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初識任意波形發(fā)生器（信號發(fā)生器）
在產(chǎn)品調(diào)試的過程中,，大多數(shù)的電路需要輸入某種幅度隨時間變化的信號，在這樣的應(yīng)用場景中,，一個完整的測試測量系統(tǒng)一般會包含激勵源,，被測件和采集儀器三個部分,。采集儀器通常使用的是示波器和邏輯分析儀，而信號源在系統(tǒng)中則扮演了激勵源的角色,，波形發(fā)生器就是種類眾多的信號源的一種，在電子測試測量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,。
信號源何時誕生,？經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程,？
信號源是一種古老的測試測量儀器，伴隨著整個儀器的發(fā)展周期,，世界上首臺信號源誕生于20世紀(jì)20年代,。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,，20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了主要用于測試各種接收機的標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)生器,，使信號源的應(yīng)用范疇從定性分析演進(jìn)到了定量分析的范疇，同一時期還出現(xiàn)了可用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號發(fā)生器,。
早期的信號發(fā)生器機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率較大,，電路比較簡單，發(fā)展速度非常慢,。這種窘境直到1964年世界上出現(xiàn)了*全晶體管的信號源之后才得到改觀,。此后出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器,，掃頻信號發(fā)生器，合成信號發(fā)生器,，程控信號發(fā)生器等新種類,，信號源的各項指標(biāo)都得到了大幅提高,。但是采用模擬電子技術(shù)的信號源由分立器件或模擬集成電路構(gòu)成，不僅電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，而且只能產(chǎn)生種類非常有限的簡單波形,。更令人頭疼的是,，模擬電路的漂移較大，使得信號源輸出波形的幅度穩(wěn)定性很差,。
自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器和DAC可以使得信號源的功能進(jìn)一步擴大,，能夠產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形,。但是,，這種方案有一個很嚴(yán)重的缺陷：輸出波形的頻率低主要是由CPU的工作頻率決定的，這就意味著只能通過縮短軟件執(zhí)行時間或提高CPU的時鐘頻率來提高信號源輸出波形的頻率,，具有很大的局限性。
發(fā)展到今天,，市面上的信號源大多基于數(shù)字技術(shù),，許多信號源既可以輸出模擬信號又可以輸出數(shù)字信號，但是在真正高效的方案中,，往往都是選擇根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境優(yōu)化過的信號源，因此也派生出了多種不同類型的信號源,。
時下的信號源有哪些類型,？
廣義上,，根據(jù)信號源的應(yīng)用范疇可以分為兩類，數(shù)字應(yīng)用信號源和模擬應(yīng)用信號源,。
其中專門為數(shù)字應(yīng)用而誕生的信號源,，我們稱之為邏輯源,。邏輯源大體上可以分為兩類，一種是可以輸出方波和脈沖流的脈沖發(fā)生器,，脈沖發(fā)生器的輸出頻率一般非常高，經(jīng)常用于測試數(shù)字器件,。此外,，還有一種邏輯源，我們稱之為碼型發(fā)生器,，或者數(shù)據(jù)發(fā)生器，這種儀器一般有生成8個,，16個或者更多輸出通道,，可以產(chǎn)生各種類型的同步數(shù)字脈沖流,，碼型發(fā)生器常常作為計算機總線、數(shù)字電信單元等的激勵信號,。
雖然各廠家的命名方式各不相同，但是在需要提供模擬信號或者混合信號的應(yīng)用場景中使用的信號源大體上有波形發(fā)生器,、射頻信號發(fā)生器,、微波信號發(fā)生器和基帶信號發(fā)生器幾種類型,。其中,，本系列文章將要給大家全面展開介紹的波形發(fā)生器是一種比較主流的信號源，它可以將離散的數(shù)據(jù)點存放在存儲器中,，通過系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號，經(jīng)過DAC芯片的轉(zhuǎn)換和低通濾波器終生成模擬波形,，使用這種“采樣原理”理論上可以生成和編輯幾乎任意類型和參數(shù)的波形,。函數(shù)/任意波形發(fā)生器一般有1-4路輸出,，某些功能更加豐富的型號還支持觸發(fā)信號和系統(tǒng)時鐘信號的輸出，用于觸發(fā)外部的儀器,，比如作為示波器的外部觸發(fā)信號,，如圖1所示的就是鼎陽科技出品的SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器,。
圖1 SDG2000X函數(shù)/任意波形發(fā)生器
波形發(fā)生器拿來干嘛用的？
波形發(fā)生器具備了函數(shù)發(fā)生器的所有功能,，可以產(chǎn)生正弦波、方波,、三角波等基本函數(shù),。除此之外,，波形發(fā)生器還可以產(chǎn)生模擬和數(shù)字調(diào)制信號，支持線性/對數(shù)掃頻信號和脈沖串的輸出,，這是波形發(fā)生器區(qū)別于函數(shù)發(fā)生器的大特征,。鼎陽科技的全系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器都能支持AM,、FM、PM,、FSK,、ASK,、DSB-AM等模擬和數(shù)字調(diào)制功能。都支持掃頻功能和脈沖串輸出功能，在這兩種模式中,，觸發(fā)源可以在內(nèi)部,、外部和手動三種中進(jìn)行選擇，當(dāng)選擇內(nèi)部和手動觸發(fā)源的時候,，支持觸發(fā)信號輸出,，便于實現(xiàn)多款不同的儀器之間的觸發(fā)同步。
