和邏輯信號(hào)源之間的區(qū)別
了解基本信號(hào)發(fā)生器控制功能
生成簡(jiǎn)單的波形
如果您需要其它協(xié)助或有與本文中的資料有關(guān)的任何意見(jiàn)或問(wèn)題，請(qǐng)聯(lián)系
信號(hào)發(fā)生器 |
?
信號(hào)發(fā)生器
顧名思義，信號(hào)發(fā)生器是作為電子測(cè)量激勵(lì)源的信號(hào)來(lái)源。大多數(shù)電路要求某種幅度隨時(shí)間變化的輸入信號(hào)。信號(hào)可以是真實(shí)的雙極AC1 信號(hào)( 峰值在接地參考點(diǎn)上下振蕩)，也可以在DC 偏置( 可正可負(fù)) 范圍內(nèi)變化。它可以是正弦波或其它模擬函數(shù)、數(shù)字脈沖、二進(jìn)制碼型或純?nèi)我獠ㄐ巍?/p>
信號(hào)發(fā)生器可以提供“理想”的波形，它可以在其提供的信號(hào)中增加已知的、數(shù)量和類型可重復(fù)的失真( 或誤差)。參見(jiàn)圖2。這一特點(diǎn)是信號(hào)發(fā)生器大的特點(diǎn)，因?yàn)橥ǔ２豢赡苤皇褂秒娐繁旧碓谒璧臅r(shí)間和地點(diǎn)創(chuàng)建可以預(yù)測(cè)的失真。在存在這些失真的信號(hào)時(shí)，DUT 響應(yīng)可以揭示其處理落在正常性能條件外的極限情況。
正常情況下，“AC”一詞是指信號(hào)在0 V ( 接地) 參考周?chē)冋妥冐?fù)，因此在每個(gè)周期中電流流動(dòng)方向會(huì)顛倒一次。但是為進(jìn)行這一討論，AC 定義為任何變動(dòng)的信號(hào)，而不管其與接地的關(guān)系如何。例如，即使一直在同一方向吸收電流，但在+1 V 和+3 V 之間振蕩的信號(hào)仍構(gòu)成AC 波形。大多數(shù)信號(hào)發(fā)生器可以生成以接地為中心的( 真實(shí)的AC) 波形或偏置波形。
模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)？
目前，大多數(shù)信號(hào)發(fā)生器基于數(shù)字技術(shù)。許多信號(hào)發(fā)生器可以同時(shí)滿足數(shù)字信號(hào)和模擬信號(hào)要求，但高效的解決方案通常是為手邊的應(yīng)用( 模擬應(yīng)用或數(shù)字應(yīng)用) 優(yōu)化功能的信號(hào)發(fā)生器。
任意波形發(fā)生器 (AWG) 和函數(shù)發(fā)生器主要針對(duì)模擬信號(hào)應(yīng)用和混合信號(hào)應(yīng)用。這些儀器采用采樣技術(shù)，構(gòu)建和改變幾乎可以想到的任何形狀的波形。一般來(lái)說(shuō)，這些發(fā)生器有1-4 個(gè)輸出。在某些AWG 中，還使用單獨(dú)的標(biāo)記輸出( 協(xié)助觸發(fā)外部?jī)x器) 及以數(shù)字形式表示每個(gè)樣點(diǎn)數(shù)據(jù)的同步數(shù)字輸出，以補(bǔ)充這些主要的采樣模擬輸出。
數(shù)字波形發(fā)生器 ( 邏輯源) 包括兩類儀器。脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)來(lái)自少量輸出的方波或脈沖流，其頻率通常非常高。這些工具常用于對(duì)數(shù)字器件執(zhí)行測(cè)試。碼型發(fā)生器也稱為數(shù)據(jù)發(fā)生器或數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)生器，一般提供8 條、16 條或更多的同步數(shù)字脈沖流，作為計(jì)算機(jī)總線、數(shù)字電信單元等的激勵(lì)信號(hào)。
圖2. ( 上) 理想的波形;
( 下) “實(shí)際環(huán)境”波形。通用信號(hào)發(fā)生器可以為器件極限測(cè)試和檢定提供受控的失真和畸變。
圖3. 信號(hào)發(fā)生器可以使用標(biāo)準(zhǔn)波形、用戶創(chuàng)建的波形或捕獲的波形，在需要的地方對(duì)專門(mén)測(cè)試應(yīng)用增加損傷。
基本信號(hào)發(fā)生器應(yīng)用
信號(hào)發(fā)生器有數(shù)百種不同的應(yīng)用，但在電子測(cè)量中，這些應(yīng)用可以分成三種基本類型：檢驗(yàn)、檢定和極限/ 余量測(cè)試。有代表性的部分應(yīng)用如下：
檢驗(yàn) 測(cè)試數(shù)字模塊化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)
