- 探討信號源的使用方法
- 了解信號發(fā)生方法
- 在多條通道中須同時提供不同頻率時選擇AFG
- 對最復(fù)雜的信號應(yīng)選擇AWG
在電子測試和測量中，經(jīng)常要求信號源，生成只有在外部提供時才會有的信號。信號源可以提供“已知良好”的信號，或者在其提供的信號中添加可重復(fù)的數(shù)量和類型已知的失真(或誤碼)。這是信號源最大的特點之一，因為僅使用電路本身，通常不可能恰好在需要的時間和地點創(chuàng)建可預(yù)測的失真。從設(shè)計檢驗到檢定，從極限和余量測試到一致性測試，信號源可以用于數(shù)百種應(yīng)用。
因此，有多種信號源結(jié)構(gòu)可供選擇也就不足為奇了，而每種結(jié)構(gòu)都有各自的優(yōu)點、功能和經(jīng)濟性，適用于特定的用途。在本文中，我們將比較兩種信號發(fā)生結(jié)構(gòu)：一種用于任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器中，一種用于任意波形發(fā)生器中。選擇結(jié)果在很大程度上取決于應(yīng)用。
了解信號發(fā)生方法
任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器(AFG)通過讀取內(nèi)存的內(nèi)容，來同時創(chuàng)建函數(shù)波形和任意波形。大多數(shù)現(xiàn)代AFG 采用直接信號合成(DDS)技術(shù)，在廣泛的頻率范圍上提供信號。
任意波形發(fā)生器(AWG)基于真正可變時鐘結(jié)構(gòu)(通常稱為" 真正的arbs*1")，適用于在所有頻率上生成比較復(fù)雜的波形。AWG 也讀取內(nèi)存的內(nèi)容，但其讀取方式不同(后面進行了介紹)。處理先進通信和計算單元的設(shè)計人員選擇AWG，驅(qū)動采用復(fù)雜調(diào)制和帶有異常事件的高速信號。結(jié)果，AWG 占據(jù)了研究、開發(fā)和工程應(yīng)用的最高層。
這兩種結(jié)構(gòu)在波形生成方法上有著很大差異。本技術(shù)簡
介討論了基于可變時鐘的任意波形發(fā)生器和基于DDS的任意波形/ 函數(shù)發(fā)生器之間的差別。
透過前面板：比較兩個平臺
AWG：概念簡單，靈活性最大
盡管AWG 在這兩種結(jié)構(gòu)中更加靈活，但AWG 的底層波形生成技術(shù)非常簡明。AWG的播放方案可以視為“反向取樣”。這是什么意思呢？看一下信號取樣平臺-- 示波器，它通過在連續(xù)時點上數(shù)字化模擬信號的電壓值，來采集波形，其取樣頻率取決于用戶選擇的時鐘速率。得到的樣點存儲在內(nèi)存中。
AWG的流程相反。AWG開始時波形已經(jīng)在內(nèi)存中。波形占用指定數(shù)量的內(nèi)存位置。在每個時鐘周期中，儀器從內(nèi)存中輸出另一個波形樣點。由于代表波形的樣點數(shù)量是固定的，因此時鐘速率越快，讀取內(nèi)存中波形數(shù)據(jù)點的速度越快，輸出頻率越高。換句話說，輸出信號頻率完全取決于時鐘頻率和內(nèi)存中的波形樣點數(shù)量*2。圖1 中簡化的方框圖概括了AWG 結(jié)構(gòu)。
AWG 的靈活性源自其內(nèi)存中存儲的波形。波形可以采取任何形狀；它可以有任意數(shù)量的畸變，或根本沒有畸變。在基于PC 的工具的幫助下，用戶可以開發(fā)人們想得到的幾乎任何波形(在物理限制內(nèi)!)?？梢栽趦x器能夠生成的任何時鐘頻率上，從內(nèi)存中讀取樣點。不管時鐘是以1 MHz運行還是以1 GHz運行，波形的形狀相同。
