arbstudio任意波形发生器-基础篇

ArbStudio任意波形发生器基础篇Rev0.2@2010-01-04任意波形发生器原理任意波形发生器的功能性能力科任意波形发生器ArbStudio12/30/2022CompanyConfidential2认识信号源什么是信号源在电子测量中，为了测量一些电子设备的性能，往往需要给被测设备输入一定的符合测量要求的信号。信号源就是用来产生符合一定技术要求的电信号的仪器。例如：测量示波器的带宽，需要给示波器输入一组频率、幅度可调的正弦波。这就需要用到信号源。信号源可分通用信号源和专用信号源。12/30/2022CompanyConfidential3通用信号源的种类12/30/2022CompanyConfidential41.正弦信号发生器正弦信号对线性系统频域分析的重要意义，使得正弦信号发生器被广泛使用。用户对这类信号源的要求通常是频率范围宽、频率准确度和稳定度高、频谱纯度高、相位噪声低。例如通信系统测试中需要的正弦信号发生器，一般要求频率能够延伸到射频段、具备各种调制功能。正弦信号发生器的实现原理一般都是锁相技术和频率合成技术。通用信号源的种类12/30/2022CompanyConfidential52.函数发生器FunctionGenerator函数发生器是能够产生诸如正弦波，方波，三角波的信号源。一个传统函数发生器，用恒流源对电容充电、放电，电容两端的电压就是三角波。如果三角波送到一个比较器，就能产生方波。三角波通过波形整形电路还能够产生正弦波。通过改变电流和电容的大小，就能调节信号频率。这种信号源一般能输出的频率不高、频率准确度和稳定度低。随着数字技术的发展。函数发生器的实现也逐渐从模拟向数字演变。比如利用后文将要介绍的DDS技术来产生信号，这也使得函数发生器渐渐融合到任意波形发生器。通用信号源的种类12/30/2022CompanyConfidential63.任意波形发生器ArbitaryWaveformGenerator正弦信号发生器和函数发生器都只能产生规则的信号。而产生不规则的信号需要借助于任意波形发生器（AWG,ArbitraryWaveformGenerator）。AWG的基本设计思想是：把所需重现的信号波形截取一个周期进行均匀采样，保存在存储器中。把存储器中的波形数据按顺序读出，经DAC转换后，再滤波，获得所需要的波形。任意波形发生器原理任意波形发生器和示波器在原理上可以认为是一个互逆的过程：1.示波器的ADC将信号按一定采样率进行数字化，然后保存在采集存储器中；2.任意波形发生器的DAC按一定采样率将保存在存储器的波形数据还原为模拟波形。这两类仪器都受Nyquist定律约束，能够测量/输出的最高频率分量不超过ADC/DAC采样率的一半。可以使用力科示波器采集一段波形，并保存为文件。把波形文件导入到力科任意波形发生器ArbStudio，就可以还原模拟波形。实际应用中，AWG所用到的波形数据不全是真正采样获得的，通常用软件辅助产生。按实现架构，任意波形发生器又分为以下两大类：1.DDS-basedAWG，基于DDS的任意波形发生器2.TrueArbitrary,真任意波形发生器，简称TrueArb12/30/2022CompanyConfidential712/30/2022CompanyConfidential8一个正弦波的频率可以表示为f=ω/2π=Δθ/(2πΔt),Δθ是正弦信号经过一段时间Δt之后的相位增量。同样的时间Δt内，相位增量越大，频率就越高DDS-basedAWG原理DDS,即DirectDigitalSynthesis直接数字合成，一种信号合成的方法。先来看利用DDS合成正弦信号的原理：12/30/2022CompanyConfidential9DDS-basedAWG原理用下图所示系统来产生一个正弦信号：相位累加器用来产生表示相位的序列，它以基准时钟fs为节拍，以K为累加值，产生线性增长的相位序列。例如相位累加器初始值表示的相位是0，K对应的累加值为π/10，那么累加器在基准时钟的激励下依次产生表示0,π/10,2π/10,3π/10……18π/10,19π/10,2π,0,π/10,…等相位的序列。表示相位的序列用做一个正弦波查找表的地址，该查找表实现相位到幅度的转换，输出相位所对应的正弦波幅度值，这个时候幅度还是数字序列，经过DAC和低通滤波器后输出平滑的正弦波。基准时钟同时也是查找表的输出时钟和DAC的采样时钟。12/30/2022CompanyConfidential10DDS-basedAWG原理K就是相位增量Δθ，基准时钟周期1/fs就是时间增量Δt，即f=Δθ/(2πΔt)=K*fs/2π也就是说，输出信号与基准时钟fs相参，频率受相位增量K控制。例如相位增量是π/10时，20个基准时钟周期就能输出一个周期的正弦信号，即频率为fs/20；如果相位增量增加到π/5时，能在更短的时间完成一个周期的扫描，频率因此提高，即fs/10。