開(kāi)發(fā)新型發(fā)射機(jī)和接收機(jī)硬件的無(wú)線器件設(shè)計(jì)人員必須模擬基帶I&Q 信號(hào)，信號(hào)中可以帶損傷或不帶損傷，檢驗(yàn)其是否滿足新興的和專有的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)。某些高性能任意波形發(fā)生器可以以高達(dá)12.5 Gbps 的速率提供所需的低失真、高分辨率信號(hào)，并支持兩條獨(dú)立通道，一條用于“I”相位，另一條用于“Q”相位。
有時(shí)，需要使用實(shí)際RF 信號(hào)測(cè)試接收機(jī)。在這種情況下，可以使用采樣率高達(dá)200 MS/s 的任意波形發(fā)生器，直接合成RF 信號(hào)。
檢定 測(cè)試數(shù)模轉(zhuǎn)換器和模數(shù)轉(zhuǎn)換器
新開(kāi)發(fā)的數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 必須進(jìn)行窮盡測(cè)試，以確定其線性度、單調(diào)性和失真的極限。的AWG 可以同時(shí)生成多個(gè)同相的模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，以高達(dá)12.5 Gbps 的速度驅(qū)動(dòng)這些器件。
極限/ 余量測(cè)試 測(cè)試通信接收機(jī)極限
處理串行數(shù)據(jù)流結(jié)構(gòu)( 通常用于數(shù)字通信總線和磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器放大器中) 的工程師必需使用損傷測(cè)試器件極限，特別是抖動(dòng)和定時(shí)超限。通過(guò)提供高效的內(nèi)置抖動(dòng)編輯和發(fā)生工具，高級(jí)信號(hào)發(fā)生器使工程師節(jié)約了數(shù)不清的時(shí)間。這些儀器可以使關(guān)鍵信號(hào)邊沿位移低20 ps。
信號(hào)發(fā)生技術(shù)
可以通過(guò)多種方式，使用信號(hào)發(fā)生器創(chuàng)建波形。選擇的方法取決于提供的與DUT 有關(guān)的信息及其輸入要求；是否需要增加失真或錯(cuò)誤信號(hào)及其它變量?，F(xiàn)代高性能信號(hào)發(fā)生器為生成波形至少提供了三種方式：
創(chuàng)建：全新的電路激勵(lì)和測(cè)試信號(hào)
復(fù)制：合成沒(méi)有提供的實(shí)際環(huán)境信號(hào) ( 從示波器或邏輯分析儀中捕獲)
生成：理想的或極限測(cè)試的參考信號(hào)，適用于特定容限的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
了解波形
波形特點(diǎn)
“波”可以定義為在某個(gè)時(shí)間間隔上重復(fù)的變化量值的模式。波具有共同的特點(diǎn)，如聲波、腦電波、海浪、光波、電壓波等等。所有這些都是定期重復(fù)的現(xiàn)象。
信號(hào)發(fā)生器通常生成以可控方式重復(fù)的電( 一般是電壓) 波。每個(gè)完整重復(fù)的波形是一個(gè)“周期”。波形是以圖形方式表示波的活動(dòng)，即隨時(shí)間變化情況。電壓波形是典型的Cartesian圖，橫軸是時(shí)間，豎軸是電壓。注意，某些儀器可以捕獲或生成電流波形、功率波形或其它波形。在本文中，我們將主要介紹傳統(tǒng)電壓隨時(shí)間變化的波形。
幅度, 頻率和相位
波形有許多特點(diǎn)，但主要屬性與幅度、頻率和相位有關(guān)：
幅度：衡量波形電壓“強(qiáng)度”的指標(biāo)。幅度在 AC信號(hào)中一直變化。信號(hào)發(fā)生器可以設(shè)置電壓范圍，如-3 V 到+3 V。這將生成在兩個(gè)電壓值之間波動(dòng)的信號(hào)，變動(dòng)速率取決于波形和頻率。
頻率：整個(gè)波形周期發(fā)生的速率。頻率的單位是赫茲(Hz)，原來(lái)稱為每秒周期數(shù)。頻率與波形周期( 或波長(zhǎng)) 成反比，后者是衡量相鄰波上兩個(gè)類似波峰之間距離的指標(biāo)。頻率越高，周期越短。
相位：在理論上，相位是波形周期相對(duì)于 0 度點(diǎn)的位置。在實(shí)踐中，相位是周期相對(duì)于參考波形或時(shí)點(diǎn)的位置
圖4. 相移( 也稱為延遲) 描述了兩個(gè)信號(hào)之間的定時(shí)差。相位通常用度表示，如圖所示，但在某些情況下用時(shí)間值表示要更合適。
正弦波可以好地解釋相位。正弦波的電壓電平在數(shù)學(xué)上與圓周移動(dòng)有關(guān)。與整個(gè)圓一樣，正弦波的一個(gè)周期會(huì)經(jīng)過(guò)360 度。正弦波的相角描述了周期經(jīng)過(guò)的時(shí)間。
