原创 函数/任意波形发生器大比拼

典型的DDS原理框图如图所示。其实质是数模转换，仍然要遵循奈奎斯特采样定理。即输出的频率不超过采样率的一半，事实上商用的采用DDS技术的函数/任意波形发生器由于受到低通滤波器设计以及杂散分布的影响限制，输出波形的最高频率均不超过采样率的40%。相对于直接模拟频率合成，锁相频率合成，其优点如下：
·频率分辨率高。若时钟频率不变，DDS频率分辨率仅由相位累加器位数来决定，也就是理论上的值越大，就可以得到足够高的频率分辨率。目前，大多数DDS的分辨率在1Hz数量级，许多都小于1mHz甚至更小，这是其他频率合成器很难做到的。
·工作频带较宽。根据Nyquist定律，只要输出信号的最高频率分辨率分量小于或等于fclk/2就可以实现。而实际当中由于受到低通滤波器设计以及杂散分布的影响限制，仅能做到40% fclk左右。
·超高速频率转换时间。DDS是一个开环系统，无任何反馈环节，这种结构使得DDS的频率转换时间极短。DDS的频率转换时间可达到纳秒数量级，比使用其它的频率合成方法都要小几个数量级。
·相位变化连续。改变DDS输出频率，实际上改变的是每一个时钟周期的相位增量，相位函数的曲线是连续的，只是在改变频率的瞬间其频率发生了突变，因而保持了信号相位的连续性。
·具有任意输出波形的能力。只要ROM中所存的幅值满足并且严格遵守Nyquist定律，即可得到输出波形。例如三角波、锯齿波和矩形波。
·具有调制能力。由于DDS是相位控制系统，这样也就有利于各种调制功能。

同时DDS合成技术也有一些固有的缺点，如下：
·杂散分量丰富。这些杂散分量主要由相位舍位、幅度量化和DAC的非理想特性所引起。因为在实际的DDS电路中，为了达到足够小的频率分辨率，通常将相位累加器的位数取大。但受体积和成本的限制，即使采用先进的存储方法，ROM的容量都远小于此，因此在对ROM寻址时，只是用相位累加器的高位去寻址，这样不可避免地引起误差，即相位舍位误差。另外，一个幅值在理论上只能用一个无限长的二进制代码才能精确表示，由于ROM的存储能力，只采用了有限比特代码来表示这一幅值，这必然会引起幅度量化误差。另外，DAC的有限分辨率以及非线性也会引起误差。所以对杂散的分析和抑制，一直是国内外研究的特点，因为它从很大程度上决定了DDS的性能。
·频带受限。由于DDS内部DAC和ROM的工作速度限制，使得DDS输出的最高频率有限。目前市场上采用CMOS、TTL等工艺制作的DDS芯片工作频率一般在几十MHz至几百MHz左右。但随着高速GaAs器件的出现，频带限制已明显改善，芯片工作频率可达到2GHz范围左右。
以上摘自:《现代DDS的研究进展与概述》一文，http://www.eepw.com.cn/event/emag/20080226.htm。

将DDS应用于波形发生器，能非常方便的产生任意波形。一般除了具备常规函数发生器所具备的正弦波、方波、锯齿波、脉冲、噪声外，还有指数上升、指数下降、Sinc波、心电图波、直流，以及地震波等任意波形。能采用直接在仪器上手动编辑或windows 下软件编辑的方式产生任意波形，用于模拟电路或应用环境中可能发生的情况，此外还具备非常丰富的调制功能，甚至有些调制功能是以往只能在高端信号源上才能看到的。
下面找出主要以国产厂商为主的函数/任意波形发生器做一个对比，以此来了解国内DDS的应用水平，并给出一个大概的选购指南，以便您在需要的时候能够快捷的找到合手的信号源。Agilent在很早之前就推出了33200系列的任意波形发生器，给业界立了一个标杆，最近其又推出了33210A来进一步细分这个市场。而Tek推出的AFG3000系列采用了类似TDS1000系列的经典界面，将波形图形化显示，也算一个创新；而且其采样率最高达2GSa/s，输出频率240MHz，也将商用的DDS任意波形发生器推到了一个新的高度。在此以这两家作为对比的尺度来衡量各家的水平。但国内厂商大多参考的是Agilent的33200系列，推出了的种类比较繁多，这里仍然取代表其最高水平的型号。

