基于DDS的任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器之間的差別

在電子測(cè)試和測(cè)量中，經(jīng)常要求信號(hào)源，生成只有在外部提供時(shí)才會(huì)有的信號(hào)。信號(hào)源可以提供“已知良好”的信號(hào)，或者在其提供的信號(hào)中添加可重復(fù)的數(shù)量和類型已知的失真（或誤碼）。這是信號(hào)源最大的特點(diǎn)之一，因?yàn)閮H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(yù)測(cè)的失真。從設(shè)計(jì)檢驗(yàn)到檢定，從極限和余量測(cè)試到一致性測(cè)試，信號(hào)源可以用于數(shù)百種應(yīng)用。

因此，有多種信號(hào)源結(jié)構(gòu)可供選擇也就不足為奇了，而每種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點(diǎn)、功能和經(jīng)濟(jì)性，適用于特定的用途。在本文中，我們將比較兩種信號(hào)發(fā)生結(jié)構(gòu)：一種用于任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器中，一種用于任意波形發(fā)生器中。選擇結(jié)果在很大程度上取決于應(yīng)用。

了解信號(hào)發(fā)生方法

任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器（AFG）通過(guò)讀取內(nèi)存的內(nèi)容，來(lái)同時(shí)創(chuàng)建函數(shù)波形和任意波形。大多數(shù)現(xiàn)代AFG 采用直接信號(hào)合成（DDS）技術(shù)，在廣泛的頻率范圍上提供信號(hào)。

任意波形發(fā)生器（AWG）基于真正可變時(shí)鐘結(jié)構(gòu)（通常稱為“ 真正的arbs*1”），適用于在所有頻率上生成比較復(fù)雜的波形。AWG 也讀取內(nèi)存的內(nèi)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(jì)算單元的設(shè)計(jì)人員選擇AWG，驅(qū)動(dòng)采用復(fù)雜調(diào)制和帶有異常事件的高速信號(hào)。結(jié)果，AWG 占據(jù)了研究、開發(fā)和工程應(yīng)用的最高層。

這兩種結(jié)構(gòu)在波形生成方法上有著很大差異。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(shù)發(fā)生器之間的差別。

透過(guò)前面板：比較兩個(gè)平臺(tái)

AWG：概念簡(jiǎn)單，靈活性最大

盡管AWG 在這兩種結(jié)構(gòu)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(hào)取樣平臺(tái)-- 示波器，它通過(guò)在連續(xù)時(shí)點(diǎn)上數(shù)字化模擬信號(hào)的電壓值，來(lái)采集波形，其取樣頻率取決于用戶選擇的時(shí)鐘速率。得到的樣點(diǎn)存儲(chǔ)在內(nèi)存中。

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

AWG 的靈活性源自其內(nèi)存中存儲(chǔ)的波形。波形可以采取任何形狀；它可以有任意數(shù)量的畸變，或根本沒有畸變。在基于PC 的工具的幫助下，用戶可以開發(fā)人們想得到的幾乎任何波形（在物理限制內(nèi)?。??？梢栽趦x器能夠生成的任何時(shí)鐘頻率上，從內(nèi)存中讀取樣點(diǎn)。不管時(shí)鐘是以1 MHz運(yùn)行還是以1 GHz運(yùn)行，波形的形狀相同。

*1 工程師通常使用“arb” 來(lái)指任何類型的任意波形發(fā)生器。

*2 當(dāng)然任何AWG 型號(hào)都有最大內(nèi)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(chǔ)的波形，作為輸出信號(hào)的基礎(chǔ)。其樣點(diǎn)讀數(shù)中涉及時(shí)鐘信號(hào)，但結(jié)果類似。

AFG 的時(shí)鐘以某個(gè)固定速率運(yùn)行。由于波形樣點(diǎn)的數(shù)量在內(nèi)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(chǔ)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(hào)的周期將恰好固定在1 ms （1kHz）。很明顯，單頻信號(hào)源在大多數(shù)應(yīng)用中用途有限。因此，DDS 技術(shù)提供了一個(gè)解決方案。基于DDS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(jié)構(gòu)，其中包括DDS 段。輸出信號(hào)由時(shí)鐘、代表相位值的存儲(chǔ)的二進(jìn)制數(shù)字及波形內(nèi)存的內(nèi)容構(gòu)成。