波形發(fā)生器有上百種應(yīng)用方式,，但是在電子測試測量領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍基本可以可以分為三種：檢驗,、檢定以及極限/余量測試,。在產(chǎn)品的調(diào)試階段,，工程師需要測試產(chǎn)品的各項參數(shù)，以檢驗產(chǎn)品是否滿足相關(guān)的出廠標(biāo)準(zhǔn),，在這個過程中，波形發(fā)生器需要發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號作為待測網(wǎng)絡(luò)的激勵源,，通過測量并記錄被測網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng),，然后將記錄的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行對照并且得出檢驗的結(jié)論。另外,，新開發(fā)的工控模塊，數(shù)據(jù)調(diào)理模塊等都需要使用波形發(fā)生器通過窮盡測試來確定其線性度和單調(diào)性等指標(biāo),。在很多場合中,，波形源需要在其提供的信號中增加已知的,，數(shù)量和類型可重復(fù)的失真或損傷，通過控制失真或損傷相關(guān)的參數(shù)可以對被測件進(jìn)行極限/余量測試,。
波形發(fā)生器有哪些主要的指標(biāo)？這些指標(biāo)分別有什么含義,？
如果您使用過示波器,，那么您一定聽說過示波器的三大指標(biāo)：帶寬，存儲深度,，采樣率,，我們在挑選一款合適的示波器的時候，這三大指標(biāo)往往是我們首要考慮的因素,。實際上，從原理的角度來看,，波形發(fā)生器是示波器的逆過程,，那么波形發(fā)生器是否也有所謂的三大指標(biāo)呢,？答案是肯定的，在波形發(fā)生器的范疇中,，同樣有帶寬,，采樣率和存儲深度的概念,。
1、帶寬
波形發(fā)生器的帶寬可以定義為大可輸出的正弦波的頻率,。但是,，對于不同的輸出波形,，波形發(fā)生器能夠支持的大輸出頻率是有區(qū)別的，比如在鼎陽科技的SDG2122X函數(shù)/任意波形發(fā)生器中,，當(dāng)輸出正弦波時,，可以輸出的大頻率為120MHz,，然而當(dāng)它源輸出方波時，大輸出頻率就變?yōu)榱?5MHz,。之所以會有這樣的區(qū)別,，是因為方波邊沿變化很快,，包含了許多高頻成分，為了避免輸出的方波上升沿產(chǎn)生嚴(yán)重失真,，當(dāng)波形發(fā)生器輸出方波時,，其帶寬必須能夠覆蓋更多的高次諧波成分。
2,、采樣率
波形發(fā)生器的采樣率通常用每秒兆樣點或者千兆樣點表示，比如SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器標(biāo)稱的采樣率為1.2GSa/s,，這項指標(biāo)表明了信號源將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為模擬信號的速率,，采樣率影響著主要輸出信號的頻率和保真度,。偉大的奈奎斯特取樣定理規(guī)定，采樣率或時鐘速率必須至少是生成的信號中大頻譜成分的兩倍,，在這樣的前提下才能保證精確的復(fù)現(xiàn)原始信號。但是在實際應(yīng)用中,，兩倍是往往還是不夠的，具體還是要看信號的類型和上升時間,。
3,、存儲深度
存儲深度是指用來記錄波形的數(shù)據(jù)點數(shù),，它決定著波形數(shù)據(jù)的大樣點數(shù)量。波形發(fā)生器的帶寬是由取樣速率和存儲深度決定的,。SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器支持時下非常流行的“逐點輸出”,，能夠在保證不丟失波形細(xì)節(jié)的前提下,，以1uSa/s~75MSa/s的可變采樣率輸出8pts~8Mpts范圍內(nèi)的任意長度地抖動波形。
除了以上三個指標(biāo)之外,，頻率分辨率和垂直分辨率也是波形發(fā)生器的重要指標(biāo),。垂直分辨率指的是在波形發(fā)生器中可以編程的小電壓增量,，跟硬件電路中使用的DAC的位數(shù)有關(guān)，一般用單位“位”來表示,，它決定了輸出波形的幅度精度,。頻率分辨率,，即小可調(diào)頻率分辨率，也就是創(chuàng)建波形時可以使用的小時間增量，跟時鐘的大速率以及DAC的轉(zhuǎn)換速率有關(guān),。
當(dāng)我們把不同廠家的波形發(fā)生器擺在一起的時候,，就會發(fā)現(xiàn),，實際上大家都已經(jīng)能夠做到相似的功能，但是從輸出信號的周期抖動范圍,，可調(diào)整的小脈寬,，上升沿下降沿可調(diào)整的小步進(jìn)距離等方面可以看出不同廠家優(yōu)化功力的高低,。鼎陽科技的SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器使用了申請了EadyPulse技術(shù)和TrueArb技術(shù)，有效提高了波形發(fā)生器的性能,。這在后續(xù)的文章中將會向您詳細(xì)說明。
文章的后,，還有一段總結(jié)
總之，波形發(fā)生器是應(yīng)用很廣泛的基礎(chǔ)通用儀器之一,，是電子工程師信號仿真實驗的*工具,。本文介紹了波形發(fā)生器相關(guān)的一些知識，意在為您的選型和對概念的了解提供方便,。但是如果要對波形發(fā)生器有更進(jìn)一步的了解,，僅僅靠上述的內(nèi)容是不夠的，接下來我會延續(xù)這個系列的文章,，為您剖析DDS技術(shù)，EasyPulse技術(shù),，TrueArb技術(shù)等相關(guān)描述,，讓您對波形發(fā)生器的原理有更多的了解。