1. Agilent 33250A
2. Tektronix AFG3101
3. Rigol DG3121A
4. TFG3150
5. SPF120
6. EM32801
7. WY32040A
8. SG2040
9. CS164
10. SFG830

1. Agilent 33250A
Agilent的这款仪器就不用多说，相信在没有普源之前，好多用到函数/任意波形发生器的朋友手头就是这款，或者是他的同门兄弟33220A，更有甚者用到的可能是33120A。本身就提供了非常高的频率准确度0.3ppm，还可以通过10M 参考时钟输入来进一步提高频率准确度，不过遗憾的是10MHz输入，输出不是标配，而是选件。虽然显示采用了一块比较小的液晶，但具备了全部的必要显示信息，并具有图形和文字两种显示，并可一键切换。但有一个很大的不便是不支持USB。另外其支持从Agilent的主流示波器中无缝导入波形，从而实现信号的复现。


2. Tektronix AFG3251
Tek的这款任意波形发生器虽然推出的稍晚，但是具有业界最高的水准。高达240MHz的正弦波，以及120MHz的方波和脉冲。值得注意的是虽然其有高达2GSa/s的采样率，但是只有波形长度<16k的情况下采样率才是这么高。当波形长度>16k时，采样率则只有250MSa/s,这时候跟其它对手就相差不远。其它特点还有：
. 脉冲的上升沿最短只有2.5nS
. 具有相加功能，可在输出中增加外部信号
. 可通过公式编辑器、手绘、点绘和波形数学运算定义波形
. 可从任何tek示波器中无缝导入波形



3. Rigol DG3121A
DG3121A是业界第一个具备了数字逻辑输出功能的任意波形发生器。指标在国产的函数/任意波形发生器中几乎遥遥领先，界面也非常友好。在所有同类产品中具有最齐全的通信接口，具备RS232，USB，GPIB，LAN。由于内置了以太网口，支持网络远程控制，但并不支持LXI。可与自家的DS系列示波器无缝互联，直接获取示波器中存储的波形并无损地重现。标配任意波编辑软件UltraWave。标配10MHz输入、输出接口。但频率的年准确度只有20ppm，作为同类产品中的高端产品，比起Agilent的33250A来就差上好多。不过可以通过外接10MHz高稳参考晶振来提高精度。另值得一赞的是其网站披露的信息比较详细。

此外还有DG2000和DG1000系列，涵盖了15MHz到40MHz的频率范围。任意发生器部分，DG2000和DG1000系列的最高采样率都为100MSa/s，垂直分辨率均为14bits，但DG2000的波形长度为512kpts，DG1000则只有4kpts。另DG2000的任意波频率最高12MHz，DG1000为5MHz。

4. 石家庄无线电四厂 TFG3150
石家庄无线电四厂是一个老牌企业，主要产品涉及信号源，时间，频率测试系统。由其生产的信号源广泛采用了DDS技术。主要有TFG2000，3000，6000系列，涵盖了3MHz到150MHz的频率范围。TFG3150代表了其最高水平，具有400MSa/s的采样率，14bits幅度分辨率，16kpts的波形长度。支持最高达150MHz的正选输出，这一指标也是国产中最高的。并支持2PSK、4PSK、3FSK、4FSK等调制方式。其它方面其网站披露的信息多有不详。虽采用了5.7寸的液晶屏显示参数，但并无图形显示方式。波形分辨率也只有100mHz。


此外还有TFG2000系列，界面如下。相应的参数为180MSa/s,10bits幅度分辨率，16kpts的波形长度。最高型号TFG2080A的输出频率80MHz。标配GPIB接口，可选配USB，RS232。


