深入了解信號發生器：類型、性能與使用

許多工程師在面對調試和設計檢驗等任務時，往往僅將目光投向了示波器或邏輯分析儀，將這些采集儀器視為解決問題的萬能鑰匙。然而，他們往往忽視了一個至關重要的配套儀器——信號發生器。

信號發生器，作為激勵儀器的一種，在工作中扮演著舉足輕重的角色。

信號發生器，從廣義上可分為混合信號發生器（包括任意波形發生器和函數發生器）和邏輯信號源（如脈沖或碼型發生器），從而滿足了各種信號生成的需求。不同類型的信號發生器各具特色，能夠適應不同的應用場景。

混合信號發生器，專為輸出模擬波形而設計，如正弦波、三角波等，以及包含圓形和不理想“方”波在內的實際環境信號。這些發生器提供了豐富的控制選項，如幅度、頻率、相位調整，以及DC偏置和上升/下降時間控制。此外，它們還能創建過沖等畸變，并支持邊沿抖動和調制等功能。

另一方面，數字信號發生器則專為驅動數字系統而設計。其輸出為二進制脈沖流，無法生成模擬波形。這類發生器的功能優化主要針對計算機總線需求和類似應用，包括加速碼型開發的軟件工具以及匹配各種邏輯系列的硬件工具。

值得注意的是，如今的高性能信號發生器，無論是函數發生器、任意信號發生器還是碼型發生器，大多基于數字結構，具備靈活的編程能力和卓越的精度。然而，設計高質量的模擬信號發生器和混合信號發生器仍具有一定的挑戰性，需要投入大量的時間和精力。
幸運的是，數字采樣技術和信號處理技術的進步為我們提供了一種理想的解決方案——任意波形發生器。這種儀器能夠靈活地滿足各種信號發生需求，無論是任意波形/函數發生器（AFG）還是任意波形發生器（AWG）。

任意波形/函數發生器（AFG）以其出色的穩定性和快速響應頻率變化的能力而聞名。它特別適合于產生典型的正弦波和方波，以及在兩個頻率之間進行幾乎實時的切換。此外，AFG還具有成本優勢，對于那些不要求AWG通用性的應用來說非常具有吸引力。

盡管AFG的功能可能與AWG有所重疊，但它被設計成更加專用的儀器，專注于生成穩定且精確的標準波形，如正弦波和方波。其獨特的優勢包括穩定的波形輸出、精確的捷變能力，以及提供多種用戶熟悉的標準波形選項，如正弦波、方波、三角波等。

值得一提的是，AFG的設計已經從傳統的模擬振蕩器和信號調節技術轉向了更先進的直接數字合成（DDS）技術。這種技術使得AFG能夠更精確地控制輸出信號的相位、頻率和幅度，同時提供了從內部或外部來源調制信號的功能，這對于某些類型的標準一致性測試至關重要。

DDS技術通過一個時鐘頻率來生成儀器范圍內的任意頻率，進而合成所需的波形。圖16以簡潔的形式描繪了基于DDS的AFG基本結構。

在相位累加器電路中，Delta（△）相位寄存器接收來自頻率控制器的指令，該指令表示輸出信號在每個連續周期中應前進的相位增量。現代高性能AFG的相位分辨率可低至1/230，即約1/1,000,000,000。

相位累加器的輸出被用作AFG波形存儲器部分的時鐘。盡管AFG的操作與AWG相似，但它們之間有一個顯著的區別：AFG的波形存儲器通常僅包含部分基礎信號，例如正弦波和方波。模擬輸出電路本質上是一個固定頻率的低通濾波器，確保只有編程設定的感興趣頻率（無時鐘人工信號）能夠從AFG輸出。

為了理解相位累加器如何創建頻率，可以想象控制器向30位△相位寄存器發送一個值1。在每個周期中，相位累加器△輸出寄存器將前進360÷230度，因為360度代表儀器輸出波形的一個完整周期。因此，當△相位寄存器的值為1時，AFG將生成頻率最低的波形，并要求整整2△增量來創建一個周期。電路將保持這一頻率，直到△相位寄存器加載新的值。

