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初識任意波形發(fā)生器（信號發(fā)生器）
在產(chǎn)品調試的過程中，大多數(shù)的電路需要輸入某種幅度隨時間變化的信號，在這樣的應用場景中，一個完整的測試測量系統(tǒng)一般會包含激勵源，被測件和采集儀器三個部分。采集儀器通常使用的是示波器和邏輯分析儀，而信號源在系統(tǒng)中則扮演了激勵源的角色，波形發(fā)生器就是種類眾多的信號源的一種，在電子測試測量領域應用廣泛。
信號源何時誕生？經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程？
信號源是一種古老的測試測量儀器，伴隨著整個儀器的發(fā)展周期，世界上首臺信號源誕生于20世紀20年代。隨著通信和雷達技術的發(fā)展，20世紀40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機的標準信號發(fā)生器，使信號源的應用范疇從定性分析演進到了定量分析的范疇，同一時期還出現(xiàn)了可用作脈沖調制器的脈沖信號發(fā)生器。
早期的信號發(fā)生器機械結構復雜，功率較大，電路比較簡單，發(fā)展速度非常慢。這種窘境直到1964年世界上出現(xiàn)了*全晶體管的信號源之后才得到改觀。此后出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，掃頻信號發(fā)生器，合成信號發(fā)生器，程控信號發(fā)生器等新種類，信號源的各項指標都得到了大幅提高。但是采用模擬電子技術的信號源由分立器件或模擬集成電路構成，不僅電路結構復雜，而且只能產(chǎn)生種類非常有限的簡單波形。更令人頭疼的是，模擬電路的漂移較大，使得信號源輸出波形的幅度穩(wěn)定性很差。
自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器和DAC可以使得信號源的功能進一步擴大，能夠產(chǎn)生比較復雜的波形。但是，這種方案有一個很嚴重的缺陷：輸出波形的頻率低主要是由CPU的工作頻率決定的，這就意味著只能通過縮短軟件執(zhí)行時間或提高CPU的時鐘頻率來提高信號源輸出波形的頻率，具有很大的局限性。
發(fā)展到今天，市面上的信號源大多基于數(shù)字技術，許多信號源既可以輸出模擬信號又可以輸出數(shù)字信號，但是在真正高效的方案中，往往都是選擇根據(jù)具體的應用環(huán)境優(yōu)化過的信號源，因此也派生出了多種不同類型的信號源。
時下的信號源有哪些類型？
廣義上，根據(jù)信號源的應用范疇可以分為兩類，數(shù)字應用信號源和模擬應用信號源。
其中專門為數(shù)字應用而誕生的信號源，我們稱之為邏輯源。邏輯源大體上可以分為兩類，一種是可以輸出方波和脈沖流的脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器的輸出頻率一般非常高，經(jīng)常用于測試數(shù)字器件。此外，還有一種邏輯源，我們稱之為碼型發(fā)生器，或者數(shù)據(jù)發(fā)生器，這種儀器一般有生成8個，16個或者更多輸出通道，可以產(chǎn)生各種類型的同步數(shù)字脈沖流，碼型發(fā)生器常常作為計算機總線、數(shù)字電信單元等的激勵信號。
雖然各廠家的命名方式各不相同，但是在需要提供模擬信號或者混合信號的應用場景中使用的信號源大體上有波形發(fā)生器、射頻信號發(fā)生器、微波信號發(fā)生器和基帶信號發(fā)生器幾種類型。其中，本系列文章將要給大家全面展開介紹的波形發(fā)生器是一種比較主流的信號源，它可以將離散的數(shù)據(jù)點存放在存儲器中，通過系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號，經(jīng)過DAC芯片的轉換和低通濾波器終生成模擬波形，使用這種“采樣原理”理論上可以生成和編輯幾乎任意類型和參數(shù)的波形。函數(shù)/任意波形發(fā)生器一般有1-4路輸出，某些功能更加豐富的型號還支持觸發(fā)信號和系統(tǒng)時鐘信號的輸出，用于觸發(fā)外部的儀器，比如作為示波器的外部觸發(fā)信號，如圖1所示的就是鼎陽科技出品的SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器。
圖1 SDG2000X函數(shù)/任意波形發(fā)生器
波形發(fā)生器拿來干嘛用的？
波形發(fā)生器具備了函數(shù)發(fā)生器的所有功能，可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等基本函數(shù)。除此之外，波形發(fā)生器還可以產(chǎn)生模擬和數(shù)字調制信號，支持線性/對數(shù)掃頻信號和脈沖串的輸出，這是波形發(fā)生器區(qū)別于函數(shù)發(fā)生器的大特征。鼎陽科技的全系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器都能支持AM、FM、PM、FSK、ASK、DSB-AM等模擬和數(shù)字調制功能。都支持掃頻功能和脈沖串輸出功能，在這兩種模式中，觸發(fā)源可以在內部、外部和手動三種中進行選擇，當選擇內部和手動觸發(fā)源的時候，支持觸發(fā)信號輸出，便于實現(xiàn)多款不同的儀器之間的觸發(fā)同步。