5. 南京盛普 SPF120
南京盛普科技也是一家老牌企业，主要产品为信号源，频率计,扫频仪等。其采用DDS生产的SPF任意波形发生器，涵盖了从5MHz到120MHz的频率范围。采用12位VFD做显示。突出的优点有支持最小0.1mVpp的输出，及1uV的分辨率。频率稳定度高达1ppm，但未指明长，短期。


深圳美创仪器和北京大西洋仪器也推出了外形相近，功能相似的同类仪器。
    
AT30120A                                    SM-4120

6. 江南电子EM32801
位于江苏扬中的江南电子，主要产品为信号源，均有采用DDS技术。虽然采用了大屏幕LCD显示的EM32801最高输出频率高达80MHz，但其采样率只有100ＭSa/s，且分辨率只有8bits。值得说明的是除了任意波形采用了DDS以外，正弦和方波都采用了函数发生芯片产生。频率短期稳定度1ppm，长期稳定度50ppm。无Burst功能。



7. 上海无仪 WY32040A
上海无仪由原上海无线电仪器厂转制而来，主要生产Q表，信号源，毫伏表。由其生产的WY32040A最高输出信号频率40MHz，采样率100MSa/s，分辨率14bits，波形长度32kpts。支持最小1mVpp输出，不过分辨率也只有1mV。斜波/三角波最高频率1ＭHz，且具有1uHz的频率分辨率。长期稳定度30ppm。


8. 哈尔滨博兴 SG2040
哈尔滨博兴电子依托于哈尔滨理工大学建立起来，现有产品涉足PCI，PXI，VXI模块。台式产品为信号源，频率涵盖了从5MHz到110MHz的范围，均采用了DDS技术。由其生产的SG2040任意波形发生器，具有300MSa/s，12bits分辨率，64kpts的波形长度，最高40MHz的任意波形为国内同类产品中的最高水平。频率分辨率1uH，但幅度分辨率则只有10mV,为本次比较中最差。无Burst功能。


9. 南京长盛仪器 CS164
南京长盛仪器主要从事安规仪器的生产研发。由其生产的CS164是一款函数/任意波形发生器。最高输出频率20MHz。任意波部分，采样率20MSa/s，10bits分辨率，16kpts波形长度，最高能产生100kHz的任意波形。跟江南电子的EM32801一样，正弦和方波相信也未采用DDS，而是直接由函数发生器芯片输出。不过其斜波/三角波最高输出1MHz。



10. 固纬SFG830
固纬作为台湾最大的通用仪器制造商，其名气亦不用再多提，由其生产的SFG830最高输出频率30MHz，任意波部分，采样率5MSa/s,12bits精度，12k波形长度。虽然其资料并未披露任意波的最高频率，但相信其跟EM32801A，CS164一样是采用函数发生器芯片+DDS的方式。虽然其频率分辨率仅为10mHz(正弦，方波），20mHz(斜波，任意），但其内部晶振的年老化率只有5ppm。无Burst功能。

总结
虽然本次对比中的所有产品都采用了DDS技术，但其应用技术水平还是参差不齐。总体来说普源的DG3121A几乎在所有指标中全面领先，但比起Agilent的33250A在脉冲频率和频率稳定度等方面还有很大差距。不过普源还是尽可能的做出了创新，比如业界首台混合信号任意波形发生器，以及最全面的接口。由于本次对比中只有普源同时拥有数字示波器和信号源两个产品线，所以同自家DS系列示波器的无缝连接也成为其独家特色。国内的产品也已出现了最高150MHz的信号频率，和400MSa/s的采样率，这两个指标都已远远超过Agilent的33250A，但比起Tek的AFG3251仍有相当大的差距。但好多产品都不具备主流的USB接口，造成了存储和下载波形的不便。

除了以上提及的以外，还有众多厂家利用DDS技术生产函数/任意波形发生器,比如北京凯弘仪器生产的基于DDS的函数发生器就很有特色，由于内置了衰减器，能够实现最小0.1mVpp的输出和0.01dB的分辨率。在这里就不再一一列举。

表1，函数/任意波形发生器对比