混合信号发生器的性能是什么

　　混合信号发生器的性能是什么呢? 今天一起来了解一下吧

　　性能指标和考虑因素

　　下面是部分参数定义，这些参数描述了混合信号发生器的性能。您会看到各种手册、参考书籍、教程及介绍信号发生器或应用的任何地方都在使用这些术语。

　　存储深度 ( 记录长度 )

　　存储深度或记录长度与时钟频率一起使用。存储深度决定着可以存储的最大样点数量。每个波形样点占用一个存储器位置。每个位置等于当前时钟频率下采样间隔的时间。例如，如果时钟以 100 MHz 运行，那么存储的样点间隔是 10 ns。

　　在许多频率上，存储深度在信号保真度中发挥着重要作用，因为它决定着可以存储多少个数据点来定义一个波形。特别是在复杂波形中，存储深度对精确复现信号细节至关重要。提高存储深度的好处可以概括如下：

　　可以存储更多周期的希望波形，存储深度与信号发生器的排序功能相结合，允许仪器灵活地把不同波形联接起来，创建无穷多个循环、码型等等。

　　可以存储更多的波形细节。复杂的波形在脉冲边沿和瞬态信号中可能有高频信息。很难内插这些快速瞬态信号。为真实地复现复杂的信号，可以使用提供的波形存储器容量，存储更多的瞬态信号和波形， 而不是更多的信号周期。

　　高性能混合信号发生器提供了深存储深度和高采样率。这些仪器可以存储和复现复杂的波形，如伪随机码流。类似的，具有深存储器的这些快速信号发生器可以生成非常简单的数字脉冲和瞬态信号。

　　图 1. 通过充足的存储深度，任意信号发生器可以复现异常复杂的波形。

　　采样 ( 时钟 ) 速率

　　采样率通常用每秒兆样点或千兆样点表示，表明了仪器可以运行的最大时钟或采样率。采样率影响着主要输出信号的频率和保真度。内奎斯特采样定理规定，采样频率或时钟速率必须至少是生成的信号中最高频谱成分的两倍，以保证精确地复现信号。例如，为生成 1 MHz 的正弦波信号，必需以 2 M 样点 / 秒 (MS/s) 的频率生成样点。尽管这一定理通常只是作为采集指导准则使用，但与示波器一样，其与信号发生器的相关性非常明确：存储的波形必须有足够的点数，以真实地重现希望的信号细节。

　　信号发生器可以获得这些样点，然后以规定极限范围内任何频率从存储器中读出这些样点。如果存储的样点集符合内奎斯特定理，并描述了一个正弦波，那么信号发生器将相应地滤波波形，输出一个正弦波。

　　计算信号发生器可以生成的波形频率需要对一些简单的公式求解，以存储器中存储了一个波形周期的仪器为例：

　　假设 100 MS/s 的时钟频率和存储深度或记录长度， 共 4000 个样点，那么：

　　F 输出= 时钟频率 ÷ 存储深度

　　F 输出=100,000,000 ÷ 4000

　　F 输出 = 25,000 Hz ( 或 25 kHz)

　　图 2 说明了这一概念。

　　在规定的时钟频率上，样点距离约为 10ns。这是波形的时间分辨率( 水平 )。一定不要把这个概念与幅度分辨率 ( 垂直 ) 弄混了。

　　为进一步推进这一流程，我们假设样点 RAM 包含的不是一个波形周期，而是包含四个波形周期：

　　F 输出= (时钟频率 ÷ 存储深度 ) x ( 存储器中的周期数量 )

　　F 输出 = (100,000,000 ÷ 4000) x (4)

　　F 输出=(25,000Hz) x (4)

　　F 输出=100,000 Hz

　　新的频率是 100 kHz。图 23 说明了这一概念。

　　在本例中，时间分辨率仍为 10 ns，但每个波形周期

　　只用 1000 个样点表示，产生的信号保真度要更低。

　　图 2. 在 100 MHz 的时钟频率时，一个 4000 点的波形作为 25 kHz 的输出信号传送。

　　图 3. 通过使用四个存储的波形和一个 100 MHz 时钟，生成了一个 100 kHz 信号。

　　图 4. 充足的带宽保证不会漏掉任何信号细节。

　　带宽

　　仪器的带宽是一种模拟术语，它与采样率无关。信号发生器输出电路的模拟带宽必须足以处理其采样率将支持的最大频率。换句话说，必须有足够的带宽，能够传送从存储器中输出时钟的最高频率和转换时间，而不会劣化信号特点。在图 4 中，示波器显示屏揭示了充足带宽的重要性。最上面的轨迹显示了高带宽信号发生器完善的上升时间，其它轨迹则显示了由于输出电路设计较差而导致的劣化效果。