波形發(fā)生器有上百種應用方式，但是在電子測試測量領域，其應用范圍基本可以可以分為三種：檢驗、檢定以及極限/余量測試。在產(chǎn)品的調試階段，工程師需要測試產(chǎn)品的各項參數(shù)，以檢驗產(chǎn)品是否滿足相關的出廠標準，在這個過程中，波形發(fā)生器需要發(fā)出標準規(guī)定的信號作為待測網(wǎng)絡的激勵源，通過測量并記錄被測網(wǎng)絡的響應，然后將記錄的結果與標準規(guī)定的指標進行對照并且得出檢驗的結論。另外，新開發(fā)的工控模塊，數(shù)據(jù)調理模塊等都需要使用波形發(fā)生器通過窮盡測試來確定其線性度和單調性等指標。在很多場合中，波形源需要在其提供的信號中增加已知的，數(shù)量和類型可重復的失真或損傷，通過控制失真或損傷相關的參數(shù)可以對被測件進行極限/余量測試。
波形發(fā)生器有哪些主要的指標？這些指標分別有什么含義？
如果您使用過示波器，那么您一定聽說過示波器的三大指標：帶寬，存儲深度，采樣率，我們在挑選一款合適的示波器的時候，這三大指標往往是我們首要考慮的因素。實際上，從原理的角度來看，波形發(fā)生器是示波器的逆過程，那么波形發(fā)生器是否也有所謂的三大指標呢？答案是肯定的，在波形發(fā)生器的范疇中，同樣有帶寬，采樣率和存儲深度的概念。
1、帶寬
波形發(fā)生器的帶寬可以定義為大可輸出的正弦波的頻率。但是，對于不同的輸出波形，波形發(fā)生器能夠支持的大輸出頻率是有區(qū)別的，比如在鼎陽科技的SDG2122X函數(shù)/任意波形發(fā)生器中，當輸出正弦波時，可以輸出的大頻率為120MHz，然而當它源輸出方波時，大輸出頻率就變?yōu)榱?5MHz。之所以會有這樣的區(qū)別，是因為方波邊沿變化很快，包含了許多高頻成分，為了避免輸出的方波上升沿產(chǎn)生嚴重失真，當波形發(fā)生器輸出方波時，其帶寬必須能夠覆蓋更多的高次諧波成分。
2、采樣率
波形發(fā)生器的采樣率通常用每秒兆樣點或者千兆樣點表示，比如SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器標稱的采樣率為1.2GSa/s，這項指標表明了信號源將數(shù)字信號轉換為模擬信號的速率，采樣率影響著主要輸出信號的頻率和保真度。偉大的奈奎斯特取樣定理規(guī)定，采樣率或時鐘速率必須至少是生成的信號中大頻譜成分的兩倍，在這樣的前提下才能保證精確的復現(xiàn)原始信號。但是在實際應用中，兩倍是往往還是不夠的，具體還是要看信號的類型和上升時間。
3、存儲深度
存儲深度是指用來記錄波形的數(shù)據(jù)點數(shù)，它決定著波形數(shù)據(jù)的大樣點數(shù)量。波形發(fā)生器的帶寬是由取樣速率和存儲深度決定的。SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器支持時下非常流行的“逐點輸出”，能夠在保證不丟失波形細節(jié)的前提下，以1uSa/s~75MSa/s的可變采樣率輸出8pts~8Mpts范圍內的任意長度地抖動波形。
除了以上三個指標之外，頻率分辨率和垂直分辨率也是波形發(fā)生器的重要指標。垂直分辨率指的是在波形發(fā)生器中可以編程的小電壓增量，跟硬件電路中使用的DAC的位數(shù)有關，一般用單位“位”來表示，它決定了輸出波形的幅度精度。頻率分辨率，即小可調頻率分辨率，也就是創(chuàng)建波形時可以使用的小時間增量，跟時鐘的大速率以及DAC的轉換速率有關。
當我們把不同廠家的波形發(fā)生器擺在一起的時候，就會發(fā)現(xiàn)，實際上大家都已經(jīng)能夠做到相似的功能，但是從輸出信號的周期抖動范圍，可調整的小脈寬，上升沿下降沿可調整的小步進距離等方面可以看出不同廠家優(yōu)化功力的高低。鼎陽科技的SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器使用了申請了EadyPulse技術和TrueArb技術，有效提高了波形發(fā)生器的性能。這在后續(xù)的文章中將會向您詳細說明。
文章的后，還有一段總結
總之，波形發(fā)生器是應用很廣泛的基礎通用儀器之一，是電子工程師信號仿真實驗的*工具。本文介紹了波形發(fā)生器相關的一些知識，意在為您的選型和對概念的了解提供方便。但是如果要對波形發(fā)生器有更進一步的了解，僅僅靠上述的內容是不夠的，接下來我會延續(xù)這個系列的文章，為您剖析DDS技術，EasyPulse技術，TrueArb技術等相關描述，讓您對波形發(fā)生器的原理有更多的了解。