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如何為應(yīng)用選擇合適的信號源

發(fā)布時間:2011-06-03

中心議題:

  • 如何為應(yīng)用選擇合適的信號源
  • 任意波形發(fā)生器
  • 函數(shù)發(fā)生器
  • 典型的DDS函數(shù)發(fā)生器

 

在各行各業(yè)的測試應(yīng)用中,信號源扮演著極為重要的作用。但信號源具有許多不同的類型,不同類型的信號源在功能和特性上各不相同,分別適用于許多不同的應(yīng)用,詳見表1 。如何為應(yīng)用選擇適當(dāng)?shù)男盘栐?,將為測試工程師提出挑戰(zhàn)。目前,最常見的信號源類型包括任意波形發(fā)生器,函數(shù)發(fā)生器,RF信號源,以及基本的模擬輸出模塊。

任意波形發(fā)生器

任意波形發(fā)生器(AWG)通常提供較深的存儲器,較大的動態(tài)范圍以及較寬的帶寬,來滿足各式各樣的應(yīng)用,包括通信、半導(dǎo)體和系統(tǒng)測試。AWG接收來自PC的用戶自定義數(shù)據(jù),并利用這些數(shù)據(jù)來生成任意波形。AWG用戶可以將想要產(chǎn)生的一系列波形下載到儀器所帶的存儲器中。通常,可以存儲實際的波形和形成這些波形所需的波形序列指令。

現(xiàn)在請看一下AWG的基本架構(gòu)。要從AWG上產(chǎn)生一種波形,必須先創(chuàng)建任意波形本身。像模擬波形編輯器,調(diào)制工具,以及國家儀器公司(NI)的 LabVIEW這類的軟件工具都能夠簡化這些波形的創(chuàng)建。這些波形和其波形序列指令都存在儀器所帶的RAM中。

波形生成序列通常從TTL硬件觸發(fā)器開始。各種波形由許多單個的樣本構(gòu)成,而生成采樣率由儀器的采樣時鐘確定。從內(nèi)部采樣時鐘時基(100 MHz VCXO)中導(dǎo)出采樣時鐘有幾種不同模式,包括DDS定時Div/N時鐘,以及幾種提供不同外部時鐘的模式。另外,對于用于儀器的鎖相環(huán)的頻率基準(zhǔn),也有幾種不同的選擇。

波形通過存儲器到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC),數(shù)模轉(zhuǎn)換器將數(shù)字采樣樣本轉(zhuǎn)換成所需的模擬輸出波形。在DAC之前,樣本被數(shù)字濾波,而經(jīng)過DAC之后,模擬輸出又通過一個模擬濾波器。這些數(shù)字和模擬濾波器通過插值來增加采樣率,并通過諧波低通濾波器濾除寄生信號,從而極大地改進了信號的質(zhì)量。通常,這些濾波器都能夠軟件編程。
                           圖1
                                      圖 1:任意波形發(fā)生器的基本架構(gòu)。

AWG允許用戶規(guī)定波形片斷,并通過重復(fù)來構(gòu)建復(fù)雜波形。由于AWG將波形存儲在自身存儲器中,故波形長度受限。波形循環(huán)幫助產(chǎn)生具有多次重復(fù)的子段的信號。對波形段進行循環(huán)改善了存儲效率,并增加了波形的持續(xù)時間。

AWG還可以規(guī)定波形中不同的級,每級都可以包括不同的波形段和不同的循環(huán)次數(shù)。AWG依次產(chǎn)生每一個定義的波形段。通過組合先后順序和循環(huán)次數(shù),就能夠利用很小的存儲器容量來構(gòu)建非常復(fù)雜的波形。AWG可以為每段指定不同的波形片段,不過不同段之間的過渡點上的相位不一定是連續(xù)的。

