信号源的使用方法
微波射频社区 2022-11-24


  在电子测试和测量中,经常要求信号源,生成只有在外部提供时才会有的信号。信号源可以提供“已知良好”的信号,或者在其提供的信号中添加可重复的数量和类型已知的失真(或误码)。这是信号源最大的特点之一,因为仅使用电路本身,通常不可能恰好在需要的时间和地点创建可预测的失真。从设计检验到检定,从极限和余量测试到一致性测试,信号源可以用于数百种应用
  因此,有多种信号源结构可供选择也就不足为奇了,而每种结构都有各自的优点、功能和经济性,适用于特定的用途。在本文中,我们将比较两种信号发生结构:一种用于任意波形/ 函数发生器中,一种用于任意波形发生器中。选择结果在很大程度上取决于应用。

了解信号发生方法
  任意波形/ 函数发生器(AFG)通过读取内存的内容,来同时创建函数波形和任意波形。大多数现代AFG 采用直接信号合成(DDS)技术,在广泛的频率范围上提供信号。
  任意波形发生器(AWG)基于真正可变时钟结构(通常称为" 真正的arbs*1"),适用于在所有频率上生成比较复杂的波形。AWG 也读取内存的内容,但其读取方式不同(后面进行了介绍)。处理先进通信和计算单元的设计人员选择AWG,驱动采用复杂调制和带有异常事件的高速信号。结果,AWG 占据了研究、开发和工程应用的最高层。
  这两种结构在波形生成方法上有着很大差异。本技术简
介讨论了基于可变时钟的任意波形发生器和基于DDS的任意波形/ 函数发生器之间的差别。

透过前面板:比较两个平台
AWG:概念简单,灵活性最大

  尽管AWG 在这两种结构中更加灵活,但AWG 的底层波形生成技术非常简明。AWG的播放方案可以视为“反向取样”。
  这是什么意思呢?看一下信号取样平台-- 示波器,它通过在连续时点上数字化模拟信号的电压值,来采集波形,其取样频率取决于用户选择的时钟速率。得到的样点存储在内存中。



  AWG的流程相反。AWG开始时波形已经在内存中。波形占用指定数量的内存位置。在每个时钟周期中,仪器从内存中输出另一个波形样点。由于代表波形的样点数量是固定的,因此时钟速率越快,读取内存中波形数据点的速度越快,输出频率越高。换句话说,输出信号频率完全取决于时钟频率和内存中的波形样点数量*2。图1 中简化的方框图概括了AWG 结构。

  AWG 的灵活性源自其内存中存储的波形。波形可以采取任何形状;它可以有任意数量的畸变,或根本没有畸变。在基于PC 的工具的帮助下,用户可以开发人们想得到的几乎任何波形(在物理限制内!)。可以在仪器能够生成的任何时钟频率上,从内存中读取样点。不管时钟是以1 MHz运行还是以1 GHz运行,波形的形状相同。
*1 工程师通常使用"arb" 来指任何类型的任意波形发生器。
*2 当然任何AWG 型号都有最大内存容量。波形占用的深度可能要小于全部容量。

AFG 在高频中采取高效的快捷方式
  AFG也使用存储的波形,作为输出信号的基础。其样点读数中涉及时钟信号,但结果类似。
  AFG 的时钟以某个固定速率运行。由于波形样点的数量在内存中也是固定的,因此AFG 怎样才能在变动频率上提供波形呢?例如,想象一下您正在使用一部AFG,它存储由1000 个样点组成的波形,以1 MHz 的固定速率输出。输出信号的周期将恰好固定在1 ms (1kHz)。很明显,单频信号源在大多数应用中用途有限。因此,DDS 技术提供了一个解决方案。基于DDS的仪器不读取每个样点,而是读取不到1000 个样点,来重建波形。