若△相位寄存器的值大于1，它將更快地通過360度，從而生成更高的輸出頻率（某些AFG采用不同的方法：它們通過跳過某些樣點來更快地讀取存儲器，從而提高輸出頻率）。唯一的變化在于，相位值由頻率控制器提供，無需改變主時鐘頻率。此外，這種技術還允許波形從波形周期內的任意點開始。

假設我們需要生成一個正弦波，它從周期的正向部分峰值開始。根據基本數學，這個峰值恰好對應于90度的相位。因此，我們可以利用相位累加器的輸出，精確地定位到這個起始點，并開始生成所需的波形。
230個增量對應于360°，而90°恰好是360°的四分之一。因此，當相位累加器的值達到(230÷4)時，它將會觸發波形存儲器從包含正弦波峰值的位置開始輸出。

大多數任意波形發生器（AFG）都預先在存儲器中存儲了多種標準波形，其中正弦波和方波是最常用的兩種。用戶可以通過編程來定義和創建自己所需的波形，與傳統模擬波形發生器相比，具有更高的靈活性。然而，高性能的任意波形發生器才具備存儲器分段和波形排序等高級功能。

DDS結構使得AFG能夠輕松地在空中編程改變頻率和相位，非常適合用于測試各種類型的FM設備，例如無線和衛星系統器件。只要AFG的頻率范圍足夠寬，它就能成為測試FSK和跳頻電話技術（如GSM）的理想信號源。

盡管AFG不能像AWG那樣生成任意復雜的波形，但它能產生實驗室、維修設施和設計部門中最常用的測試信號，如正弦波、方波等。此外，AFG還提供了出色的頻率捷變性，且通常是最經濟高效的選擇。

另一方面，任意波形發生器（AWG）則能生成幾乎任何您想要的波形。無論是精確的Lorentzian脈沖數據流，還是復調制RF信號測試，AWG都能輕松應對。您可以使用各種方法創建所需的輸出，從數學公式到圖形繪制。

本質上，AWG是一種播放系統，它根據存儲的數字數據提供波形。這些數字數據描述了AC信號的電壓電平變化。雖然AWG的方框圖看起來簡單，但它卻是一種功能強大的工具。為了更好地理解AWG的概念，我們可以將其與唱片機進行類比。在AWG中，存儲的數據相當于唱片上的紋理，而輸出的波形則類似于唱片機播放的模擬信號或波形。

圖18展示了任意波形發生器（AWG）的基本結構。本質上，AWG是一個精妙的播放系統，它依據存儲的數字數據來生成波形，這些數據詳細描繪了交流信號電壓電平的動態變化。盡管其方框圖設計得相當簡潔，但AWG卻是一種功能強大的工具。為了更好地理解AWG的概念，我們可以將其與熟悉的唱片機進行類比。在AWG中，存儲的數據類似于唱片上的紋理，而輸出的波形則類似于唱片機播放的模擬信號或波形。

要理解AWG的工作原理，首先需要掌握數字采樣的基本概念。數字采樣涉及使用一系列樣點或數據點來定義一個信號，這些樣點沿著波形的斜率分布，代表了電壓的測量值。通過實際測量波形或使用圖形和數學技術，我們可以確定這些樣點的位置。圖17（左）展示了一串有序的樣點，盡管它們在曲線上的間隔看似不均，但實際上是以均勻的時間間隔進行采樣的。在AWG中，這些采樣的值以二進制形式存儲在高速隨機存取存儲器（RAM）中。

通過讀取存儲器中的信息，AWG能夠重建任何時間的信號。這通過數模轉換器（DAC）將數據點轉換為模擬信號來實現。圖17（右）展示了這一重建過程的結果。值得注意的是，AWG的輸出電路在樣點之間進行濾波，以確保各點能夠順暢連接，從而生成連續且無間斷的波形。這樣一來，被測設備（DUT）將無法區分這些點為離散還是連續，而是將其視為一個無縫的模擬波形。

