基于DDS的任意波形/ 函数发生器之间的差别

在电子测试和测量中，经常要求信号源，生成只有在外部提供时才会有的信号。信号源可以提供“已知良好”的信号，或者在其提供的信号中添加可重复的数量和类型已知的失真（或误码）。这是信号源最大的特点之一，因为仅使用电路本身，通常不可能恰好在需要的时间和地点创建可预测的失真。从设计检验到检定，从极限和余量测试到一致性测试，信号源可以用于数百种应用。

因此，有多种信号源结构可供选择也就不足为奇了，而每种结构都有各自的优点、功能和经济性，适用于特定的用途。在本文中，我们将比较两种信号发生结构：一种用于任意波形/ 函数发生器中，一种用于任意波形发生器中。选择结果在很大程度上取决于应用。

了解信号发生方法

任意波形/ 函数发生器（AFG）通过读取内存的内容，来同时创建函数波形和任意波形。大多数现代AFG 采用直接信号合成（DDS）技术，在广泛的频率范围上提供信号。

任意波形发生器（AWG）基于真正可变时钟结构（通常称为“ 真正的arbs*1”），适用于在所有频率上生成比较复杂的波形。AWG 也读取内存的内容，但其读取方式不同（后面进行了介绍）。处理先进通信和计算单元的设计人员选择AWG，驱动采用复杂调制和带有异常事件的高速信号。结果，AWG 占据了研究、开发和工程应用的最高层。

这两种结构在波形生成方法上有着很大差异。本技术简

介讨论了基于可变时钟的任意波形发生器和基于DDS的任意波形/ 函数发生器之间的差别。

透过前面板：比较两个平台

AWG：概念简单，灵活性最大

尽管AWG 在这两种结构中更加灵活，但AWG 的底层波形生成技术非常简明。AWG的播放方案可以视为“反向取样”。

这是什么意思呢？看一下信号取样平台-- 示波器，它通过在连续时点上数字化模拟信号的电压值，来采集波形，其取样频率取决于用户选择的时钟速率。得到的样点存储在内存中。

AWG的流程相反。AWG开始时波形已经在内存中。波形占用指定数量的内存位置。在每个时钟周期中，仪器从内存中输出另一个波形样点。由于代表波形的样点数量是固定的，因此时钟速率越快，读取内存中波形数据点的速度越快，输出频率越高。换句话说，输出信号频率完全取决于时钟频率和内存中的波形样点数量*2。图1 中简化的方框图概括了AWG 结构。

AWG 的灵活性源自其内存中存储的波形。波形可以采取任何形状；它可以有任意数量的畸变，或根本没有畸变。在基于PC 的工具的帮助下，用户可以开发人们想得到的几乎任何波形（在物理限制内！）。可以在仪器能够生成的任何时钟频率上，从内存中读取样点。不管时钟是以1 MHz运行还是以1 GHz运行，波形的形状相同。

*1 工程师通常使用“arb” 来指任何类型的任意波形发生器。

*2 当然任何AWG 型号都有最大内存容量。波形占用的深度可能要小于全部容量。

AFG 在高频中采取高效的快捷方式

AFG也使用存储的波形，作为输出信号的基础。其样点读数中涉及时钟信号，但结果类似。

AFG 的时钟以某个固定速率运行。由于波形样点的数量在内存中也是固定的，因此AFG 怎样才能在变动频率上提供波形呢？例如，想象一下您正在使用一部AFG，它存储由1000 个样点组成的波形，以1 MHz 的固定速率输出。输出信号的周期将恰好固定在1 ms （1kHz）。很明显，单频信号源在大多数应用中用途有限。因此，DDS 技术提供了一个解决方案。基于DDS的仪器不读取每个样点，而是读取不到1000 个样点，来重建波形。