兩個(gè)波形可以有*相同的頻率和幅度，但相位不同。相移也稱為延遲，描述了兩個(gè)類似的信號(hào)之間的定時(shí)差，如圖4 所示。相移在電子器件中十分常見(jiàn)。波形的幅度、頻率和相位特點(diǎn)是信號(hào)發(fā)生器用來(lái)優(yōu)化幾乎任何應(yīng)用的波形的構(gòu)件。此外，還有其它參數(shù)進(jìn)一步定義了信號(hào)，在許多信號(hào)發(fā)生器中，這些參數(shù)也作為受控變量實(shí)現(xiàn)。
上升時(shí)間和下降時(shí)間
邊沿轉(zhuǎn)換時(shí)間也稱為上升時(shí)間和下降時(shí)間，其特點(diǎn)通常與脈沖和方波有關(guān)。它們用來(lái)衡量信號(hào)邊沿從一種狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種狀態(tài)所需的時(shí)間。在現(xiàn)代數(shù)字電路中，這些值通常很低，只有幾納秒、甚至更低。
圖5. 基本脈沖特點(diǎn)
上升時(shí)間和下降時(shí)間都在轉(zhuǎn)換前和轉(zhuǎn)換后10% 與90% 的靜態(tài)電壓電平之間測(cè)得( 有時(shí)也使用20% 和80% 這兩個(gè)點(diǎn))。圖5 說(shuō)明了一個(gè)脈沖及與其相關(guān)的部分特點(diǎn)。這是在相對(duì)于進(jìn)入信號(hào)頻率采樣率很高時(shí)，示波器上看到的脈沖。在采樣率較低時(shí)，同一波形看上去要“方”得多。在某些情況下，生成的脈沖的上升時(shí)間和下降時(shí)間必需獨(dú)立變化，如在使用生成的脈沖，測(cè)轉(zhuǎn)換速率不對(duì)稱的放大器，或控制激光點(diǎn)焊槍的冷卻時(shí)間時(shí)。
脈寬
脈寬是脈沖前沿和后沿之間經(jīng)過(guò)的時(shí)間。注意，“前沿”適用于正向沿或負(fù)向沿，“后沿”亦然。換句話說(shuō)，這些術(shù)語(yǔ)說(shuō)明了一定周期內(nèi)事件發(fā)生的順序；脈沖的極性不影響其前沿或后沿狀態(tài)。在圖5 中，正向沿是前沿。脈寬指標(biāo)表示了前沿和后沿50% 幅度點(diǎn)之間的時(shí)間。
另一個(gè)術(shù)語(yǔ)是“占空比”，用來(lái)描述脈沖的高低( 開(kāi)/關(guān)) 時(shí)間間隔。圖5 中的實(shí)例表示50% 的占空比。相比之下，如果一個(gè)循環(huán)的周期是100 ns，其活動(dòng)的高( 開(kāi)) 電平持續(xù)60 ns，那么其占空比為60%。
舉一個(gè)形象的占空比實(shí)例，想象一下有一個(gè)激勵(lì)器在每次一秒鐘的突發(fā)活動(dòng)之后必須休息三秒鐘，以防止發(fā)動(dòng)機(jī)過(guò)熱。激勵(lì)器每四秒休息三秒，那么占空比為25%。
圖6. 偏置電壓描述了同時(shí)包含AC 值和DC 值的信號(hào)中的DC 成分。
圖7. 單端和差分信號(hào)
偏置
并不是所有信號(hào)的幅度變化都以接地(0 V) 參考為中心。“偏置” 電壓是電路接地和信號(hào)幅度中心之間的電壓。事實(shí)上，偏置電壓表示同時(shí)包含AC 值和DC值的信號(hào)的DC 成分，如圖6 所示。
差分信號(hào)與單端信號(hào)
差分信號(hào)使用兩條互補(bǔ)路徑承載數(shù)量相等、但極性相反( 相對(duì)于接地) 的同一信號(hào)副本。在信號(hào)周期推進(jìn)，一條路徑的正值提高時(shí)，另一條路徑的負(fù)值會(huì)以相同程度提高。例如，如果在某個(gè)時(shí)點(diǎn)上的信號(hào)值在一條路徑上是+1.5 V，那么在另一條路徑上的值正好是-1.5V ( 假設(shè)兩個(gè)信號(hào)*同相)。差分結(jié)構(gòu)特別適合抑制串?dāng)_和噪聲，而只傳送有效的信號(hào)。
單端操作是一種更加常用的結(jié)構(gòu)，其中只有一條路徑外加接地。圖7 說(shuō)明了單端方法和差分方法。
圖8. 正弦波和衰減正弦波圖
圖8. 正弦波和衰減正弦波圖
9. 方波和矩形波
基本波
波形分成多種形狀和形式。大多數(shù)電子測(cè)量使用一個(gè)或多個(gè)下述波形，通常會(huì)增加噪聲或失真：
正弦波
方波和矩形波
鋸齒波和三角波
階躍和脈沖形狀
復(fù)合波
正弦波
正弦波可能是容易辯認(rèn)的波形。大多數(shù)AC 電源都產(chǎn)生正弦波。住宅中墻上插座以正弦波的形式傳送電源。正弦波幾乎一直用于初中教學(xué)的電氣和電子原理演示中。正弦波是基本數(shù)學(xué)函數(shù)的結(jié)果，直到360 度畫(huà)一條正弦曲線，可以得到一個(gè)確定的正弦波圖像。
衰減正弦波是電路從一個(gè)脈沖振蕩，然后隨著時(shí)間推移逐漸結(jié)束的一個(gè)特例。圖8 是正弦波和衰減正弦波推導(dǎo)得出的信號(hào)實(shí)例。