AWG的通用性使其在各種應用中都表現出色，從汽車防抱死制動系統的模擬到無線網絡極限測試等。由于其能夠生成幾乎任何可以想象的波形，AWG成為了實驗室、維修設施和設計部門中不可或缺的測試工具。

圖19展示了高性能混合信號發生器——泰克AWG7000系列任意波形發生器的系統與控制功能。這款發生器專為完整測量解決方案而設計，其控制系統和子系統經過精心打造，旨在加速各種波形類型的開發，并確保輸出波形的完整保真度。

該發生器提供了豐富的信號參數控制功能，其中最基本的和常用參數都配備了專門的前面板控件，而復雜或低頻操作則可通過儀器顯示屏上的菜單進行。

LevelControl負責調整輸出信號的幅度和偏置電平，其前面板上的專用控件使得設置變得簡單直觀，無需繁瑣的多級菜單操作。

Timing Control則通過控制采樣率來設定輸出信號的頻率。同樣，它也提供了基于硬件的專用控制功能，進一步簡化了基礎參數的設置過程。

值得注意的是，這些參數控制功能并不直接作用于實際生成的波形。波形的定義和控制位于編輯/控制屏幕上的菜單中。用戶可以通過觸摸面板或鼠標選擇所需的視圖，并在圖形用戶界面中定義順序或數字輸出設置，如圖20所示。啟動相關頁面后，只需使用數字鍵盤和通用滾動旋鈕即可輕松完成設置。

圖20展示了AWG的用戶界面，其中特別突出了用于選擇菜單的設置欄。這一界面簡潔直觀，讓用戶能夠輕松地定義和調整波形的各種參數。

接下來，我們將深入探討混合信號發生器的一些關鍵性能指標和考慮因素。這些指標不僅在信號發生器的手冊、參考書籍以及教程中頻繁出現，更是理解其性能和應用的基礎。

存儲深度，或稱記錄長度，是與時鐘頻率緊密相關的參數。它決定了可存儲的最大樣點數量，從而影響著波形的定義和復現能力。在復雜波形中，存儲深度尤為重要，因為它直接關系到能夠捕獲和呈現的信號細節數量。

此外，高性能混合信號發生器的深存儲深度和高采樣率特性，使得它們能夠輕松地存儲和復現復雜的波形，如偽隨機碼流。同時，這些儀器也能生成簡單的數字脈沖和瞬態信號，進一步拓寬了其應用范圍。

圖 21展示了通過充足的存儲深度，任意信號發生器能夠復現異常復雜的波形。

接下來，我們將深入探討采樣率這一關鍵性能指標。采樣率，通常以每秒兆樣點或千兆樣點來衡量，它代表了儀器能夠達到的最大時鐘或采樣速度。采樣率對輸出信號的頻率和保真度有著直接影響。根據內奎斯特采樣定理，采樣頻率或時鐘速率必須至少是信號中最高頻譜成分的兩倍，這樣才能確保信號能夠被精確地復現。例如，若要生成1MHz的正弦波信號，則必須以2MS/s的頻率生成樣點。

信號發生器能夠獲取這些樣點，并在規定頻率范圍內從存儲器中讀取。只要存儲的樣點集符合內奎斯特定理，并準確描述了一個正弦波，信號發生器便能相應地濾波并輸出一個正弦波。

計算信號發生器可生成的波形頻率涉及一些簡單的數學運算。以一個波形周期存儲在儀器中的情況為例：假設時鐘頻率為100MS/s，存儲深度或記錄長度為4000個樣點，那么輸出頻率F可通過以下公式計算：
F 輸出= 時鐘頻率 ÷ 存儲深度
F 輸出=100,000,000 ÷ 4000
F 輸出 = 25,000 Hz (或25 kHz)