　　垂直 ( 幅度 ) 分辨率

　　在混合信号发生器中，垂直分辨率与仪器 DAC 的二进制字长度( 单位为位) 有关，位越多，分辨率越高。DAC 的垂直分辨率决定着复现的波形的幅度精度和失真。分辨率不足的 DAC 会导致量化误差，导致波形生成不理想。

　　图 5. ( 上 ) 垂直分辨率低;( 下 ) 垂直分辨率高。垂直分辨率决定着复现的波形的幅度精度。

　　尽管越高越好，但在 AWG 中，频率较高的仪器的分辨率 (8 位或 10 位 ) 通常要低于 12 位或 14 位的通用仪器。10 位分辨率的AWG 提供了 1024 个样点电平， 分布在仪器的整个电压范围内。例如，如果这个 10 位AWG 的总电压范围为 2 Vp-p，那么每个样点表示大约 2 mV 的步进，这是仪器在没有额外衰减器的情况下可以提供的最小增量，其中假设它不受结构中其它因素的限制，如输出放大器增益和偏置。

　　水平 ( 定时 ) 分辨率

　　水平分辨率表示创建波形可以使用的最小时间增量。一般来说，这个指标使用下面的公式计算得出的。

　　T =1/F

　　其中 T 是定时分辨率，单位为秒;F 是采样频率。

　　根据这一定义，最大时钟速率是 100 MHz 的信号发生器的定时分辨率是 10 ns。换句话说，这一混合信号发生器输出波形的特点是由一串相距 10 ns 的步进确定的。某些仪器提供了工具，明显扩展了输出波形的有效定时分辨率。尽管其没有提高仪器的基本分辨率，但这些工具对波形应用变化，复现以皮秒增量移动边沿时的影响。

　　图 6. ( 上 ) 水平分辨率低 ;( 下 ) 水平分辨率高。水平或定时分辨率是指边沿、周期时间或脉宽可以变动的最小时间增量

　　图7.多条输出通道

　　图8.标记输出

　　输出通道数量

　　许多应用要求信号发生器有一条以上的输出通道。例如，测试汽车防抱死制动系统要求四个激励信号 ( 原因很明显 )。生物物理研究应用要求多个信号发生器， 模拟人体产生的各种电信号。复杂的 IQ调制电信器件在两个相位中每个相位都要求一个单独的信号。

　　为满足这些需求，已经出现了各种 AWG 输出通道配置。某些 AWG 可以提供最多四条独立的全带宽模拟激励信号通道。其它AWG 则提供最多两个模拟输出， 并辅以最多 16 个高速数字输出用于混合信号测试。通过后一类工具，用户可以只使用一台综合仪器，同时测试器件的模拟、数据和地址总线。

　　数字输出

　　某些 AWG 包括单独的数字输出。这些输出分成两类：标记输出和并行数据输出。

　　图 9. 并行数字输出。

　　标记输出提供了与信号发生器主模拟输出信号同步的二进制信号。一般来说，标记可以输出与特定波形存储器位置 ( 样点 ) 同步的一个脉冲 ( 或多个脉冲 )。可以使用标记脉冲，对同时从混合信号发生器接收模拟激励信号的 DUT，同步其数字部分。同样重要的是，标记可以在 DUT 的输出一侧触发采集仪器。标记输出一般从独立于主波形存储器的存储器中驱动。

　　并行数字输出从与信号发生器主模拟输出相同的存储器中获得数字数据。在特定波形样点值出现在模拟输出上时，并行数字输出上会提供同等的数字值。在测试数模转换器时，这些数字信息可以随时作为比较数据使用。数字输出也可以独立于模拟输出编程。

　　滤波

　　一旦确定了基本波形，那么可以使用其它操作，如滤波和排序，分别改变或扩展波形。滤波可以从信号中去掉选择的频段成分。例如，在测试模数转换器 (ADC) 时，必需保证来自信号发生器的模拟输入信号的频率不会高于转换器一半的时钟频率。这可以防止 DUT 输出中出现不想要的假信号失真，否则会影响测试结果。假信号是指在感兴趣的频率范围内插入失真后的转换产物。没有假信号的 DUT是不能产生有意义的测量结果的。

　　消除这些频率的一种可靠方式是对波形应用陡峭的低通滤波器，允许指定点之下的频率通过，明显衰减截止频率之上的频率。还可以使用滤波器，整形方波和三角波之类的波形。有时候通过这种方式改变现有波形要比创建新波形简单。过去，工程师必需使用信号发生器和外部滤波器，才能实现这些结果。幸运的是， 当前许多高性能信号发生器具有可以控制的内置滤波器。

