波形发生器刨根问底，任意波形发生器原理详解

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!