此外，樣點距離（即波形的時間分辨率）約為10ns，這是水平方向上的關鍵概念。同時，也要注意避免與幅度分辨率（垂直方向）混淆。

若樣點RAM中存儲的不止一個波形周期，而是包含四個周期，那么輸出頻率將相應增加。具體的計算公式為：
F 輸出= (時鐘頻率 ÷ 存儲深度) x (存儲器中的周期數量)
F 輸出 = (100,000,000 ÷ 4000) x 4
F 輸出=(25,000Hz) x 4
F 輸出=100,000 Hz
新的頻率達到了100kHz。這一概念在圖23中得到了直觀展示。盡管時間分辨率仍保持為10ns，但每個波形周期僅由1000個樣點進行表示，從而降低了所產生的信號的保真度。

圖24展示了帶寬的重要性。帶寬，這一模擬術語，與采樣率無關，卻對信號發生器的性能至關重要。為了處理其采樣率所支持的最大頻率，信號發生器輸出電路的模擬帶寬必須足夠寬。簡言之，充足的帶寬能夠確保時鐘最高頻率和轉換時間的順暢傳送，從而避免信號特點的劣化。圖24中的示波器顯示屏清晰地揭示了這一點。最上面的軌跡展示了一個高帶寬信號發生器出色的上升時間，而其他軌跡則揭示了輸出電路設計不佳所導致的信號劣化。

此外，垂直分辨率也是一個關鍵因素。在混合信號發生器中，垂直分辨率與儀器的DAC二進制字長度（以位為單位）緊密相關。字長越長，分辨率越高。DAC的垂直分辨率直接影響復現波形的幅度精度和失真度。分辨率不足的DAC可能導致量化誤差，進而影響波形生成的理想性。

圖25展示了垂直分辨率對復現波形幅度精度的影響。垂直分辨率越高，波形的幅度精度越高。然而，在AWG中，頻率較高的儀器（如8位或10位分辨率）的垂直分辨率通常低于12位或14位的通用儀器。例如，一個10位分辨率的AWG能提供1024個樣點電平，這些電平均勻分布在儀器的整個電壓范圍內。若該AWG的總電壓范圍為2Vp-p，則每個樣點表示約2mV的步進，這是儀器在無額外衰減器的情況下所能提供的最小增量。

此外，水平分辨率也至關重要。它表示創建波形時可以使用的最小時間增量。水平分辨率的計算公式為T = 1/F，其中T是定時分辨率，單位為秒；F是采樣頻率。例如，一個最大時鐘速率為100MHz的信號發生器的定時分辨率為10ns，意味著其輸出波形的特征是由一系列相距10ns的步進所確定的。雖然某些儀器通過提供擴展有效定時分辨率的工具來改進波形應用，但這些工具并未提高儀器的基本分辨率。

圖26展示了水平分辨率對波形特征的影響。在水平分辨率較低的情況下，波形的邊沿、周期時間或脈寬的變化可能不夠精細；而當水平分辨率提高時，這些變化則更加細微。水平或定時分辨率，即最小時間增量，對于創建精確的波形至關重要。

在信號發生器的配置中，輸出通道的數量是一個關鍵因素。許多應用場景都要求信號發生器具備多條輸出通道，以滿足特定的測試需求。例如，汽車防抱死制動系統的測試就需要四個激勵信號，以確保系統的穩定性和安全性。同時，生物物理研究也需要模擬人體產生的各種電信號，這同樣需要多條輸出通道的支持。此外，復雜的IQ調制電信器件在兩個相位中每個相位都需要一個獨立的信號，這也是對輸出通道數量的一個挑戰。

為了滿足這些多樣化的需求，市場上已經出現了多種不同配置的AWG輸出通道。某些高端的AWG能夠提供最多四條獨立的全帶寬模擬激勵信號通道，以滿足高精度測試的需求。而其他一些AWG則提供最多兩個模擬輸出，并輔以最多16個高速數字輸出，以便進行混合信號測試。這種靈活的配置使得用戶能夠根據實際需求選擇合適的工具。

此外，某些AWG還配備了單獨的數字輸出功能，包括標記輸出和并行數據輸出兩種類型。這些數字輸出功能可以進一步增強AWG的測試能力，使其在模擬、數據和地址總線的同時測試中發揮更大的作用。