方波和矩形波
方波和矩形波是位于所有數(shù)字電子器件核心的基本形式，另外它們還有別的用途。方波是以相等的時(shí)間間隔在兩個(gè)固定電壓電平之間開(kāi)關(guān)的電壓。它通常用來(lái)測(cè)試放大器，應(yīng)能夠快速?gòu)?fù)現(xiàn)兩個(gè)電壓電平之間的轉(zhuǎn)換( 也就是前面所說(shuō)的上升時(shí)間和下降時(shí)間)。方波為數(shù)字系統(tǒng)提供了理想的計(jì)時(shí)時(shí)鐘，如計(jì)算機(jī)、無(wú)線電信器件、HDTV 系統(tǒng)等等。
矩形波的開(kāi)關(guān)特點(diǎn)與方波類似，但正如前面“占空比”中所說(shuō)，其高低時(shí)間間隔長(zhǎng)度不等。圖9 說(shuō)明了方波和矩形波實(shí)例。
圖10. 鋸齒波和三角波圖
11. 階躍、脈沖和脈沖串形狀鋸齒波和三角波
鋸齒波和三角波的幾何形狀與它們的名字非常象。鋸齒波在每個(gè)周期中緩慢均勻地上升到峰值，然后迅速下降。三角波的上升時(shí)間和下降時(shí)間比較對(duì)稱。這些波形通常用來(lái)控制系統(tǒng)中的其它電壓，如模擬示波器和電視。圖10 是鋸齒波和三角波實(shí)例。
階躍和脈沖形狀
“階躍”是電源開(kāi)關(guān)已經(jīng)打開(kāi)、但電壓突然變化的波形。“脈沖”與矩形波有關(guān)。與矩形波一樣，它是由先開(kāi)后關(guān)或先關(guān)后開(kāi)在兩個(gè)固定電壓電平之間產(chǎn)生的。脈沖本身是二進(jìn)制信號(hào)，因此是在數(shù)字系統(tǒng)中傳送信息( 數(shù)據(jù)) 的基本工具。脈沖可能表示穿過(guò)計(jì)算機(jī)的一個(gè)信息比特。一起傳送的脈沖集合構(gòu)成了一個(gè)脈沖串。同步的一組脈沖串( 可以以并行方式傳輸或以串行方式傳輸) 構(gòu)成了一個(gè)數(shù)字碼型。圖11 是階躍、脈沖形狀和脈沖串的實(shí)例。
注意，盡管數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)名義上由脈沖、矩形波和方波組成，但實(shí)際環(huán)境中的數(shù)字波形表現(xiàn)出更圓的角和更斜的邊沿。
有時(shí)，電路異常事件會(huì)自然而然地產(chǎn)生脈沖。通常情況下，這些瞬態(tài)信號(hào)會(huì)不定期地發(fā)生，必須使用“毛刺”進(jìn)行描述。數(shù)字調(diào)試的挑戰(zhàn)之一是把毛刺脈沖與有效但較窄的數(shù)據(jù)脈沖分開(kāi)。某些類型的信號(hào)發(fā)生器的優(yōu)勢(shì)之一是能夠在脈沖串中任何地方增加毛刺。
圖12. 幅度調(diào)制圖
13. 頻移鍵控(FSK) 調(diào)制
復(fù)合波
在運(yùn)行的電子系統(tǒng)中，波形很少會(huì)象上面介紹的課本中所示的實(shí)例那樣。某些時(shí)鐘和載波信號(hào)很純，但大多數(shù)其它波形會(huì)表現(xiàn)出某些不想要的失真( 分布式電容、串?dāng)_等電路現(xiàn)象的產(chǎn)物) 或故意調(diào)制。某些波形甚至可能會(huì)包括正弦波、方波、階躍和脈沖等要素。
復(fù)合波包括：
模擬調(diào)制 , 數(shù)字調(diào)制 , 脈寬調(diào)制
正交調(diào)制信號(hào)
數(shù)字碼型和格式
偽隨機(jī)碼流和字流
信號(hào)調(diào)制
在被調(diào)制信號(hào)中，幅度、相位和/ 或頻率變化把低頻信息嵌入到高頻的載波信號(hào)中。得到的信號(hào)可以傳送從語(yǔ)音、到數(shù)據(jù)、到視頻的任何信號(hào)。復(fù)現(xiàn)波形可能是一個(gè)挑戰(zhàn)，除非有專門(mén)配備的信號(hào)發(fā)生器。模擬調(diào)制。幅度調(diào)制(AM) 和頻率調(diào)制(FM) 常用于廣播通信中。調(diào)制信號(hào)隨載波幅度和/ 或頻率變化。在接收端，解調(diào)電路理解幅度和/ 或頻率變化，從波中提取內(nèi)容。相位調(diào)制(PM) 調(diào)制載波波形的相位、而不是頻率，以嵌入內(nèi)容。圖12 說(shuō)明了模擬調(diào)制實(shí)例。
數(shù)字調(diào)制。與其它數(shù)字技術(shù)一樣，數(shù)字調(diào)制基于兩種狀態(tài)，允許信號(hào)表示二進(jìn)制數(shù)據(jù)。在幅移鍵控(ASK) 中，數(shù)字調(diào)制信號(hào)導(dǎo)致輸出頻率在兩個(gè)幅度之間開(kāi)關(guān)；在頻移鍵控(FSK) 中，載波在兩個(gè)頻率( 中心頻率和偏置頻率) 之間開(kāi)關(guān)；在相移鍵控(PSK) 中，載波在兩個(gè)相位設(shè)置之間開(kāi)關(guān)。在PSK 中，通過(guò)發(fā)送與以前信號(hào)相位相同的信號(hào)，來(lái)提供比特“0”，而比特“1”則通過(guò)發(fā)送相位相反的信號(hào)進(jìn)行表示。