*1 工程師通常使用"arb" 來指任何類型的任意波形發(fā)生器。
*2 當(dāng)然任何AWG 型號都有最大內(nèi)存容量。波形占用的深度可能要小于全部容量。
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AFG 在高頻中采取高效的快捷方式
AFG也使用存儲的波形，作為輸出信號的基礎(chǔ)。其樣點讀數(shù)中涉及時鐘信號，但結(jié)果類似。
AFG 的時鐘以某個固定速率運行。由于波形樣點的數(shù)量在內(nèi)存中也是固定的，因此AFG 怎樣才能在變動頻率上提供波形呢？例如，想象一下您正在使用一部AFG，它存儲由1000 個樣點組成的波形，以1 MHz 的固定速率輸出。輸出信號的周期將恰好固定在1 ms (1kHz)。很明顯，單頻信號源在大多數(shù)應(yīng)用中用途有限。因此，DDS 技術(shù)提供了一個解決方案。基于DDS的儀器不讀取每個樣點，而是讀取不到1000 個樣點，來重建波形。
如前所述，AFG保持固定的系統(tǒng)時鐘頻率。360度時鐘周期分布在所有波形樣點中，DDS 段根據(jù)波形長度及用戶選擇的頻率自動確定相位增量。
高頻設(shè)置會導(dǎo)致大的相位增量，使AFG 在通過360 度周期時迅速向前跳，提供高頻信號。低頻值導(dǎo)致小的增量，觸發(fā)相位累加器以較低的步長步進通過波形樣點，甚至?xí)貜?fù)各個樣點，構(gòu)成360度，生成頻率較低的波形。
這一決策背后的數(shù)學(xué)運算超出了本文的討論范疇?？梢赃@樣講，AFG根據(jù)自己的內(nèi)部算法跳過選擇的波形數(shù)據(jù)點。由于相位增量方法，它并不是在每個周期中一直跳過相同的樣點數(shù)。AFG為生成變化的波形和頻率提供了一種快捷方式，但最終用戶不能控制跳過哪些數(shù)據(jù)點。
這必然對輸出波形保真度造成一定的影響。具有連續(xù)形狀的波形(正弦、三角形等等)通常不是問題，但可能會影響當(dāng)前數(shù)字環(huán)境中常見的帶有快速轉(zhuǎn)換的信號，如脈沖和瞬變。例如，假設(shè)在新的電信交換機元件上進行極限測試。測試波形是一串二進制脈沖，其中一個脈沖在上升沿上有一個瞬變。在某些頻率上，DDS相位增量可能會剛好跳過瞬變，而不會作為信號的一部分在時鐘中輸出瞬變。對被測器件(DUT)，信號類似于沒有干擾的脈沖流，由于缺少任何實際“極限”，這種極限測試是無效的。
表1. AFG 與AWG 取樣特點比較
AFG結(jié)構(gòu)的實現(xiàn)成本要低于全功能AWG工具集。結(jié)果，它非常經(jīng)濟，可以供各個工程師和科研人員使用。此外，AFG擁有某些獨有的性能優(yōu)勢。部分領(lǐng)先型號擁有任何波形發(fā)生平臺中最優(yōu)秀的頻率捷變性，即能夠在不同頻率之間平滑切換，而不會在信號中產(chǎn)生不連續(xù)點。
表1 概括了AFG 平臺和AWG 平臺的時鐘和內(nèi)存特點。
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深入細節(jié)
為更好地比較AWG和AFG結(jié)構(gòu)，我們將進行簡單的“案例分析”。我們將考察這兩個平臺處理定義輸出波形的樣點的方式?！?br />
這一比較涉及三種儀器：最大取樣速率1 GS/s的AFG；最大取樣速率1 GS/s的AWG #1；最大取樣速率2 GS/s 的AWG #2。