推广到任意波的情况，查找表中如果保存的是任意一段波形的量化数据，那么输出的信号将是以该波形为一个周期的重复信号。重复频率同样受相位增量控制。DDS-basedAWG特点1.通过改变相位增量来改变输出信号频率的原理，决定了在采样时钟不变的情况下，存储器中有些数据点可能被跳过，使用时需要结合采样率、存储深度、输出信号频率等参数来判断输出信号保真度2.控制相位增量的原理，适合产生调频、调相信号12/30/2022CompanyConfidential11DDS-basedAWG特点比如基准时钟为100MHz，存储器的容量为100pts,保存了欲输出信号一个周期的采样点数据。如果需要输出频率为1MHz，在每个采样时钟节拍下，依次输出所有采样点即可满足要求。如果需要输出频率为2MHz，相位增量就必须增加1倍，也就是每个采样时钟节拍需要跳过1个采样点。如果反映信号瞬变的数据点恰好在被跳过的采样点里，输出信号保真度就会受损。12/30/2022CompanyConfidential12DDS-basedAWG特点如果需要输出频率为300kHz，和基准时钟不是整数倍关系。那么不仅有些数据点会被跳过，而且此周期输出的数据点和下一个周期输出的数据点不相同，见下图示意。输出信号可能有相位截断和频率泄漏12/30/2022CompanyConfidential13TrueArb原理12/30/2022CompanyConfidential14TrueArb更接近于一个数字存储示波器的逆过程：1）数字储存示波器的采样率可以变化，TrueArb的采样时钟频率也可以变化。2）数字存储示波器的约束条件:存储器容量=采样率×采样时间TrueAWG的约束条件：存储器容量=采样率×信号重复周期*1例如AWG的存储容量为2Mpts,如果采样率设为100MS/s，那么输出信号的最大重复周期为20ms*2TrueArb以一个可变的采样时钟从波形存储器中读出量化数据，然后经过DAC和低通滤波器后输出*注1：存储器保存的波形可能是周期信号，此处所谓的重复周期是指整个存储器的波形数据重复输出的周期*注2：TrueAWG可以实现存储器中某一片段波形重复输出若干次后再输出下一片段波形，即所谓sequence，这里所谓最大重复周期指的是存储器所有波形数据依次输出，片段波形不再重复。TrueArb的特点1.一般情况下，信号保真度优于DDS2.存储器可分为几个片段，每个片段的波形数据可以重复输出，即所谓的Sequence功能。12/30/2022CompanyConfidential15TrueArb的特点12/30/2022CompanyConfidential16比方需要产生这样一种信号，先输出一个宽度25us、幅度3V的脉冲，保持低电平20s后再输出一个宽度25us、幅度5V的脉冲，再经过50s的低电平后完成一次重复，开始下一个周期。这样一个信号，必须有相对较高的采样率才能重建出25us的脉冲，但信号重复周期长，TrueArb的约束条件决定了，在有限的存储器容量下，无法保存高采样率下的长时间波形数据。这时就可以利用波形序列功能。比如第一个片段保存3V脉冲，输出一次，第二个片段保存50us低电平，重复输出400000次，总持续时间为20s，第三个片段保存5V脉冲，输出一次，第三个片段保存50us低电平，重复输出1000000次，总持续时间50s。如下图示意：小结：两种AWG模式的对比12/30/2022CompanyConfidential17

