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[导读]本文中,小编将对任意波形发生器予以介绍,主要在于详细介绍任意波形发生器原理。如果你对本文即将讨论的内容存在兴趣,不妨继续往下阅读哦。

波形发生器在网上有诸多资料,想了解波形发生器的朋友可以通过网络学习。往期文章中,小编对波形发生器有过诸多介绍。本文中,小编将对任意波形发生器予以介绍,主要在于详细介绍任意波形发生器原理。如果你对本文即将讨论的内容存在兴趣,不妨继续往下阅读哦。

按具体实现原理,AWG又可分为DDS-based和True Arb两类。

1. DDS-based AWG

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=ω/2π=Δθ/(2πΔt)。Δθ是正弦信号经过一段时间Δt之后的相位增量。在同样的时间Δt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:

图 1 DDS原理框图

相位累加器用来产生表示相位的序列,它以基准时钟fs为节拍,以K为累加值,产生线性增长的相位序列。例如相位累加器初始值表示的相位是0,K对应的累加值为π/10,那么累加器在基准时钟的激励下依次产生表示0, π/10, 2π/10, 3π/10……18 π/10,19 π/10, 2π, 0, π/10,…等相位的序列。

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Δθ,基准时钟周期1/fs就是时间增量Δt,即

f=Δθ/(2πΔt)=K*fs/2π

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π/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π/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:

图 2 不同频率的输出波形数据

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

图 3 基准频率和输出频率不是整数倍关系

尽管基于DDS原理的AWG有上述的一些缺点,但DDS具有低成本、低功耗、高分辨率和频率转换速度快等优点,适合输出调频、调相、扫频信号。而且通过合理的设定基准时钟、相位增量和输出频率的关系,能够使信号保真度满足测试要求。

2. True Arb

True Arb就是真任意波形发生器的意思,这是相对于DDS可能丢掉一些数据的特点而言。下图是True Arb的原理框图:

图 4 True Arb原理框图

True Arb以一个可变的采样时钟从波形存储器中读出量化数据,然后经过DAC和低通滤波器后输出。如果需要改变输出信号频率,就调节采样时钟的频率。True Arb更接近于一个数字存储示波器的逆过程:

1)数字存储示波器的采样率可以变化,True Arb的采样时钟频率也可以变化。

2)数字存储示波器的约束条件:储器容量=采样率×采样时间

True Arb的约束条件:存储容量=采样率×信号重复周期

例如AWG的存储容量为2Mpts,如果采样率设为100MS/s,那么输出信号的最大重复周期为20ms,即最小重复频率50Hz。如果要输出更低频率的信号,就必须降低采样率。

可以看出,通过改变采样时钟来改变输出频率的方法,能够保证存储器中的数据都被输出,相比DDS方法,信号保真度更好。

另外True Arb存储器从逻辑上可以分成若干片段,每个片段的波形数据可以单独、重复输出,即所谓波形序列(Sequence)功能。例如存储器深度为1Mpts。可以分为3个片段,分别可以保存500kpts、400kpts、100kpts数据。可以定义第一个片段波形重复输出3次后,第二个片段波形输出1次,第三个片段波形重复输出2次,又重新回到第一个片段开始新的循环… 这种功能的好处是可以设计更复杂的波形,并最大程度利用存储器容量。比方需要产生这样一种信号,先输出一个宽度25us、幅度3V的脉冲,保持低电平20s后再输出一个宽度25us、幅度5V的脉冲,再经过50s的低电平后完成一次重复,开始下一个周期。这样一个信号,必须有相对较高的采样率才能重建出25us的脉冲,但信号重复周期长,True Arb的约束条件决定了,在有限的存储器容量下,无法保存高采样率下的长时间波形数据。这时就可以利用波形序列功能。比如第一个片段保存3V脉冲,输出一次,第二个片段保存50us低电平,重复输出400000次,总持续时间为20s,第三个片段保存5V脉冲,输出一次,第三个片段保存50us低电平,重复输出1000000次,总持续时间50s。如下图示意:

图 5 波形序列功能示意

两种AWG结构的特点总结如下:

以上便是此次小编带来的“波形发生器”相关内容,通过本文,希望大家对任意波形发生器的原理具备一定的认知。如果你喜欢本文,不妨持续关注我们网站哦,小编将于后期带来更多精彩内容。最后,十分感谢大家的阅读,have a nice day!

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