我們的目標(biāo)是在3 MHz - 20 MHz 的頻率范圍內(nèi)生成一個正弦波。這兩臺AWG和AFG都在100點的取樣內(nèi)存中裝有一個正弦波周期。圖3顯示了這三個平臺的特點怎樣影響其任務(wù)處理方式。
這三種工具都以1 GS/s 的取樣速率讀取100 個點，生成10 MHz 正弦波(圖3 中的中間行):
圖3. T 管理輸出信號頻率的三種方法。
AFG 的DDS 單元收到命令，在輸出上提供10 MHz，它計算出1 GS/s 時鐘每擺動一下增加1 個點。它接觸到100 個樣點中的每個點。
兩個AWG中的時鐘都被手動設(shè)置為1 GS/s，它們也讀取100 個點，生成10 MHz 波形。
在把輸出頻率設(shè)為3 MHz (底部行)，其方法出現(xiàn)分歧：
AFG 的時鐘仍以1 GS/s 的固定速率運行。但現(xiàn)在，DDS把增量自動設(shè)成時鐘每擺動一下0.3個點；也就是說，各個數(shù)據(jù)點重復(fù)三次或四次。
兩個AWG中的時鐘頻率必須手動降到300 MS/s。時鐘現(xiàn)在更慢地讀過樣點，生成3 MHz 的輸出頻率。
現(xiàn)在，輸出頻率必須提高到20 MHz。這三個平臺以不同方式迎接這一挑戰(zhàn)：
AFG 的DDS 單元把取樣增量設(shè)為兩個樣點。它每隔一個樣點讀取一個樣點，共使用50個點定義波形。其長度只是讀取100個點的一半。結(jié)果是一個20 MHz輸出信號。
與所有AWG 在任何頻率設(shè)置上一樣，AWG #1 時鐘每擺動一下讀取一個樣點。但是，由于其最大取樣速率是1 GS/s，因此它不能在50 ns 的20 MHz 正弦波周期中讀取100個點。因此，必須通過用戶故意干預(yù)，把存儲的波形圖像下降到總共50 個點。結(jié)果是一個20 MHz 輸出信號。
它提供了多種軟件工具，在要求時幫助用戶編輯樣點數(shù)量，某些儀器為此提供了內(nèi)置功能。在使用外部工具時，必須把修改后的波形重裝到AWG 中。
AWG #2時鐘每擺動一次讀取一個樣點，但時鐘速率翻了一倍，提高到2 GS/s。儀器讀取100 點內(nèi)存的速度提高了一倍。結(jié)果是一個20 MHz 輸出信號。
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乍一看，似乎AWG #1限于與AFG相同的波形分辨率，但有一個關(guān)鍵區(qū)別。在20 MHz的輸出頻率上，AWG讀取正弦波中50 個點的每個點。AFG 跳過樣點。
圖4. AFG 跳過樣點，提高其輸出頻率。在某些頻率上，可以忽略各個信號細節(jié)。
AWG讀取每個點(紅色或黑色)，而不管輸出頻率的設(shè)置是多少。如果輸出頻率設(shè)為10 MHz，AWG 讀取25 個點。如果設(shè)為20 MHz，AWG仍讀取25個點。如果AWG內(nèi)部的最大時鐘速率沒有足夠高，通過讀取所有樣點來生成希望的頻率，那么可以降低點數(shù)。假設(shè)用戶在削減AWG 的樣點數(shù)量時保留希望的波形特點，儀器將在每個周期中可靠地提供一個毛刺。
現(xiàn)在看一下AFG。如果輸出頻率設(shè)為10 MHz，它讀取每個點。如果設(shè)為20 MHz，它會每隔第二個點讀取一個點。這些DDS 點用紅色顯示。注意，AFG 完全繞過毛刺。它剛好跳過定義跌落的那個樣點。波形輸出為一個清楚的正弦波。被測器件沒有收到畸變。
包括畸變的信號
圖4是嚴(yán)格的“教科書”實例。根據(jù)涉及的算法和頻率，DDS 將選擇要跳過的不同點，因此紅色樣點和黑色樣點之間的二分法并不適用于任何情況。圖5和圖6是實際屏幕圖，它們突出顯示了兩種取樣和波形重建結(jié)構(gòu)的差別。
