任意波形信号源：自由生成复杂信号

1.任意波形信号源的组成原理

在实际测量工作中，除了采用一些规则的信号，如正弦波、三角波、方波等波形外，有时还需要一些不规则的复杂波形信号。自然界内有很多无规律的现象，例如雷电、地震、爆破及振动等现象都是无规律的，甚至一去不复返。为了研究这些问题，就要模拟这些现象的产生。一般的信号源只能提供单一的正弦波或脉冲波，而多波形的函数发生器也只能提供几种规则波形，不可能提供这类极不规则的波形，甚至是任意波形。

直接数字频率合成技术有一个很重要的特点，它可以产生任意波形，并由此产生了一个新的仪器门类：任意波形发生器（AWG）或任意函数发生器（AFG）。这类仪器能为各种特殊应用提供传统仪器难以产生的任意形状的复杂波形。

从上述直接数字频率合成的原理可知，其输出波形取决于波形存储器存放的数据。因此，只需将要产生的任意波形数据存入存储器（RAM）中即可产生所需要的任意波形。基于DDS原理的任意波形信号源的组成框图如图9-40所示。它由波形合成部分和波形输出部分组成。

图9-40 任意波形信号源的组成框图

任意波形信号源又称为函数/任意波形发生器。它可产生许多标准的函数波形，有正弦波、方波、锯齿波、脉冲波、三角波、高斯波、噪声、直流、指数上升与下降波、sinc波、心电波等；也可由用户自己产生任意波形。

2.任意波形的产生方法

任意波形信号源的核心是RAM中的波形数据，首先需要把产生的波形数据装入RAM之中，即可产生相应的信号波形。装入波形数据的方法有：

（1）表格作图法

将波形画在小方格纸上，纵坐标按幅度相对值进行二进制数量化，横坐标按时间间隔编制地址，然后制成对应的数据表格，按序放入RAM中。对常用的标准波形，可将数据固化于ROM或存入非易失性RAM中，以便反复使用。

若用计算机配有的电子绘图板、手写板等工具，直接绘出所需波形存入波形存储器中则更加方便。

（2）用数学表达式

对能用数学方程描述的波形，先将其方程（算法）存入计算机中，在使用时，再输入方程中的有关参量，计算机经过运算后提供波形数据；也可用多个表达式分段链接成一个组合的波形。

（3）复制法(www.xing528.com)

复制法是指将其他仪器（如数据采集器、数字示波器、X-Y绘图仪）获得的波形数据通过微机与仪器的接口总线，传输给波形数据存储器。该法适于复制已采集的信号波形。

有的任意波形发生器已配备了下载波形的相应软件，可以方便地复制各种波形。

3.任意波形信号源的主要技术指标

（1）任意波形长度或波形存储器容量

因为任意波形信号源的波形实质上是由许多样点拼凑出来的，样点多则可拼凑较长的波形，所以用点数来表示波形长度。

波形存储器容量亦称波形存储器深度，是指每个通道能存储的最大点数。这个容量越大，存储的点数越多，表示波形随时间变化的内容越丰富，当然存储器的成本也相应提高。

（2）采样率

在AWG中，D-A转换器从波形存储器中读取数据的时钟频率称为采样率。这里所说的采样率不是像A-D转换器那样对信号波形采集的速率，在AWG中应当理解为从波形存储器中抽取样点的速度。目前，AWG的采样率为10～300MSa/s（甚至达2GSa/s）（Sa/s为每秒采样点数，后同）。

（3）幅度分辨力

幅度分辨力为AWG能表现幅度细小变化的能力，它主要取决于D-A转换器的位数。因为D-A转换器位数通常与每个波形存储单元的位数相同，所以，不少厂商直接以D-A转换器的位数作为幅度分辨力的指标。但是由于其他因素的影响，实际幅度分辨力往往略低于D-A转换器的位数。

（4）通道数

虽然各种信号源都可以有不同的通道数目，但多通道的AWG更容易表现复杂波形的相关关系，因而通道数目在AWG中较受重视。例如，两路输出可表现一组正交的信号波形，或表现发射出的雷达信号及接收到的反射波，但要表现地震信号在传送至不同位置的波形，通常需要多路的任意波形发生器，这是因为，各信号之间不只是幅度、相位发生了变化，而且波形也可能有较大改变。

除了上述技术指标外，有些AWG还给出所用时钟的准确度和稳定度、噪声大小、AWG的非线性失真、仪器使用的接口总线等指标。