最后,許多AWG都具有一個仿函數(shù)發(fā)生器功能。此時,當(dāng)要求輸出一個標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)波形時,可以先用軟件來產(chǎn)生,并下載到AWG上,然后再由AWG輸出。這就不同于下面將要介紹的全DDS技術(shù)。

函數(shù)發(fā)生器

函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生固定波形,如正弦波、方波或三角波,頻率可調(diào)節(jié)。函數(shù)發(fā)生器無需來自計算機或大容量存儲緩沖器的連續(xù)輸入,因為設(shè)備本身能夠產(chǎn)生這些波形。

函數(shù)發(fā)生器可以基于模擬技術(shù),也可以基于數(shù)字技術(shù)。模擬函數(shù)發(fā)生器利用模擬硬件來產(chǎn)生簡單的函數(shù),并在需要指定頻率的靜態(tài)正弦波或方波時經(jīng)常使用。而數(shù)字函數(shù)發(fā)生器采用直接數(shù)字綜合(DDS),DAC,數(shù)字信號處理,以及一個單周期存儲緩沖器來產(chǎn)生信號。DDS技術(shù)依賴數(shù)字控制的方法,利用單基準(zhǔn)時鐘頻率來實現(xiàn)一個模擬頻率源。DDS能夠?qū)崿F(xiàn)高精度和高分辨率,高溫度穩(wěn)定度,高寬帶,以及隨機的和相位連續(xù)的頻率切換。

許多信號源通過對一個內(nèi)部時基進行整數(shù)分頻來產(chǎn)生時鐘信號,這被稱為除N方法。但是,用除N方法來產(chǎn)生時鐘,只能產(chǎn)生有限的時鐘頻率。AWG,甚至幾個時鐘頻率產(chǎn)生器,可以采用DDS技術(shù)來產(chǎn)生具有非常精細(xì)的更新頻率時鐘信號,而這是除N方法無法實現(xiàn)的。

典型的DDS函數(shù)發(fā)生器

一個完整周期的函數(shù)波形被存儲在上面所示的存儲器查找表中。相位累加器跟蹤輸出函數(shù)的電流相位。為了輸出一個非常低的頻率,采樣樣本之間的差相位 (Δ)將非常小。例如,一個很慢的正弦波可能將有1度的Δ相位。則波形的0號采樣樣本采得0度時刻的正弦波的幅度,而波形的1號采樣將采得1度時刻的正弦波的幅度,依次類推。經(jīng)過360次采樣后,將輸出正弦曲線的全部360度,或者確切地說是一個周期。一個較快的正弦波可能會有10度的Δ相位。于是,36 次采樣就會輸出正弦波的一個周期。如果采樣率保持恒定,上述較慢的正弦波的頻率將比較快的正弦波慢10倍。[page]
                           圖 2:典型DDS函數(shù)發(fā)生器的架構(gòu)方框圖。
                                     圖 2:典型DDS函數(shù)發(fā)生器的架構(gòu)方框圖。

進一步說,一個恒定的Δ相位必將導(dǎo)致一個恒定正弦波頻率的輸出。但是,DDS技術(shù)允許通過一個頻率表迅速地改變信號的Δ相位。函數(shù)發(fā)生器能夠指定一個頻率表,該表包括由波形頻率和持續(xù)時間信息組成的各個段。函數(shù)發(fā)生器按順序產(chǎn)生每個定義的頻率段。通過生成一個頻率表,可以構(gòu)建復(fù)雜的頻率掃描信號和頻率跳變信號。DDS允許函數(shù)發(fā)生器的相位從一級到另一級連續(xù)變化。

矢量信號發(fā)生器提供高靈活度和強大的解決方案,可用于科學(xué)研究,通信,消費電子,宇航/國防,半導(dǎo)體測試以及一些新興領(lǐng)域,如軟件無線電,無線電頻率識別(RFID),以及無線傳感網(wǎng)絡(luò)等。
                表1:各類信號源的特性和功能比較一覽表。
                              表1:各類信號源的特性和功能比較一覽表。

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