圖 29. 并行數字輸出。

標記輸出功能為信號發生器提供了與主模擬輸出信號同步的二進制信號。這種功能常用于在特定波形樣點位置（即樣點）輸出一個或多個脈沖，從而與接收模擬激勵信號的DUT（被測設備）的數字部分進行同步。此外，標記脈沖還能觸發采集儀器，在DUT的輸出一側進行數據采集。值得注意的是，標記輸出通常由獨立于主波形存儲器的存儲器驅動，確保了其穩定性和準確性。

另一方面，并行數字輸出則從與信號發生器主模擬輸出相同的存儲器中獲取數字數據。當特定波形樣點值出現在模擬輸出上時，并行數字輸出會提供相應的數字值，便于在測試數模轉換器時作為比較數據使用。此外，數字輸出還可以獨立于模擬輸出進行編程，進一步增強了其靈活性。

在確定了基本波形之后，還可以通過其他操作如濾波和排序來進一步改變或擴展波形。濾波技術可以從信號中去除選定頻段成分，這在測試模數轉換器（ADC）時尤為重要，因為必須確保模擬輸入信號的頻率不會超過轉換器時鐘頻率的一半，以避免產生不想要的假信號失真。

消除這些頻率的一種有效方法是應用陡峭的低通濾波器，它允許低于指定點的頻率通過，同時顯著衰減高于截止頻率的頻率。此外，濾波器還可以用于整形方波和三角波等波形。通過這種方式改變現有波形有時比創建新波形更為簡便。過去，工程師需要使用信號發生器和外部濾波器來實現這些功能，但現在許多高性能信號發生器已內置了可控制的濾波器，使得操作更為便捷高效。

圖 30. 濾波前與濾波后的波形對比。上方波形未經濾波，呈現鋸齒狀，而下方波形則經過濾波處理，形態更為平滑。

排序功能在波形測試中發揮著至關重要的作用。為了全面測試DUT，通常需要創建長波形文件。在重復波形部分時，波形排序功能能顯著節省繁瑣的波形編程工作。它利用計算機領域的命令，如循環、跳躍等，在儀器存儲器中存儲大量“虛擬”波形周期。通過序列控制器，可以生成幾乎無限長度的波形。

舉個簡單的例子，假設有一個4000點存儲器，其中包含一個干凈的脈沖和另一個失真的脈沖，它們各自占據了一半的存儲空間。如果僅使用基本重復功能，信號發生器將不斷順序重復這兩個脈沖，直到被命令停止。然而，波形排序功能提供了更多的靈活性。例如，您可能希望失真的脈沖在每隔511個周期后連續出現兩次。通過編寫序列，您可以實現這個需求：先重復干凈的脈沖511次，然后跳轉到失真的脈沖并重復兩次，再回到循環開始處重新執行這個過程。

此外，循環重復可以設置為無窮大、指定值或通過事件輸入進行控制。我們之前討論過，存儲的波形周期數與定時分辨率成反比。而排序功能在改善靈活性的同時，并不會損害各個波形的分辨率。

值得注意的是，被排序的任何波形段的相位和幅度都必須實現無縫跳變。如果在DAC試圖突然變成新值時出現任何問題，都可能導致不期望的毛刺產生。因此，在使用排序功能時，確保波形的跳變處理得當至關重要。

圖 31. 通過循環和重復，可以有效地擴展AWG的波形存儲器容量。
這個基礎示例雖然簡單，但它揭示了波形排序功能在檢測碼型相關誤差方面的實用性。例如，通信電路中的碼間干擾就是一個典型的應用場景。當信號在一個周期內的狀態影響到后續周期，導致信號失真甚至改變其值時，就會發生碼間干擾。借助波形排序功能，信號發生器可被用作激勵裝置，進行長期極限測試，測試時間可長達數天甚至數周。