图2 是典型的简化的AFG 结构，其中包括DDS 段。输出信号由时钟、代表相位值的存储的二进制数字及波形内存的内容构成。

如前所述，AFG保持固定的系统时钟频率。360度时钟周期分布在所有波形样点中，DDS 段根据波形长度及用户选择的频率自动确定相位增量。

高频设置会导致大的相位增量，使AFG 在通过360 度周期时迅速向前跳，提供高频信号。低频值导致小的增量，触发相位累加器以较低的步长步进通过波形样点，

甚至会重复各个样点，构成360度，生成频率较低的波形。

这一决策背后的数学运算超出了本文的讨论范畴。可以这样讲，AFG根据自己的内部算法跳过选择的波形数据点。由于相位增量方法，它并不是在每个周期中一直跳过相同的样点数。AFG为生成变化的波形和频率提供了一种快捷方式，但最终用户不能控制跳过哪些数据点。

这必然对输出波形保真度造成一定的影响。具有连续形状的波形（正弦、三角形等等）通常不是问题，但可能会影响当前数字环境中常见的带有快速转换的信号，如脉冲和瞬变。例如，假设在新的电信交换机元件上进行极限测试。测试波形是一串二进制脉冲，其中一个脉冲在上升沿上有一个瞬变。在某些频率上，DDS相位增量可能会刚好跳过瞬变，而不会作为信号的一部分在时钟中输出瞬变。对被测器件（DUT），信号类似于没有干扰的脉冲流，由于缺少任何实际“极限”，这种极限测试是无效的。

表1. AFG 与AWG 取样特点比较

AFG结构的实现成本要低于全功能AWG工具集。结果，它非常经济，可以供各个工程师和科研人员使用。此外，AFG拥有某些独有的性能优势。部分领先型号拥有任何波形发生平台中最优秀的频率捷变性，即能够在不同频率之间平滑切换，而不会在信号中产生不连续点。

表1 概括了AFG 平台和AWG 平台的时钟和内存特点。

深入细节

为更好地比较AWG和AFG结构，我们将进行简单的“案例分析”。我们将考察这两个平台处理定义输出波形的样点的方式。

这一比较涉及三种仪器：最大取样速率1 GS/s的AFG；最大取样速率1 GS/s的AWG #1；最大取样速率2 GS/s 的AWG #2。

我们的目标是在3 MHz - 20 MHz 的频率范围内生成一个正弦波。这两台AWG和AFG都在100点的取样内存中装有一个正弦波周期。图3显示了这三个平台的特点怎样影响其任务处理方式。

这三种工具都以1 GS/s 的取样速率读取100 个点，生成10 MHz 正弦波（图3 中的中间行）：

图3. T 管理输出信号频率的三种方法。

AFG 的DDS 单元收到命令，在输出上提供10 MHz，它计算出1 GS/s 时钟每摆动一下增加1 个点。它接触到100 个样点中的每个点。

两个AWG中的时钟都被手动设置为1 GS/s，它们也读取100 个点，生成10 MHz 波形。

在把输出频率设为3 MHz （底部行），其方法出现分歧：

AFG 的时钟仍以1 GS/s 的固定速率运行。但现在，DDS把增量自动设成时钟每摆动一下0.3个点；也就是说，各个数据点重复三次或四次。

两个AWG中的时钟频率必须手动降到300 MS/s。时

钟现在更慢地读过样点，生成3 MHz 的输出频率。

现在，输出频率必须提高到20 MHz。这三个平台以不同方式迎接这一挑战：

AFG 的DDS 单元把取样增量设为两个样点。它每隔一个样点读取一个样点，共使用50个点定义波形。其长度只是读取100个点的一半。结果是一个20 MHz输出信号。

与所有AWG 在任何频率设置上一样，AWG #1 时钟每摆动一下读取一个样点。但是，由于其最大取样速率是1 GS/s，因此它不能在50 ns 的20 MHz 正弦波周期中读取100个点。因此，必须通过用户故意干预，把存储的波形图像下降到总共50 个点。结果是一个20 MHz 输出信号。