混合信號發生器的性能是什么呢? 今天一起來了解一下吧

　　性能指標和考慮因素

　　下面是部分參數定義，這些參數描述了混合信號發生器的性能。您會看到各種手冊、參考書籍、教程及介紹信號發生器或應用的任何地方都在使用這些術語。

　　存儲深度 ( 記錄長度 )

　　存儲深度或記錄長度與時鐘頻率一起使用。存儲深度決定著可以存儲的最大樣點數量。每個波形樣點占用一個存儲器位置。每個位置等于當前時鐘頻率下采樣間隔的時間。例如，如果時鐘以 100 MHz 運行，那么存儲的樣點間隔是 10 ns。

　　在許多頻率上，存儲深度在信號保真度中發揮著重要作用，因為它決定著可以存儲多少個數據點來定義一個波形。特別是在復雜波形中，存儲深度對精確復現信號細節至關重要。提高存儲深度的好處可以概括如下：

　　可以存儲更多周期的希望波形，存儲深度與信號發生器的排序功能相結合，允許儀器靈活地把不同波形聯接起來，創建無窮多個循環、碼型等等。

　　可以存儲更多的波形細節。復雜的波形在脈沖邊沿和瞬態信號中可能有高頻信息。很難內插這些快速瞬態信號。為真實地復現復雜的信號，可以使用提供的波形存儲器容量，存儲更多的瞬態信號和波形， 而不是更多的信號周期。

　　高性能混合信號發生器提供了深存儲深度和高采樣率。這些儀器可以存儲和復現復雜的波形，如偽隨機碼流。類似的，具有深存儲器的這些快速信號發生器可以生成非常簡單的數字脈沖和瞬態信號。

　　圖 1. 通過充足的存儲深度，任意信號發生器可以復現異常復雜的波形。

　　采樣 ( 時鐘 ) 速率

　　采樣率通常用每秒兆樣點或千兆樣點表示，表明了儀器可以運行的最大時鐘或采樣率。采樣率影響著主要輸出信號的頻率和保真度。內奎斯特采樣定理規定，采樣頻率或時鐘速率必須至少是生成的信號中最高頻譜成分的兩倍，以保證精確地復現信號。例如，為生成 1 MHz 的正弦波信號，必需以 2 M 樣點 / 秒 (MS/s) 的頻率生成樣點。盡管這一定理通常只是作為采集指導準則使用，但與示波器一樣，其與信號發生器的相關性非常明確：存儲的波形必須有足夠的點數，以真實地重現希望的信號細節。

　　信號發生器可以獲得這些樣點，然后以規定極限范圍內任何頻率從存儲器中讀出這些樣點。如果存儲的樣點集符合內奎斯特定理，并描述了一個正弦波，那么信號發生器將相應地濾波波形，輸出一個正弦波。

　　計算信號發生器可以生成的波形頻率需要對一些簡單的公式求解，以存儲器中存儲了一個波形周期的儀器為例：

　　假設 100 MS/s 的時鐘頻率和存儲深度或記錄長度， 共 4000 個樣點，那么：

　　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)

　　圖 2 說明了這一概念。

　　在規定的時鐘頻率上，樣點距離約為 10ns。這是波形的時間分辨率( 水平 )。一定不要把這個概念與幅度分辨率 ( 垂直 ) 弄混了。

　　為進一步推進這一流程，我們假設樣點 RAM 包含的不是一個波形周期，而是包含四個波形周期：

　　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

　　新的頻率是 100 kHz。圖 23 說明了這一概念。

　　在本例中，時間分辨率仍為 10 ns，但每個波形周期

　　只用 1000 個樣點表示，產生的信號保真度要更低。

　　圖 2. 在 100 MHz 的時鐘頻率時，一個 4000 點的波形作為 25 kHz 的輸出信號傳送。

　　圖 3. 通過使用四個存儲的波形和一個 100 MHz 時鐘，生成了一個 100 kHz 信號。

　　圖 4. 充足的帶寬保證不會漏掉任何信號細節。

　　帶寬

　　儀器的帶寬是一種模擬術語，它與采樣率無關。信號發生器輸出電路的模擬帶寬必須足以處理其采樣率將支持的最大頻率。換句話說，必須有足夠的帶寬，能夠傳送從存儲器中輸出時鐘的最高頻率和轉換時間，而不會劣化信號特點。在圖 4 中，示波器顯示屏揭示了充足帶寬的重要性。最上面的軌跡顯示了高帶寬信號發生器完善的上升時間，其它軌跡則顯示了由于輸出電路設計較差而導致的劣化效果。

　　垂直 ( 幅度 ) 分辨率

　　在混合信號發生器中，垂直分辨率與儀器 DAC 的二進制字長度( 單位為位) 有關，位越多，分辨率越高。DAC 的垂直分辨率決定著復現的波形的幅度精度和失真。分辨率不足的 DAC 會導致量化誤差，導致波形生成不理想。