DDSTrueArb信号保真度由输出频率、采样率、存储深度的关系决定，数据点有可能被跳过、或者重复输出无论输出频率多少，所有波形数据点都完整的输出波形序列功能存储器中的波形数据不能分段波形存储器可以分为若干片段，各片段波形可分别输出应用调频、调相信号标准波形、调幅信号、数字信号任意波形发生器原理任意波形发生器的功能性能力科任意波形发生器ArbStudio12/30/2022CompanyConfidential18任意波形发生器的功能性能评价一款任意波形发生器，通常从以下功能和性能来衡量1.采样率即DAC时钟频率，也是DDS参考时钟和存储器输出时钟的频率根据Nyquist定律，AWG能够输出的最高频率成分不超过最大采样率的一半采样时钟频率不能无限小，因此最小采样率也是重要的指标2.存储深度最多能够存储的波形数据量3.模拟带宽AWG输出电路的截止频率点4.输出频率范围能够输出的最大频率受AWG输出电路的模拟带宽，以及采样率的制约；能够输出的最小频率受存储深度和采样率的制约。5.输出最大幅度AWG能够输出的最大电压，通常是在一定负载条件下12/30/2022CompanyConfidential196.分辨率即AWG能够输出的最小电压。一般用DAC的位数来表示，位数越多，分辨率越高，能够输出的幅度越小7.频谱纯度通常用谐波失真和相位噪声来描述8.数字信号输出能力除了具备输出模拟波形的能力，有些AWG还能输出数字码流9.输出通道数能够输出的信号数量，包括模拟信号通道数量和数字信号数量10.调制能力是否能够输出调制波形，能够支持的调制类型12/30/2022CompanyConfidential20任意波形发生器的功能性能11.波形编辑能力AWG通常借助PC端软件来产生、编辑波形。借助软件强大的功能，除了能够产生正弦、方波、三角波等标准波形数据，还能产生更复杂的波形数据，如调制信号、叠加噪声、级联数字滤波器等等12.触发一些应用要求波形输出的起始时间受控，这就需要触发信号来启动波形的输出。13.同步一些应用要求多个通道的输出信号相参，即采样时钟同源。12/30/2022CompanyConfidential21任意波形发生器的功能性能任意波形发生器原理任意波形发生器的功能性能力科任意波形发生器ArbStudio12/30/2022CompanyConfidential2212/30/2022CompanyConfidential23力科任意波形发生器ArbStudioArbStudio是力科一个系列的任意波形发生器产品包括信号源本身和在PC上运行的波形编辑和管理软件。1）在同类产品中，具有无以伦比的硬件指标：最多4个模拟通道或36个数字通道最大采样率1GS/s每通道存储深度2Mpts模拟带宽125MHzDAC分辨率16bits12/30/2022CompanyConfidential24ArbStudio功能特点12/30/2022CompanyConfidential25ArbStudio功能特点LeCroyLeCroyTaborTTITTIAS1104AS1104DWW2074TGA1244TGA12104Channels

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4MaxSampleRateü1GS/sü1GS/sX200MS/sX40MS/sX100MS/sAnalogbandwidthü125MHzü125MHzX50MHzX16MHzX40MHzResolutionü16bitü16bitX14bitX14bitX12bitStandardMemoryü2Mü2MX512kX64kX1MTechnology(ArborDDS)üBothüBothüBothüBothüBothHD@20Mhzü-48dBcü-48dBcX-28dBcXnaX-30dBcDigitalPatternOptionXnaü36chXnaXnaXna4通道AWG竞争对比12/30/2022CompanyConfidential26ArbStudio功能特点LeCroyLeCroyTaborTTITTITekTekTekTekTekAS1102AS1102DWW2572TGA1242TGA12102AFG3011AFG3021BAFG3022BAFG3101AFG3102Channels

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