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任意波形发生器简介
[导读]一、认识信号源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
一、认识信号源
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，比如用力科的任意波形发生器ArbStudio产生一些特殊的信号，方便演示示波器的各种功能。
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。
二、AWG原理
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=&/2&=&D&/(2&&Dt)。&D&是正弦信号经过一段时间&Dt之后的相位增量。在同样的时间&Dt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:
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&/10，那么累加器在基准时钟的激励下依次产生表示0, &/10, 2&/10, 3&/10&&18 &/10,19 &/10, 2&, 0, &/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&D&，基准时钟周期1/fs就是时间增量&Dt，即f=&D&/(2&&Dt)=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
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：
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：
三、AWG性能和功能
一般通过以下性能和功能来评价一款AWG：
四、力科任意波形发生器
力科任意波形发生器ArbStudio包括信号源本身和在PC上运行的波形编辑和管理软件。其主要功能特点：
1)在同类产品中，具有无以伦比的硬件指标：
最多4个模拟通道或36个数字通道
最大采样率1GS/s
每通道存储深度2Mpts
模拟带宽125MHz
DAC分辨率16bits
2)支持多种调制方式：AM, FM, PM, ASK, FSK, PSK, PWM
3)市面上很多AWG要么是DDS架构，要么是True Arb架构。ArbStudio同时提供两种工作模式，方便用户根据应用的需要来选择不同的工作模式。
4)方便易用的波形产生、编辑和管理软件。除了AWG方式，ArbStudio软件还能工作在函数发生器和PWM信号发生器模式，用户无需编辑波形数据即可方便快捷地输出想要的基本波形。
5)采样时钟和触发可以从外部输入，触发信号也能输出。
6)支持最多8台4通道ArbStudio同步工作。
21ic讯，是德科技公司(NYSE：KEYS) 近日宣布 M8195A 65 GSa/s 任意波形发生器(AWG)的模拟带宽从 20 GHz 提高至 25
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ISO-TECH AFG- 系列 USB 模块化任意函数发生器提供 USB 接口、轻便 (1kg) 且可便携（215 宽 x 35 高 x 107 厚 mm）。 这些型号带（P 后缀）或不带电源。 主要特点包括输出振幅 2.5Vpp（连接 50Ω 负载）、频率范围达到 25MHz、频率分辨率 1μHz 和内置正弦波形、方波形、三角波形和噪音信号。 这些特点使 AFG- 成为一般实验室使用的仪器之选，可独立工作或组合 IISO-TECH IDS-2000A 系列视觉暂留数字存储示波器（、、、、、、 和 ）。 将 ISO-TECH AFG- 系列 AFG 与 ISO-TECH IDS-2000A 系列 DSO 连接可创建紧凑的五合一多功能测试系统，包括示波器、逻辑分析仪、数字电压表、函数发生器和电源。
频率范围：1μHz~25MHz1μHz 频率分辨率 内置 120 MSa/s、10 位分辨率和任意波形编辑功能，带 4k 点存储器双通道型号支持耦合、跟踪和相位功能方波形可在 1% 至 99% 之间调整占空比支持多种任意波形编辑方法内置 AM/FM/PM/FSK/SUM(AFG-P) 调制、扫描和脉冲串功能USB 接口信号控制AFG-P 提供三种直流电源选择
AFG-1125 和 AFG-1225 独立工作时需要外部电源（例如 GPA-502 ）（当 AFG-1125 和 AFG-1225 与 IDS-2000A 示波器一起使用时，IDS-2000A 提供电源）。 还单独出售用于 AFG- 系列仪器的 ISO-TECH DS2-FH1 模块扩展托架和和 USB A 型至 A/B 型电缆 ()。
BNC 鳄鱼夹测试引线（每通道一个）、测试引线（电源 - 仅限 P 型号）、快速入门指南、带 AFG 软件和用户手册的 CD-ROM
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分辨率3 位
最大脉冲宽度1999.9s
最小脉冲宽度20ns
任意波形是
型号（P）AFG-125
每个通道波形存储器4k points
最低工作温度0°C
尺寸215 x 107 x 35mm
最高工作温度+40°C
扫描线性，对数
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Aug 6, 2017
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