　　圖 5. ( 上 ) 垂直分辨率低;( 下 ) 垂直分辨率高。垂直分辨率決定著復現的波形的幅度精度。

　　盡管越高越好，但在 AWG 中，頻率較高的儀器的分辨率 (8 位或 10 位 ) 通常要低于 12 位或 14 位的通用儀器。10 位分辨率的AWG 提供了 1024 個樣點電平， 分布在儀器的整個電壓范圍內。例如，如果這個 10 位AWG 的總電壓范圍為 2 Vp-p，那么每個樣點表示大約 2 mV 的步進，這是儀器在沒有額外衰減器的情況下可以提供的最小增量，其中假設它不受結構中其它因素的限制，如輸出放大器增益和偏置。

　　水平 ( 定時 ) 分辨率

　　水平分辨率表示創建波形可以使用的最小時間增量。一般來說，這個指標使用下面的公式計算得出的。

　　T =1/F

　　其中 T 是定時分辨率，單位為秒;F 是采樣頻率。

　　根據這一定義，最大時鐘速率是 100 MHz 的信號發生器的定時分辨率是 10 ns。換句話說，這一混合信號發生器輸出波形的特點是由一串相距 10 ns 的步進確定的。某些儀器提供了工具，明顯擴展了輸出波形的有效定時分辨率。盡管其沒有提高儀器的基本分辨率，但這些工具對波形應用變化，復現以皮秒增量移動邊沿時的影響。

　　圖 6. ( 上 ) 水平分辨率低 ;( 下 ) 水平分辨率高。水平或定時分辨率是指邊沿、周期時間或脈寬可以變動的最小時間增量

　　圖7.多條輸出通道

　　圖8.標記輸出

　　輸出通道數量

　　許多應用要求信號發生器有一條以上的輸出通道。例如，測試汽車防抱死制動系統要求四個激勵信號 ( 原因很明顯 )。生物物理研究應用要求多個信號發生器， 模擬人體產生的各種電信號。復雜的 IQ調制電信器件在兩個相位中每個相位都要求一個單獨的信號。

　　為滿足這些需求，已經出現了各種 AWG 輸出通道配置。某些 AWG 可以提供最多四條獨立的全帶寬模擬激勵信號通道。其它AWG 則提供最多兩個模擬輸出， 并輔以最多 16 個高速數字輸出用于混合信號測試。通過后一類工具，用戶可以只使用一臺綜合儀器，同時測試器件的模擬、數據和地址總線。

　　數字輸出

　　某些 AWG 包括單獨的數字輸出。這些輸出分成兩類：標記輸出和并行數據輸出。

　　圖 9. 并行數字輸出。

　　標記輸出提供了與信號發生器主模擬輸出信號同步的二進制信號。一般來說，標記可以輸出與特定波形存儲器位置 ( 樣點 ) 同步的一個脈沖 ( 或多個脈沖 )?？梢允褂脴擞浢}沖，對同時從混合信號發生器接收模擬激勵信號的 DUT，同步其數字部分。同樣重要的是，標記可以在 DUT 的輸出一側觸發采集儀器。標記輸出一般從獨立于主波形存儲器的存儲器中驅動。

　　并行數字輸出從與信號發生器主模擬輸出相同的存儲器中獲得數字數據。在特定波形樣點值出現在模擬輸出上時，并行數字輸出上會提供同等的數字值。在測試數模轉換器時，這些數字信息可以隨時作為比較數據使用。數字輸出也可以獨立于模擬輸出編程。

　　濾波

　　一旦確定了基本波形，那么可以使用其它操作，如濾波和排序，分別改變或擴展波形。濾波可以從信號中去掉選擇的頻段成分。例如，在測試模數轉換器 (ADC) 時，必需保證來自信號發生器的模擬輸入信號的頻率不會高于轉換器一半的時鐘頻率。這可以防止 DUT 輸出中出現不想要的假信號失真，否則會影響測試結果。假信號是指在感興趣的頻率范圍內插入失真后的轉換產物。沒有假信號的 DUT是不能產生有意義的測量結果的。

　　消除這些頻率的一種可靠方式是對波形應用陡峭的低通濾波器，允許指定點之下的頻率通過，明顯衰減截止頻率之上的頻率。還可以使用濾波器，整形方波和三角波之類的波形。有時候通過這種方式改變現有波形要比創建新波形簡單。過去，工程師必需使用信號發生器和外部濾波器，才能實現這些結果。幸運的是， 當前許多高性能信號發生器具有可以控制的內置濾波器。