如前所述，AFG保持固定的系統(tǒng)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(jù)波形長(zhǎng)度及用戶選擇的頻率自動(dòng)確定相位增量。

高頻設(shè)置會(huì)導(dǎo)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(hào)。低頻值導(dǎo)致小的增量，觸發(fā)相位累加器以較低的步長(zhǎng)步進(jìn)通過(guò)波形樣點(diǎn)，

甚至?xí)貜?fù)各個(gè)樣點(diǎn)，構(gòu)成360度，生成頻率較低的波形。

這一決策背后的數(shù)學(xué)運(yùn)算超出了本文的討論范疇?？梢赃@樣講，AFG根據(jù)自己的內(nèi)部算法跳過(guò)選擇的波形數(shù)據(jù)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(shù)。AFG為生成變化的波形和頻率提供了一種快捷方式，但最終用戶不能控制跳過(guò)哪些數(shù)據(jù)點(diǎn)。

這必然對(duì)輸出波形保真度造成一定的影響。具有連續(xù)形狀的波形（正弦、三角形等等）通常不是問題，但可能會(huì)影響當(dāng)前數(shù)字環(huán)境中常見的帶有快速轉(zhuǎn)換的信號(hào)，如脈沖和瞬變。例如，假設(shè)在新的電信交換機(jī)元件上進(jìn)行極限測(cè)試。測(cè)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(hào)的一部分在時(shí)鐘中輸出瞬變。對(duì)被測(cè)器件（DUT），信號(hào)類似于沒有干擾的脈沖流，由于缺少任何實(shí)際“極限”，這種極限測(cè)試是無(wú)效的。

表1. AFG 與AWG 取樣特點(diǎn)比較

AFG結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)成本要低于全功能AWG工具集。結(jié)果，它非常經(jīng)濟(jì)，可以供各個(gè)工程師和科研人員使用。此外，AFG擁有某些獨(dú)有的性能優(yōu)勢(shì)。部分領(lǐng)先型號(hào)擁有任何波形發(fā)生平臺(tái)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(hào)中產(chǎn)生不連續(xù)點(diǎn)。

表1 概括了AFG 平臺(tái)和AWG 平臺(tái)的時(shí)鐘和內(nèi)存特點(diǎn)。

深入細(xì)節(jié)

為更好地比較AWG和AFG結(jié)構(gòu)，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(tái)處理定義輸出波形的樣點(diǎn)的方式。

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(biāo)是在3 MHz - 20 MHz 的頻率范圍內(nèi)生成一個(gè)正弦波。這兩臺(tái)AWG和AFG都在100點(diǎn)的取樣內(nèi)存中裝有一個(gè)正弦波周期。圖3顯示了這三個(gè)平臺(tái)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(hào)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(jì)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(shè)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(shè)為3 MHz （底部行），其方法出現(xiàn)分歧：

AFG 的時(shí)鐘仍以1 GS/s 的固定速率運(yùn)行。但現(xiàn)在，DDS把增量自動(dòng)設(shè)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(shù)據(jù)點(diǎn)重復(fù)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(xiàn)在更慢地讀過(guò)樣點(diǎn)，生成3 MHz 的輸出頻率。

現(xiàn)在，輸出頻率必須提高到20 MHz。這三個(gè)平臺(tái)以不同方式迎接這一挑戰(zhàn)：

AFG 的DDS 單元把取樣增量設(shè)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(zhǎng)度只是讀取100個(gè)點(diǎn)的一半。結(jié)果是一個(gè)20 MHz輸出信號(hào)。

與所有AWG 在任何頻率設(shè)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)用戶故意干預(yù)，把存儲(chǔ)的波形圖像下降到總共50 個(gè)點(diǎn)。結(jié)果是一個(gè)20 MHz 輸出信號(hào)。