在上次的介绍里,我们拆了老一代的安捷伦函数发生器33220A,分析了它的内部结构。作为一款传统的DDS函数发生器,它的jitter和THD指标都远低于新的33500系列,厂家将原因归结为独创的TrueForm技术。所以我们这次再来拆解一下33522B,看看TrueForm技术到底是什么东西,它与传统的任意波发生器AWG中使用的可变采样时钟技术是否相同。
下图是等待拆解的33522B,已经被脱光,且情绪稳定。
FPGA沿用ALTERA,型号改为Cyclone III,最高可以工作在500MHz主频下,有39600个逻辑单元,比33220A里面那片大了6倍。从数字信号的运算速度和处理能力上都有大幅度提高。DAC用的是AD9747,这是一块16Bit,250MHz的DAC芯片。对比一下,33220A用的是AD9744,14Bit,65MHz的DAC芯片,工作在50MHz。DAC速度提升了5倍,分辨率从14Bit提升到16Bit。DAC输出的模拟信号经过一组固定的滤波电路后,输入到放大器电路。这里我们也没有看到AWG中对应不同采样率所设计的多组抗混叠滤波器。
主时钟用了一块Rakon的10MHz的TCXO晶振,这块晶振的指标比33220A也有很大提升。上面还固定了一个白色的塑料罩,防止散热风扇带动的空气流动,对晶振周围产生大幅度温度变化。
10MHz时钟信号经过分频和锁相芯片AD9517(下图,就在10MHz晶振的背面),生成频率更高的250MHz时钟信号。用于FPGA和DAC芯片。这里非常奇怪的地方是,AWG任意波发生器所需要的可变采样时钟并没有出现,33522B仍然使用了固定的采样时钟,只是频率远远高于33220A。
输出波形会经过几组幅度不同的放大器电路,通过继电器在不同的放大器之间进行连接。所以改变信号幅度时可以听到继电器切换的响声。
另外,与33220A不同的是,主CPU与时俱进的改换成意法半导体的SPEAR600工业级ARM9芯片,仪表的操作系统Win CE就运行在这块芯片上。芯片自带LAN/USB接口。这块小电路板被固定在主电路板背面靠近前面板处的插槽里(下图)。
看到这里,我们发现33522B在硬件结构上与33220A并没有产生太大的区别,我们并没有看到AWG所需要的可变采样时钟,也没有看到多组复杂的抗混叠滤波器。当然,大幅度提高的采样时钟频率以及ADC的分辨率,都会对AFG的关键指标产生正面影响。
那么所谓的TrueForm技术,和点对点刷新(Point-by-point)技术,难道就是把采样时钟提高5倍的DDS这么简单么?
如果我们查看Keysight在技术文档中提供的TrueForm原理图(上图),与传统DDS结构相比较,最大的区别出现在DAC之前的数据内插(Interpolation)步骤。
TrueForm仍然使用了固定的采样时钟,为达到改变频率的效果,它所做的事情与DDS正好相反。它使用内插算法,在波形存储器的两个相邻点中,插入数量不同的数据点。插入点数越多,则频率越慢,插入越少,则频率越快。通过改变插入数据点的数量,就可以达到调整输出波形频率的目的。
这样的好处是,可以使DAC输出更加平滑,减少DDS结构由于数据抽取而造成的波形抖动现象。另外由于采样频率固定,所以在DAC输出端使用一组抗混叠滤波器就可以完成抗混叠滤波,降低了硬件成本和复杂度。所以当我们对比两代函数发生器,两者在硬件结构上几乎没产生区别,只是FPGA上的数字信号处理算法变得更加复杂。这真是非常天才的做法,请允许我们对Keysight的工程师表示一下崇拜。
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