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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。     拆解方式与33220A相同，去掉后面板两个螺丝后，褪下金属外框就可以看到主电路板了。第一感觉是，内部电路复杂度并没有什么提升。       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。   篇幅限制，请大家关注我们的公众号EENuts继续阅读，或者扫描二维码如下：        

我们最近凑齐了安捷伦的两代函数发生器，一台是33220A，20MHz单路输出。一台是2014年推出的双通道30MHz带宽的33522B。在宣传资料中，我们可以看到这对亲父子使用了不同的技术，33220A是传统的DDS结构，而33500系列作为33200系列的替代产品，打出了TrueForm的概念，据说可以实现真正的逐点输出，从而改进了传统DDS模式在输出波形时可能产生的跳点问提，波形输出质量有了很大程度的提升，尤其是jitter和谐波失真指标都有大幅度提升。下图是33522B在指标手册上提出的Jitter指标改进，抖动缩小到DDS技术的1/12。     下图是TrueForm技术的总谐波失真相对于传统DDS结构的比较，改善幅度同样惊人。     哈哈，不过这里我们发现了一件好玩的事情，Keysight在宣传资料里没有点名，但500ps的jitter和0.20%的THD指标，正好与Tek的AFG3022（DDS函数发生器，25MHz频率输出范围）指标相同。当然因为没点名，所以我们也不能确定说的就是AFG3022，就当是八卦看吧。 有意思的是Tek似乎也发现了这个情况，在新版AFG3000系列的data sheet中，可以看到AFG3022C的jitter指标被修改为典型值60ps的数据，这样两者的差距看起来也没那么大了。只是不清楚这种指标的修改是因为改变了硬件设计还是改变了测试方法。     即使如此，在THD指标上的差距还是显而易见。所以我们好奇的地方是，用于常规函数发生器的DDS技术已经如此成熟，那么TrueForm到底是什么鬼，能够让Keysight在保持售价几乎不变的情况下，大幅度提高产品的jitter和THD指标。 在Keysight的宣传资料里，我们看到对TrueForm的描述集中在Point-by-point，也就是波形的逐点输出功能上。传统的DDS函数发生器，使用固定时钟采样，为了达到输出频率可调的目的，只能依靠改变对波形数据的抽点间隔修改输出频率。频率越高，抽样间隔越大，由此造成的抖动和失真就越明显。 而只有在高端的AWG（Arbitrary Waveform Generator）设备上，才会使用逐点输出波形的方法。这个方法虽然可以大幅度提高jitter和THD的性能，但需要在内部产生频率可任意调整的时钟源，通过改变采样时钟的频率达到调节输出频率的目的。因此AWG设备在价格和产品定位都会高于采用DDS结构的函数发生器。下图是Keysight的高端AWG产品。     但是如果我们真的看一下价格，对比33521B（单路输出，30MHz带宽）的公开报价是2273美元，比上一代产品33220A（单路输出，20MHz带宽）目前的官网价格2800美元还要低。如果真的使用了AWG的结构，增加了硬件复杂度，提升了指标，还降低了价格，这种好事让人觉得有点不敢相信！所以我们对TrueForm技术的实现方式产生了特别大的兴趣，这才有了今天的拆解活动，看看我们能不能找到TrueForm背后的秘密！     上图是33220A和33522B的前面板外观。33220A只有单通道输出，屏幕上面33522B采用了彩色大屏显示，显示的信息量比33220A多了不少，因此也降低了操作难度，用过33220A的用户几乎不用看手册就能直接上手。在操作系统上，33220A使用了传统的VxWorks，33522B上面安装了Linux系统，内核启动后再运行WinCE系统，复杂的启动流程导致开机需要超过40秒的时间，远远长于33220A的秒开。 两款仪器的后面板长成这个样子。33220A是第一批加入LXI功能的仪表，接口比较全，GPIB/LAN/USB都可以支持。只是我们手里的这台33220A没有外时钟选件，所以比33522B在左上角少了两个BNC接口。两款表的外形尺寸完全相同。     不多说废话了，让我们先从33220A开始，被脱光了的33220A是这个样子的（去掉bumper和把手啦，bumper真的很紧，不好脱）。     后面板左右两侧各有一个梅花螺丝，拧开后可以拆掉后边框，并褪下金属外套。掀开顶盖就可以看到里面的主电路板了。考虑到这是06年的机器，里面有点脏请大家谅解。上盖上面固定的是电源模块，220/110V交流电进入后转为六根直流供电线输出给主电路板。     有点失望吧，结构就这么简单。函数发生器应该是电子仪器里原理最简单，硬件成本也最低的一类设备了。DDS的大部分功能都可以在FPGA上实现，所以看起来显得很单薄。FPGA芯片用的是ALTERA的Cyclone系列。DDS的结构我们就不在这里细说了，大家可以在网上搜到。 DAC用的是AD9744，这是一块14bit，65MHz的DAC芯片。旁边的晶振是50MHz的VXCO晶振。     DAC输出端有两组滤波器，对应不同的输出波形进行滤波，切换波形时听到的继电器切换声就是这里发出的。     主CPU芯片使用的应该是Motorola的68000，负责运行操作系统，处理前面板操作和屏幕显示信息，以及USB/LAN/GPIB接口的控制。怪不得33220A要赶在2016年底废型，这些老芯片现在的采购应该都蛮困难的。下面有一块Flash ROM，不知道为什么被打磨掉了型号。     总之啦，33220A是一款典型的DDS结构的函数发生器，采样时钟工作在50Mz，DAC也工作在50MHz，最高可以输出20MHz的正弦波。由于DDS先天的限制，在输出Pulse，任意波形，和白噪声时，信号的带宽都会低于10MHz。这些性能都低于它的后续产品33500系列。   篇幅限制，请大家关注我们的公众号EENuts继续阅读，或者扫描二维码如下：