任意波形发生器简介

　　用来产生各种测试信号的仪器称为信号发生器或简称信号源。它可作为各种仿真信号或激励信号广泛用于各类整机、系统及部件、元器件的测试中。例如，用信号源产生某种调制信号输入给接收机，用来测试接收机性能;我们到客户演示力科示波器的时候，也常带上一些信号源，比如用力科的

　　信号源的种类很多，就产生信号的特征而言，有正弦信号发生器，函数发生器，任意波形发生器等。正弦信号对线性系统频域分析的重要意义，使得正弦信号发生器被广泛使用。用户对这类信号源的要求通常是频率范围宽、频率准确度和稳定度高、频谱纯度高、相位噪声低。例如通信系统测试中需要的正弦信号发生器，一般要求频率能够延伸到射频段、具备各种调制功能。正弦信号发生器的实现原理一般都是锁相技术和频率合成技术。

　　函数发生器是能够产生诸如正弦波，方波，三角波的信号源。一个传统函数发生器，用恒流源对电容充电、放电，电容两端的电压就是三角波。如果三角波送到一个比较器，就能产生方波。三角波通过波形整形电路还能够产生正弦波。通过改变电流和电容的大小，就能调节信号频率。这种信号源一般能输出的频率不高、频率准确度和稳定度低。随着数字技术的发展。函数发生器的实现也逐渐从模拟向数字演变。比如利用后文将要介绍的DDS技术来产生信号，这也使得函数发生器渐渐融合到任意波形发生器。

　　正弦信号发生器和函数发生器都只能产生规则的信号。而产生不规则的信号需要借助于任意波形发生器(AWG, Arbitrary Waveform Generator)。AWG的基本设计思想是：把所需重现的信号波形截取一个周期进行均匀采样，保存在存储器中。把存储器中的波形数据按顺序读出，经DAC转换后，再滤波，获得所需要的波形。AWG和数字存储示波器在原理上可以认为是一个互逆的过程。数字存储示波器把模拟波形通过ADC数字化，AWG把数字化的波形数据通过DAC转换为模拟波形。这两类仪器都受Nyquist定律约束，能够测量/输出的最高频率分量不超过ADC/DAC采样率的一半。可以使用力科示波器采集一段波形，并保存为文件。把波形文件导入到力科任意波形发生器ArbStudio，就可以还原模拟波形。实际应用中，AWG所用到的波形数据不全是真正采样获得的，通常用软件辅助产生。

　　DDS,即Direct Digital Synthesis直接数字合成，一种频率合成的方法。前文也提到正弦信号发生器一般使用了频率合成技术。那么什么是频率合成?

　　信号源都需要使用振荡器，一般振荡器的输出频率范围有限，并且在宽的频率范围内难以获得高稳定度。那么就需要从频率单一但准确度和稳定度高的振荡源(比如晶体振荡器)派生出各种需要的频率。这种从一种频率派生出多种频率信号的方法就是频率合成。比如一个振荡器输出的单一频率信号，可利用倍频、分频、混频技术实现频率的加、减、乘、除运算，合成一系列频率的信号，这些频率都和振荡器频率(称基准频率)相参，这种方法称为直接模拟合成(Direct Analog Synthesis)。此外还有基于PLL的间接频率合成。

　　DDS是另外一种重要的频率合成技术。先来看如何用DDS技术产生正弦信号。我们知道，正弦波的频率可表示为f=/2=/(2t)。是正弦信号经过一段时间t之后的相位增量。在同样的时间t内，相位增量越大，角速率就越高，振荡频率就越高。DDS正是基于这种频率和角速率的关系来合成想要的频率。请看下面的DDS原理框图:

　　表示相位的序列用做一个正弦波查找表的地址，该查找表实现相位到幅度的转换，输出相位所对应的正弦波幅度值，这个时候幅度还是数字序列，经过DAC和低通滤波器后输出平滑的正弦波。基准时钟同时也是查找表的输出时钟和DAC的采样时钟。

　　K就是相位增量，基准时钟周期1/fs就是时间增量t，即f=/(2t)=K*fs/2也就是说，输出信号于基准时钟fs相参，频率受相位增量K控制。例如相位增量是/10时，20个基准时钟周期就能输出一个周期的正弦信号，即频率为fs/20;如果相位增量增加到/5时，能在更短的时间完成一个周期的扫描，频率因此提高，即fs/10。

　　推广到任意波的情况，查找表中如果保存的是任意一段波形的量化数据，那么输出的信号将是以该波形为一个周期的重复信号。重复频率同样受相位增量控制。

　　从DDS原理可以看出，在基准时钟不变的情况下，如果改变输出频率，存储器中的数据点并不都能输出。输出频率越高，需要的相位增量越大，跳过的数据点越多。这可能会影响信号保真度。

　　比如基准时钟为100MHz，存储器的容量为100pts,保存了欲输出信号一个周期的采样点数据。

　　如果需要输出频率为1MHz，在每个采样时钟节拍下，依次输出所有采样点即可满足要求。

　　如果需要输出频率为2MHz，相位增量就必须增加1倍，也就是每个采样时钟节拍需要跳过1个采样点。

　　如果反映信号瞬变的数据点恰好在被跳过的采样点里，输出信号保真度就会受损。见下图示意：

　　如果需要输出频率为300kHz，和基准时钟不是整数倍关系。那么不仅有些数据点会被跳过，而且此周期输出的数据点和下一个周期输出的数据点不相同，见下图示意。输出信号可能有相位截断和频率泄漏单腔液力偶合器液压执行元件磨球拖拉机螺尾低背压式机械密封