  图2 是典型的简化的AFG 结构,其中包括DDS 段。输出信号由时钟、代表相位值的存储的二进制数字及波形内存的内容构成。
  如前所述,AFG保持固定的系统时钟频率。360度时钟周期分布在所有波形样点中,DDS 段根据波形长度及用户选择的频率自动确定相位增量。
  高频设置会导致大的相位增量,使AFG 在通过360 度周期时迅速向前跳,提供高频信号。低频值导致小的增量,触发相位累加器以较低的步长步进通过波形样点,
甚至会重复各个样点,构成360度,生成频率较低的波形。
  这一决策背后的数学运算超出了本文的讨论范畴。可以这样讲,AFG根据自己的内部算法跳过选择的波形数据点。由于相位增量方法,它并不是在每个周期中一直跳过相同的样点数。AFG为生成变化的波形和频率提供了一种快捷方式,但最终用户不能控制跳过哪些数据点。
  这必然对输出波形保真度造成一定的影响。具有连续形状的波形(正弦、三角形等等)通常不是问题,但可能会影响当前数字环境中常见的带有快速转换的信号,如脉冲和瞬变。例如,假设在新的电信交换机元件上进行极限测试。测试波形是一串二进制脉冲,其中一个脉冲在上升沿上有一个瞬变。在某些频率上,DDS相位增量可能会刚好跳过瞬变,而不会作为信号的一部分在时钟中输出瞬变。对被测器件(DUT),信号类似于没有干扰的脉冲流,由于缺少任何实际“极限”,这种极限测试是无效的。


表1. AFG 与AWG 取样特点比较

  AFG结构的实现成本要低于全功能AWG工具集。结果,它非常经济,可以供各个工程师和科研人员使用。此外,AFG拥有某些独有的性能优势。部分领先型号拥有任何波形发生平台中最优秀的频率捷变性,即能够在不同频率之间平滑切换,而不会在信号中产生不连续点。

表1 概括了AFG 平台和AWG 平台的时钟和内存特点。

深入细节
  为更好地比较AWG和AFG结构,我们将进行简单的“案例分析”。我们将考察这两个平台处理定义输出波形的样点的方式。 

  这一比较涉及三种仪器:最大取样速率1 GS/s的AFG;最大取样速率1 GS/s的AWG #1;最大取样速率2 GS/s 的AWG #2。

  我们的目标是在3 MHz - 20 MHz 的频率范围内生成一个正弦波。这两台AWG和AFG都在100点的取样内存中装有一个正弦波周期。图3显示了这三个平台的特点怎样影响其任务处理方式。

  这三种工具都以1 GS/s 的取样速率读取100 个点,生成10 MHz 正弦波(图3 中的中间行):


图3. T 管理输出信号频率的三种方法。

AFG 的DDS 单元收到命令,在输出上提供10 MHz,它计算出1 GS/s 时钟每摆动一下增加1 个点。它接触到100 个样点中的每个点。
两个AWG中的时钟都被手动设置为1 GS/s,它们也读取100 个点,生成10 MHz 波形。
在把输出频率设为3 MHz (底部行),其方法出现分歧:
AFG 的时钟仍以1 GS/s 的固定速率运行。但现在,DDS把增量自动设成时钟每摆动一下0.3个点;也就是说,各个数据点重复三次或四次。
两个AWG中的时钟频率必须手动降到300 MS/s。时
钟现在更慢地读过样点,生成3 MHz 的输出频率。

现在,输出频率必须提高到20 MHz。这三个平台以不同方式迎接这一挑战:
  AFG 的DDS 单元把取样增量设为两个样点。它每隔一个样点读取一个样点,共使用50个点定义波形。其长度只是读取100个点的一半。结果是一个20 MHz输出信号。
  与所有AWG 在任何频率设置上一样,AWG #1 时钟每摆动一下读取一个样点。但是,由于其最大取样速率是1 GS/s,因此它不能在50 ns 的20 MHz 正弦波周期中读取100个点。因此,必须通过用户故意干预,把存储的波形图像下降到总共50 个点。结果是一个20 MHz 输出信号。
  它提供了多种软件
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