脈寬調(diào)制(PWM) 是另一種常用的數(shù)字格式；它通常用于數(shù)字音頻系統(tǒng)中。顧名思義，它只適用于脈沖波形。通過(guò)PWM，調(diào)制信號(hào)導(dǎo)致脈沖的活動(dòng)脈寬 ( 前面介紹的占空比) 變化。圖13 說(shuō)明了數(shù)字調(diào)制實(shí)例。
圖14. 正弦波頻率掃描。
圖15. 正交調(diào)制。
頻率掃描
測(cè)量電子器件的頻率特點(diǎn)要求“掃描”正弦波，其會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)改變頻率。頻率變化以線性方式發(fā)生，單位為“每秒赫茲”，或以對(duì)數(shù)方式發(fā)生，單位為“每秒倍頻程”。高級(jí)掃描發(fā)生器支持掃描序列，并可以選擇開(kāi)始頻率、保持頻率、停止頻率和相關(guān)時(shí)間。信號(hào)發(fā)生器還提供與掃描同步的觸發(fā)信號(hào)，控制示波器，測(cè)量器件的輸出響應(yīng)。
正交調(diào)制。當(dāng)前數(shù)字無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)是在正交(IQ) 調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)建的。兩個(gè)載波是同相(I) 波形和正交相位(Q) 波形，其中Q 波形相對(duì)于“I”波形整整延遲90 度，這兩個(gè)波形進(jìn)行調(diào)制，生成四種信息狀態(tài)。兩個(gè)載波組合在一起，通過(guò)一條通道傳輸，然后在接收端分開(kāi)和解調(diào)。IQ 格式提供的信息要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它模擬和數(shù)字調(diào)制形式：它提高了系統(tǒng)的有效帶寬。圖15 說(shuō)明了正交調(diào)制。
數(shù)字碼型和格式
數(shù)字碼型由多條同步的脈沖流組成，脈沖流由寬8 位、12 位、16 位或16 位以上的數(shù)據(jù)“字”組成。數(shù)字碼型發(fā)生器是一種信號(hào)發(fā)生器，它專門(mén)通過(guò)并行輸出為數(shù)字總線和處理器提供數(shù)據(jù)字。這些碼型中的字以穩(wěn)定的周期步調(diào)傳輸，每個(gè)周期中每個(gè)位的活動(dòng)取決于選擇的信號(hào)格式。格式影響著構(gòu)成數(shù)據(jù)流的周期內(nèi)部的脈沖寬度。
下面的列表概括了常用的格式。在前三種格式解釋中，我們假設(shè)周期從二進(jìn)制“0”值開(kāi)始，即低邏輯電壓電平。
非歸零 (NRZ)：在周期中發(fā)生有效位時(shí)，波形開(kāi)關(guān)到“1”，并保持這個(gè)值，直到下一個(gè)周期邊界。
延遲非歸零 (DNRZ)：與 NRZ 類似，但波形在延遲時(shí)間后開(kāi)關(guān)到“1”。
歸零 (RZ)：在存在有效位時(shí)，波形開(kāi)關(guān)到“1”，然后在同一周期內(nèi)開(kāi)關(guān)回到“0”。
歸一 (R1)：事實(shí)上是 RZ 的倒數(shù)。與這一列表中的其它格式不同，R1 假設(shè)周期從“1”開(kāi)始，然后在位有效時(shí)開(kāi)關(guān)到“0”，然后在周期結(jié)束前開(kāi)關(guān)回到“1”。
碼流
偽隨機(jī)碼流(PRBS) 和偽隨機(jī)字流(PRWS) 的存在構(gòu)成了數(shù)字計(jì)算機(jī)的天生局限：它們不能生成真正隨機(jī)的數(shù)字。但是，隨機(jī)事件在數(shù)字系統(tǒng)中可能也會(huì)帶來(lái)好處。例如，*“干凈的”數(shù)字視頻信號(hào)在本應(yīng)平滑的表面可能有討厭的鋸齒線和明顯的輪廓。增加控制數(shù)量的噪聲可以在不損害底層信息的基礎(chǔ)上，隱藏這些人工信號(hào)。
為創(chuàng)建隨機(jī)噪聲，數(shù)字系統(tǒng)會(huì)生成一條數(shù)字流，盡管這些數(shù)字遵循可以預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模式，但其具有隨機(jī)效應(yīng)。這些“偽隨機(jī)”數(shù)字實(shí)際上是一個(gè)以隨機(jī)速率重復(fù)的序列集，結(jié)果是PRBS。偽隨機(jī)字流定義了怎樣在信號(hào)發(fā)生器并行輸出中表示多條PRBS 流。在測(cè)試串行器或復(fù)用器時(shí)，通常使用PRWS。這些單元把PRWS 信號(hào)重組成串行偽隨機(jī)碼流。