生成偽隨機碼流(PRBS)碼型
在使用基于DDS的AFG及固定取樣速率生成偽隨機碼流(PRBS)碼型時，抖動是一個問題。簡單地說，AFG一般對快速變化的脈沖上升沿和下降沿應(yīng)用相當(dāng)于抖動的一個相同周期*3。例如，如果AFG的取樣速率是250MS/s，那么信號邊沿上將出現(xiàn)4 ns 的抖動。抖動值與AFG 的取樣周期相同。
之所以出現(xiàn)抖動，是因為AFG擁有固定的取樣速率，其不是數(shù)據(jù)速率的倍數(shù)。AWG則沒有這種限制(盡管任何實際環(huán)境信號源都會產(chǎn)生某些抖動)。
優(yōu)點/ 缺點
工具的最終選擇總是取決于應(yīng)用。用戶總是面臨著“好大喜功”的問題，這在取樣速率和內(nèi)存深度中意味著最大的數(shù)字。而聰明的用戶則會根據(jù)應(yīng)用的實際信號要求來作出選擇。
例如，某些中檔AFG 提供了1 GS/s 的取樣速率，某些同類AWG 則只提供了600 MS/s 的取樣速率。但當(dāng)應(yīng)用要求在廣泛的頻率范圍上可靠地提供小信號細節(jié)時，最好選擇AWG，因為AWG 讀取存儲的波形上的每個樣點，可以保證準(zhǔn)確地復(fù)現(xiàn)瞬變、邊沿上升時間、甚至噪聲效應(yīng)。
此外，AWG 還適合為低抖動數(shù)字波形提供信號，如偽隨機碼流(PRBS)。這使其成為許多串行總線測試應(yīng)用的最佳解決方案。
AWG 不可避免也有一些缺點。如前面所述的AWG#1，編輯樣點數(shù)、以提高輸出頻率不象AFG改變一個設(shè)置、進而改變頻率那樣方便。
由于AWG結(jié)構(gòu)在所有通道中依賴一個可變主時鐘，因此在多條通道中同時生成不同頻率要求在每條通道后面存儲一個不同的波形文件。
例如，如果需要從通道1 中生成一個10 MHz 正弦波，同時從通道2 中生成一個20 MHz 正弦波，那么通道2的波形內(nèi)存必須加載兩個周期。所以，在時鐘步進通過內(nèi)存時，對通道1 中的每一個周期，通道2 中會出現(xiàn)兩個周期，使輸出頻率翻一番。當(dāng)不同頻率不是基本頻率的倍數(shù)時，這一過程會變得更加復(fù)雜。
AFG提供了一套不同的優(yōu)勢。其相噪指標(biāo)和頻率捷變一般要優(yōu)于AWG。在某些領(lǐng)先的AFG 型號中，每條通道中的DDS單元獨立操縱主時鐘，從而可以簡便地一次提供多個頻率。此外，AFG通常是各種選項中最經(jīng)濟的解決方案。任意函數(shù)發(fā)生器已經(jīng)成為通用信號源的支柱。
AFG不太適合要求低抖動和非常窄的瞬變的應(yīng)用。該平臺不適合PRBS應(yīng)用，因為其輸出波形本身的抖動較高，會導(dǎo)致DUT接收單元發(fā)出錯誤響應(yīng)。對要求可預(yù)測的信號失真的極限測試，AFG跳過樣點的技術(shù)會在某些頻率上產(chǎn)生誤導(dǎo)結(jié)果。
總結(jié)
通常情況下，選擇AFG還是AWG 主要是取決于哪種方法最適合具體應(yīng)用：
- 在應(yīng)用要求干凈規(guī)則的波形時，或要求從一個頻率到另一個頻率快速切換，或在多條通道中必須同時提供不同頻率時，應(yīng)選擇AFG。
- 對最復(fù)雜的信號應(yīng)選擇AWG，如PRBS 流、調(diào)制的RF 信號等等。當(dāng)信號源必須在提供的每個頻率上在每個工作周期中可靠地生成畸變、受控抖動和噪聲時，更適合采用AWG。