　　圖 10. 濾波前和濾波后。參考 1 ( 上 ) 波形是沒有濾波的鋸齒波形，通道 1 ( 下 ) 波形是濾波后的鋸齒波形。

　　排序

　　通常情況下，必需創建長波形文件，以全面對 DUT 執行測試。在重復波形部分時，波形排序功能可以節約大量繁瑣的、存儲器密集型波形編程工作。排序功能可以在儀器存儲器中存儲數量龐大的“虛擬”波形 周期。波形排序器借用了計算機領域的命令，如循環、跳躍等等。這些指令位于與波形存儲器不同的序列存儲器中，可以重復指定的波形存儲器段。程控重復計數器、外部事件分支和其它控制機制決定著運行周期數量及其發生的順序。通過序列控制器，可以生成長度幾乎沒有限制的波形。

　　舉一個非常簡單的例子，想象下一個 4000 點存儲器有一個干凈的脈沖，這個脈沖占了一半的存儲器(2000 點 );另外一個失真的脈沖則占了另一半存儲器。如果我們僅限于基本重復存儲器內容，那么信號發生器會一直順序重復兩個脈沖，直到接到命令停止。而波形排序功能則改變了這一切。

　　假設您希望失真的脈沖在每隔 511 個周期后連續出現兩次。您可以編寫一個序列，重復干凈的脈沖 511次， 然后跳到失真的脈沖，重復兩次，然后再回到循環開頭，再次執行各個步驟。圖 12 說明了這一概念。

　　循環重復可以設成無窮大、指定值、或通過事件輸入進行控制。我們已經討論過存儲的波形周期數與得到的定時分辨率之間成反比，排序功能則可以大大改善靈活性，而不會損害各個波形的分辨率。

　　這里要注意，被排序的任何波形段的相位和幅度必須從一個段的最后一個樣點正確跳變到下個段的第一個樣點。在 DAC 試圖突然變成新值時，這個跳變中的任何問題都會導致不想要的毛刺。

　　圖 11. 可以使用循環和重復擴展 AWG 的波形存儲器容量。

　　盡管這個例子是非?；镜睦?，但它代表著檢測不規則的碼型相關誤差所需的一種功能。一個例子是通信電路中的碼間干擾。在一個周期中的信號狀態影響到后續周期中的信號，使其失真、甚至會改變其值時， 會發生碼間干擾。通過波形排序功能，可以使用信號發生器作為激勵裝置運行長期極限測試，時間可以擴展到幾天、甚至幾周。

　　集成編輯器

　　假設您需要一串波形段，它們擁有相同的形狀，但在波形串推進時幅度不同。為創建這些幅度變化，您可能要使用脫機波形編輯器，重新計算波形或重新畫出波形。但這兩種方法都不必要地耗費大量的時間。更好的方法是使用能夠同時在時間和幅度上改變波形的集成編輯工具。

　　當前的混合信號發生器提供了多種編輯工具，簡化了波形創建任務：

　　圖形編輯器 - 這個工具可以構建和查看波形表示;然后可以匯編及把得到的數據點存儲在波形存儲器中。

　　序列編輯器 - 這個編輯器包含計算機類編程指令( 跳躍 , 循環等 )，這些指令在序列中指定的存儲波形上操作。

　　圖 12. 圖形編輯器和序列編輯器相結合，靈活地創建波形。

　　數據導入功能

　　數據導入功能可以使用在信號發生器外面創建的波形文件。

　　例如，可以通過 GPIB 或以太網把現代數字存儲示波器捕獲的波形簡便地傳送到混合信號發生器中。這一操作對使用“黃金標準器件”的參考信號測試該器件 所有后續生成副本的測試方法至關重要?？梢允褂脙x器的編輯工具處理信號，就象存儲的任何其它波形一樣。

　　模擬器和其它電子設計自動化 (EDA) 工具是另一種有用的波形來源。由于能夠引入、存儲和重建EDA 數據， 信號發生器可以加快早期設計原型的開發速度。

　　圖 14. 數據導入功能。

　　設置 AWG 的最后一步是在必要的地方匯編文件 ( 與來自公式編輯器的文件一樣 )，把匯編后的文件存儲在硬盤上?！癓oad”( 加載 ) 操作把波形放入AWG 的動態存儲器中，然后復用并發送到 DAC，然后以模擬形式輸出。

　　這些是在 AWG 上生成波形的基本步驟。如前所述， 波形文件可以使用單獨的序列編輯器級聯到序列中， 生成長度幾乎沒有限制及任何復雜度的信號流。

　　創建復雜的波形

　　當前工程設計生命周期的加快實現了更快的產品開發周期，盡可能簡便高效地使用實際環境信號和特點測試設計至關重要。為生成這些實際環境信號，必須先創建這些信號。在歷史上，創建這些波形一直是一個挑戰，提高了被設計或被測試的產品的開發周期。通過通用軟件工具( 如 ArbExpress) 或特定應用工具( 如SerialExpress? 和 RFXpressTM)， 可以簡便地創建和編輯復雜的波形。