信號(hào)發(fā)生器類型
信號(hào)發(fā)生器在廣義上分成混合信號(hào)發(fā)生器( 任意波形發(fā)生器和任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器) 和邏輯信號(hào)源( 脈沖或碼型發(fā)生器)，滿足了全系列信號(hào)生成需求。每種信號(hào)發(fā)生器都有*的優(yōu)勢(shì)，或多或少地適合某種特定應(yīng)用。
混合信號(hào)發(fā)生器是為輸出具有模擬特點(diǎn)的波形而設(shè)計(jì)的，包括正弦波和三角波等模擬波，以及表現(xiàn)出每個(gè)實(shí)際環(huán)境信號(hào)都包括的圓形和不理想的“方”波。在通用混合信號(hào)發(fā)生器中，您可以控制幅度、頻率和相位及DC 偏置和上升時(shí)間和下降時(shí)間；您可以創(chuàng)建過(guò)沖等畸變；還可以增加邊沿抖動(dòng)、調(diào)制等等。
真正的數(shù)字信號(hào)發(fā)生器必需驅(qū)動(dòng)數(shù)字系統(tǒng)。其輸出是二進(jìn)制脈沖流 - 專用數(shù)字信號(hào)發(fā)生器不能生成正弦波或三角波。數(shù)字信號(hào)發(fā)生器的功能是為滿足計(jì)算機(jī)總線需求和類似應(yīng)用而優(yōu)化的。這些功能包括加快碼型開(kāi)發(fā)速度的軟件工具，也可能包括為匹配各種邏輯系列而設(shè)計(jì)的探頭之類的硬件工具。如前所述，從函數(shù)發(fā)生器到任意信號(hào)發(fā)生器到碼型發(fā)生器，當(dāng)前幾乎所有高性能信號(hào)發(fā)生器都基于數(shù)字結(jié)構(gòu)，支持靈活的編程能力和杰出的精度。
模擬信號(hào)發(fā)生器和混合信號(hào)發(fā)生器
模擬信號(hào)發(fā)生器和混合信號(hào)發(fā)生器的類型——任意波形發(fā)生器
從以往看，生成各種波形的任務(wù)一直使用單獨(dú)的專用信號(hào)發(fā)生器完成，從超純音頻正弦波發(fā)生器到幾GHz 的RF 信號(hào)發(fā)生器。盡管有許多商用解決方案，但用戶通常必須根據(jù)手邊的項(xiàng)目定制設(shè)計(jì)或改動(dòng)信號(hào)發(fā)生器。設(shè)計(jì)儀器質(zhì)量的信號(hào)發(fā)生器非常困難，當(dāng)然設(shè)計(jì)輔助測(cè)試設(shè)備會(huì)占用項(xiàng)目的寶貴時(shí)間。
幸運(yùn)的是，數(shù)字采樣技術(shù)和信號(hào)處理技術(shù)給我們帶來(lái)了一個(gè)解決方案，可以使用一臺(tái)儀器 - 任意波形發(fā)生器滿足幾乎任何類型的信號(hào)發(fā)生需求。任意波形發(fā)生器可以分成任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器 (AFG) 和任意波形發(fā)生器 (AWG)。
任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器 (AFG)
任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器 (AFG) 滿足了廣泛的激勵(lì)需求；事實(shí)上，它是當(dāng)前業(yè)內(nèi)流行的信號(hào)發(fā)生器結(jié)構(gòu)。一般來(lái)說(shuō)，這一儀器提供的波形變化要少于AWG 同等儀器，但具有杰出的穩(wěn)定性及能夠快速響應(yīng)頻率變化。如果DUT 要求典型的正弦波和方波( 及其它)，并能夠在兩個(gè)頻率之間幾乎即時(shí)開(kāi)關(guān)，那么任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器(AFG) 提供了適當(dāng)?shù)墓ぞ?。另一個(gè)特點(diǎn)是AFG 的成本低，對(duì)不要求AWG 通用性的應(yīng)用吸引力。
AFG 的許多功能與AWG 相同，但AFG 設(shè)計(jì)成更加專用的儀器。AFG 提供了許多*優(yōu)勢(shì)：它生成穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)形狀的波形，特別是重要的正弦波和方波，而且精確、捷變。捷變是指能夠迅速干凈地從一個(gè)頻率轉(zhuǎn)到另一個(gè)頻率。
大多數(shù)AFG 提供了用戶熟悉的下述波形的某個(gè)子集：
正弦波
方波
三角波
掃描
脈沖
鋸齒波
調(diào)制