集成編輯器

在創建具有相同形狀但不同幅度的波形段時，傳統的脫機波形編輯方法可能既耗時又繁瑣。然而，有了集成編輯工具，這個問題變得輕而易舉。這些工具允許用戶同時在時間和幅度上對波形進行編輯，極大地簡化了波形創建的過程。

當前的混合信號發生器配備了多種實用的編輯工具，如圖形編輯器和序列編輯器。圖形編輯器可以直觀地構建和查看波形，而序列編輯器則包含類似于計算機編程的指令（如跳躍和循環等），這些指令可以在指定的波形序列上進行操作。通過這些工具，用戶可以輕松地創建和編輯復雜的波形，滿足各種測試需求。

圖 32. 結合圖形編輯器和序列編輯器的強大功能，用戶能靈活自如地創建所需波形。

數據導入功能則進一步拓展了信號發生器的應用范圍。這一功能允許用戶導入在外部創建的波形文件，例如，通過GPIB或以太網將現代數字存儲示波器捕獲的波形輕松傳輸至混合信號發生器中。這一特性在利用“黃金標準器件”進行參考信號測試時顯得尤為重要，因為它能夠確保所有后續生成的測試副本都與原始波形保持一致。此外，信號發生器還支持對導入信號的編輯處理，如同對待其他任何波形一樣。

模擬器和電子設計自動化（EDA）工具也是重要的波形來源。信號發生器能夠引入、存儲并重建EDA數據，從而加速早期設計原型的開發進程。

圖 34. 數據導入功能。
在完成AWG的設置后，用戶需要將匯編后的文件存儲至硬盤。通過“Load”（加載）操作，這些波形被導入至AWG的動態存儲器中，隨后被復用并發送至DAC，最終以模擬形式呈現輸出。這些步驟構成了在AWG上生成波形的基礎流程。值得一提的是，波形文件可以與序列編輯器相結合，生成長度不受限制且復雜度任意的信號流。

▼創建復雜波形的重要性

在當今工程設計周期不斷縮短的背景下，高效測試設計顯得愈發重要。實際環境信號的獲取與特點分析是測試設計的關鍵環節。然而，創建這些實際環境信號一直是一項具有挑戰性的任務，往往延長了產品的開發周期。為了更簡便地應對這一挑戰，通用軟件工具如ArbExpress，以及特定應用工具如SerialExpress?和RFXpressTM等被廣泛應用于波形的創建與編輯。這些工具使得用戶能夠輕松地從泰克示波器中捕獲波形，或從標準波形庫中構建所需的復雜波形。

借助示波器采集向導，您可以輕松地與選定示波器建立連接，并從預置的通道和存儲位置中選擇數據源。利用光標功能，您可以輕松導入或提取波形段。此外，還支持對波形進行二次采樣，以匹配預期信號發生器的定時分辨率。

在ArbExpress中，您可以利用單點繪圖工具或數字數據表輸入來在標準波形基礎上自由定義波形。一旦波形創建完成，便可以利用數學運算功能或編輯工具輕松添加異常事件。同時，您還可以在時間或幅度軸上方便地移動波形段或整個波形，從而輕松生成符合實際環境信號的波形。 

總結

許多工程師在面對調試和設計檢驗等任務時，往往僅將目光聚焦于“測量”層面，將示波器或邏輯分析儀視作解決問題的全部。然而，這些采集儀器在實際工作中需要與激勵儀器——信號發生器協同作用，才能構成完整的解決方案。信號發生器能夠生成復雜的實際環境信號，驅動被測器件，并配合示波器等采集儀器獲取輸出結果。盡管示波器是行業標準采集工具，但只有信號發生器才能讓工程師實現對輸入信號的精準控制。同時，有效控制器件輸出也至關重要。

此外，信號發生器還使得余量測試和檢定成為可能。在處理信號發生器與示波器或邏輯分析儀時，工程師可以深入探索設計的性能極限，通過引入故意的極限條件、測量結果或捕獲數據來發現潛在問題。信號發生器和采集儀器相結合，為從磁盤驅動器設計到電信一致性測試的各類應用提供了全面的測量解決方案。