　　图 10. 滤波前和滤波后。参考 1 ( 上 ) 波形是没有滤波的锯齿波形，通道 1 ( 下 ) 波形是滤波后的锯齿波形。

　　排序

　　通常情况下，必需创建长波形文件，以全面对 DUT 执行测试。在重复波形部分时，波形排序功能可以节约大量繁琐的、存储器密集型波形编程工作。排序功能可以在仪器存储器中存储数量庞大的“虚拟”波形 周期。波形排序器借用了计算机领域的命令，如循环、跳跃等等。这些指令位于与波形存储器不同的序列存储器中，可以重复指定的波形存储器段。程控重复计数器、外部事件分支和其它控制机制决定着运行周期数量及其发生的顺序。通过序列控制器，可以生成长度几乎没有限制的波形。

　　举一个非常简单的例子，想象下一个 4000 点存储器有一个干净的脉冲，这个脉冲占了一半的存储器(2000 点 );另外一个失真的脉冲则占了另一半存储器。如果我们仅限于基本重复存储器内容，那么信号发生器会一直顺序重复两个脉冲，直到接到命令停止。而波形排序功能则改变了这一切。

　　假设您希望失真的脉冲在每隔 511 个周期后连续出现两次。您可以编写一个序列，重复干净的脉冲 511次， 然后跳到失真的脉冲，重复两次，然后再回到循环开头，再次执行各个步骤。图 12 说明了这一概念。

　　循环重复可以设成无穷大、指定值、或通过事件输入进行控制。我们已经讨论过存储的波形周期数与得到的定时分辨率之间成反比，排序功能则可以大大改善灵活性，而不会损害各个波形的分辨率。

　　这里要注意，被排序的任何波形段的相位和幅度必须从一个段的最后一个样点正确跳变到下个段的第一个样点。在 DAC 试图突然变成新值时，这个跳变中的任何问题都会导致不想要的毛刺。

　　图 11. 可以使用循环和重复扩展 AWG 的波形存储器容量。

　　尽管这个例子是非常基本的例子，但它代表着检测不规则的码型相关误差所需的一种功能。一个例子是通信电路中的码间干扰。在一个周期中的信号状态影响到后续周期中的信号，使其失真、甚至会改变其值时， 会发生码间干扰。通过波形排序功能，可以使用信号发生器作为激励装置运行长期极限测试，时间可以扩展到几天、甚至几周。

　　集成编辑器

　　假设您需要一串波形段，它们拥有相同的形状，但在波形串推进时幅度不同。为创建这些幅度变化，您可能要使用脱机波形编辑器，重新计算波形或重新画出波形。但这两种方法都不必要地耗费大量的时间。更好的方法是使用能够同时在时间和幅度上改变波形的集成编辑工具。

　　当前的混合信号发生器提供了多种编辑工具，简化了波形创建任务：

　　图形编辑器 - 这个工具可以构建和查看波形表示;然后可以汇编及把得到的数据点存储在波形存储器中。

　　序列编辑器 - 这个编辑器包含计算机类编程指令( 跳跃 , 循环等 )，这些指令在序列中指定的存储波形上操作。

　　图 12. 图形编辑器和序列编辑器相结合，灵活地创建波形。

　　数据导入功能

　　数据导入功能可以使用在信号发生器外面创建的波形文件。

　　例如，可以通过 GPIB 或以太网把现代数字存储示波器捕获的波形简便地传送到混合信号发生器中。这一操作对使用“黄金标准器件”的参考信号测试该器件 所有后续生成副本的测试方法至关重要。可以使用仪器的编辑工具处理信号，就象存储的任何其它波形一样。

　　模拟器和其它电子设计自动化 (EDA) 工具是另一种有用的波形来源。由于能够引入、存储和重建EDA 数据， 信号发生器可以加快早期设计原型的开发速度。

　　图 14. 数据导入功能。

　　设置 AWG 的最后一步是在必要的地方汇编文件 ( 与来自公式编辑器的文件一样 )，把汇编后的文件存储在硬盘上。“Load”( 加载 ) 操作把波形放入AWG 的动态存储器中，然后复用并发送到 DAC，然后以模拟形式输出。

　　这些是在 AWG 上生成波形的基本步骤。如前所述， 波形文件可以使用单独的序列编辑器级联到序列中， 生成长度几乎没有限制及任何复杂度的信号流。

　　创建复杂的波形

　　当前工程设计生命周期的加快实现了更快的产品开发周期，尽可能简便高效地使用实际环境信号和特点测试设计至关重要。为生成这些实际环境信号，必须先创建这些信号。在历史上，创建这些波形一直是一个挑战，提高了被设计或被测试的产品的开发周期。通过通用软件工具( 如 ArbExpress) 或特定应用工具( 如SerialExpress® 和 RFXpressTM)， 可以简便地创建和编辑复杂的波形。