半正弦波
當(dāng)然AWG 也能提供這些波形，但當(dāng)前AFG 是為改善輸出信號(hào)的相位、頻率和幅度控制而設(shè)計(jì)的。此外，許多AFG 提供了從內(nèi)部來(lái)源或外部來(lái)源調(diào)制信號(hào)的方式，這對(duì)某些類型的標(biāo)準(zhǔn)一致性測(cè)試至關(guān)重要。
過(guò)去，AFG 使用模擬振蕩器和信號(hào)調(diào)節(jié)創(chuàng)建輸出信號(hào)。新的AFG 依賴直接數(shù)字合成(DDS) 技術(shù)確定樣點(diǎn)從存儲(chǔ)器中輸出時(shí)鐘的速率。
圖16. 任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)( 簡(jiǎn)圖)。
圖16. 任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器的結(jié)構(gòu)( 簡(jiǎn)圖)。
DDS 技術(shù)使用一個(gè)時(shí)鐘頻率生成儀器范圍內(nèi)的任何頻率，來(lái)合成波形。圖16 以簡(jiǎn)化形式概括了基于DDS的AFG 結(jié)構(gòu)。
在相位累加器電路中，Delta (D) 相位寄存器接收來(lái)自頻率控制器的指令，表示輸出信號(hào)將在每個(gè)連續(xù)周期中前進(jìn)的相位增量。在現(xiàn)代高性能AFG 中，相位分辨率可能會(huì)低到1/230，即約為1/1,000,000,000。相位累加器的輸出作為AFG 波形存儲(chǔ)器部分的時(shí)鐘使用。儀器操作幾乎與AWG 相同，但有一個(gè)明顯例外是波形存儲(chǔ)器一般只包含部分基本信號(hào)，如正弦波和方波。模擬輸出電路基本上是一個(gè)固定頻率的低通濾波器，保證只有感興趣的編程頻率( 沒(méi)有時(shí)鐘人工信號(hào)) 離開(kāi)AFG 輸出。
為了解相位累加器怎樣創(chuàng)建頻率，想象一下控制器把值1 發(fā)送到30 位D 相位寄存器。相位累加器D 輸出寄存器將在每個(gè)周期中前進(jìn)360 ÷ 230，因?yàn)?60 度代表著儀器輸出波形的一個(gè)完整周期。因此，D 相位寄存器值1 在AFG 范圍內(nèi)生成頻率低的波形，要求整整2D 增量，創(chuàng)建一個(gè)周期。電路將保持在這一頻率，直到D 相位寄存器加載一個(gè)新值。
大于1 的值將更迅速地前進(jìn)通過(guò)360 度，生成更高的輸出頻率 ( 某些AFG 采用不同的方法：它們跳過(guò)某些樣點(diǎn)，從而更快地閱讀存儲(chǔ)器，提高輸出頻率)。的變化是相位值由頻率控制器提供，根本不需要改變主時(shí)鐘頻率。此外，它允許波形從波形周期內(nèi)的任何點(diǎn)開(kāi)始。
圖17. ( 左) 表示正弦波的一串樣點(diǎn)；( 右) 重建的正弦波。
例如，假設(shè)必需生成一個(gè)從周期正向部分峰值開(kāi)始的正弦波?；緮?shù)學(xué)運(yùn)算告訴我們，這個(gè)峰值發(fā)生在90度。因此：
230 個(gè)增量 = 360° ; 且90° = 360° ÷ 4; 那么90° = 230 ÷ 4在相位累加器收到一個(gè)等于(230 ÷ 4) 的值時(shí)，它會(huì)提示波形存儲(chǔ)器從包含正弦波正峰值電壓的位置啟動(dòng)。
典型的AFG 在存儲(chǔ)器預(yù)編程部分存儲(chǔ)多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波形。從整體上看，正弦波和方波是許多測(cè)試應(yīng)用使用廣泛的應(yīng)用。任意波形保存在存儲(chǔ)器中用戶編程的部分。
可以以與傳統(tǒng)AWG 相同的靈活性定義波形。但是，DDS 結(jié)構(gòu)不支持存儲(chǔ)器分段和波形排序。這些高級(jí)功能留給了高性能AWG。
DDS 結(jié)構(gòu)提供了杰出的頻率捷變性，可以簡(jiǎn)便地在空中對(duì)頻率變化和相位變化編程，這特別適合任何類型的FM DUT，如無(wú)線和衛(wèi)星系統(tǒng)器件。如果特定AFG的頻率范圍足夠大，那么它為測(cè)試FSK 和跳頻電話技術(shù)( 如GSM) 提供了理想的信號(hào)發(fā)生器。
AFG 不能象AWG 那樣創(chuàng)建想得到的幾乎任何波形，但AFG 能夠生成世界各地實(shí)驗(yàn)室、維修設(shè)施和設(shè)計(jì)部門(mén)中常用的測(cè)試信號(hào)。此外，它提供了杰出的頻率捷變性。重要的是，AFG 通常是完成工作經(jīng)濟(jì)的方式。
任意波形發(fā)生器 (AWG)
不管您在磁盤(pán)驅(qū)動(dòng)器檢定中需要由精確的Lorentzian脈沖定形的數(shù)據(jù)流，還是需要復(fù)調(diào)制RF 信號(hào)測(cè)試基于GSM 或基于CDMA 的手機(jī)，任意波形發(fā)生器 (AWG)都可以生成您想得到的任何波形。您可以使用各種方法，從數(shù)學(xué)公式到“畫(huà)出”波形，創(chuàng)建所需的輸出。
圖18. 任意波形發(fā)生器的結(jié)構(gòu)( 簡(jiǎn)圖)
從本質(zhì)上看，任意波形發(fā)生器 (AWG) 是一種完善的播放系統(tǒng)，它根據(jù)存儲(chǔ)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)提供波形，這些數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)描述了AC 信號(hào)不斷變化的電壓電平。它是一種方框圖看起來(lái)很簡(jiǎn)單的工具。為解釋AWG 概念，我們舉一個(gè)大家熟悉的例子，比如實(shí)時(shí)讀出存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的唱片機(jī)( 在AWG 中是自己的波形存儲(chǔ)器；在唱片機(jī)中是唱片本身)。它們都輸出一個(gè)模擬信號(hào)或波形。為理解AWG，首先必需掌握數(shù)字采樣的廣義概念。顧名思義，數(shù)字采樣是使用樣點(diǎn)或數(shù)據(jù)點(diǎn)定義一個(gè)信號(hào)，這些樣點(diǎn)或數(shù)據(jù)點(diǎn)沿著波形的斜率表示一串電壓測(cè)量。通過(guò)使用示波器等儀器實(shí)際測(cè)量波形，或使用圖形或數(shù)學(xué)技術(shù)，可以確定這些樣點(diǎn)。圖17 ( 左) 說(shuō)明了一串樣點(diǎn)。盡管曲線使其得間隔似乎發(fā)生變化，但所有這些點(diǎn)都以統(tǒng)一的時(shí)間間隔采樣。在AWG 中，采樣的值以二進(jìn)制形式存儲(chǔ)在快速隨機(jī)存取存儲(chǔ)器(RAM) 中。
通過(guò)使用存儲(chǔ)的信息，可以讀回存儲(chǔ)器位置，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC) 輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)，在任何時(shí)間重建信號(hào)( 下圖)。圖17 ( 右) 說(shuō)明了結(jié)果。注意AWG 的輸出電路在樣點(diǎn)之間濾波，以連接各個(gè)點(diǎn)，創(chuàng)建干凈的不間斷的波形形狀。DUT 不會(huì)把這些點(diǎn)“看作”離散的點(diǎn)，而是看作連續(xù)的模擬波形。圖18 是實(shí)現(xiàn)這些操作的AWG 簡(jiǎn)化的方框圖。
AWG提供了幾乎任何其它儀器都不能匹配的通用性。由于其能夠生成可以想到的任何波形，因此AWG 支持從汽車(chē)防抱死制動(dòng)系統(tǒng)模擬到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)極限測(cè)試的各種應(yīng)用。
圖19. 高性能混合信號(hào)發(fā)生器：泰克AWG7000 系列任意波形發(fā)生器。
混合信號(hào)發(fā)生器系統(tǒng)和控制功能
與作為完整測(cè)量解決方案激勵(lì)單元的角色一樣，混合信號(hào)發(fā)生器的控制和子系統(tǒng)采用專門(mén)設(shè)計(jì)，加快了各種波形類型的開(kāi)發(fā)速度，提供了擁有完整保真度的波形。
基本的、經(jīng)常處理的信號(hào)參數(shù)都有自己專用的前面板控制功能。比較復(fù)雜的操作及需要頻次較低的操作則通過(guò)儀器顯示屏上的菜單進(jìn)入。
Level Control ( 電平控制) 負(fù)責(zé)設(shè)置輸出信號(hào)的幅度和偏置電平。在圖19 所示的信號(hào)發(fā)生器中，前面板上的專用電平控制功能可以簡(jiǎn)便地設(shè)置幅度和偏置值，而不必依賴多級(jí)菜單。
Timing Control ( 定時(shí)控制) 通過(guò)控制采樣率，設(shè)置輸出信號(hào)的頻率。這里，基于硬件的專用控制功能也簡(jiǎn)化了基本水平參數(shù)的設(shè)置。
圖20. AWG 用戶界面，其中顯示了用來(lái)選擇菜單的設(shè)置欄。
注意，上面的任何參數(shù)都不控制儀器生成的實(shí)際波形。這一功能位于編輯/ 控制屏幕上的菜單中。觸摸面板或鼠標(biāo)選擇感興趣的視圖，其可能會(huì)提供控制功能，在圖形用戶界面中定義順序或數(shù)字輸出設(shè)置，如圖20所示。在啟動(dòng)這樣一個(gè)頁(yè)面后，您只需使用數(shù)字鍵盤(pán)和/ 或通用滾動(dòng)旋鈕填空即可。