任意函数/波形发生器的工作原理解析

任意函数/波形发生器的工作原理有三种，一是基于逐点法，二是基于DDS技术，三是基于Trueform技术。

基于逐点法的AFG/AWG原理框图如图2-33所示，它由取样时钟发生器、地址发生器、波形存储器RAM、高速D/A、低通滤波器、放大器、编辑器和程控接口等部分组成。其工作原理是通过编辑器或外部计算机将要产生的信号波形数字化后存入波形存储器，然后逐个读取这些点（通过地址发生器改变波形存储器的地址，顺序扫过波形存储器的各地址单元直到波形段的末段），并将它们送到高速D/A，高速D/A的输出波形通过低通滤波器后送到放大器输出。根据AFG和AWG生成波形的不同，波形存储器一般划分成两部分，其中一部分用于存储如正弦波、方波等波形，实现AFG功能。这部分的波形数据通常是不可以被改变的，因此，在有的AFG中，采用ROM固化存储这一部分波形。而另一部分存储器则用于存储AWG的相关波形，这一部分允许通过波形编辑器对其进行编辑，同时已保存的波形数据掉电后也不消失，因此，一般采用非易失性RAM进行波形存储。对于AWG，波形存储器可以分段工作，便于产生复杂的波形。在实际应用中，遇到的任意波形往往具有重复出现的部分。多数AWG还提供了排序功能，对重复的波形仅需编程一次，需要时对其进行调用即可。这样极大地增加了存储器的等效容量，在存储容量不变的情况下，增加了波形的长度。

图2-33　逐点法AFG/AWG原理框图

从理论上讲，逐点法最简单直观，但是，它有两大缺点。首先，要改变输出信号的频率，必须改变采样时钟频率，而设计良好的低噪声变频时钟会大幅增加仪器的成本和复杂性。其次，由于D/A输出的波形是阶梯状的，无法直接输出使用，因此需要进行复杂的模拟滤波，以使阶梯状的波形输出变得平缓。由于复杂性和成本都较高，因此，这种技术主要在高端AWG中使用。

基于DDS技术的AFG/AWG使用固定频率时钟和更简单的滤波机制，可以较低的成本，实现较高的频率分辨率，并可生成定制波形，因此，在过去的20年中，DDS一直是AFG和经济型AWG的理想波形生成技术。

基于DDS技术的AFG/AWG原理框图如图2-34所示，其结构组成与DDS电路类似。与逐点法相比，其工作原理的主要区别在于以下两点：(www.xing528.com)

（1）控制输出频率改变的方法。基于DDS技术的AFG/AWG，其读取波形点的时钟是固定不变的，改变输出信号的频率是通过改变读取波形存储器的地址间隔（即波形点的相位增量）来实现的，相位增量越大，生成一个周期的波形点数就越少，在固定不变的时钟频率下，输出信号的一个周期就越小（即频率就越高），因此，输出信号的频率与相位增量成正比。具体由相位累加器来完成相位的累加，输出波形点的读取地址。

（2）DAC输出波形的滤波方法。基于DDS技术的AFG/AWG会根据不同的输出信号类型，设计不同的低通滤波器，对信号进行滤波。对于正弦波，其频谱成分单一，高次谐波及杂散噪声较小，对信号质量影响不大，而D/A转换引起的杂散镜像信号及较高理想频率引起的谐波对信号质量影响较大，因此，所设计的滤波器应能滤除各种镜像杂散以及带外噪声。而对于三角波、方波、任意波等，其输出最高频率一般比正弦波低，但其频谱结构丰富，具有较高的谐波分量。尤其是任意波，由于波形不可预估，其谐波分量通常难以估计，且谐波成分往往对应于信号中的关键部分。滤波器的带宽过小会滤除波形中有用的高次谐波分量，滤波器带宽过大则不能滤除波形中周期延拓镜像杂散，通常选用等波纹误差线性相位滤波器加以滤波。一般在AWG/AFG中，会根据需求，设计多个滤波器组，对不同的波形进行滤波。通过继电器或高速数据选择器将不同的输出信号送入相应的滤波器中进行滤波。在一些高性能的信号发生器中，用户还可以自行选择相应的滤波方式。滤波后，再经过相应的幅度和直流偏置的调节，输出所需的信号波形。

图2-34　基于DDS技术的AFG/AWG原理框图

Trueform技术是Keysight公司于2014年推出的一种最新的波形发生技术。对于传统的逐点产生波形的方式，若要改变输出信号的频率，必须改变时钟频率，而设计良好的低噪声变频时钟会大幅增加仪器成本和复杂性；其次，由于DAC输出的波形是阶梯状的，因此需要设计良好的滤波器。在DDS中，需要应用比时钟频率高很多的采样率生成波形。另外，DDS技术采用固定的采样时钟，通过改变相位累加器的增量来改变输出频率，因此无法保证波形中的每个点都能够显示在最终的输出波形中。换句话说，DDS并没有使用波形存储器中的全部点。DDS可能会以不可预知的方式，跳过和/或重复波形的某些相位点。在最佳情况下，这可能会增加抖动；在最坏情况下，可能会产生严重的失真。而采用Trueform技术，不会跳过任何的波形点，能够提供可预测的低噪声波形。

Trueform技术结合DDS的低成本与逐点法的高性能体系结构的优点，产生频率分辨率更高、谐波失真更低、抖动更小的信号。

Trueform技术采用虚拟可变时钟技术以及可跟踪波形采样率的滤波技术，比DDS技术拥有更小的抖动（比DDS脉冲波形抖动改善10倍以上）与更低的谐波失真，且可以提供抗混叠滤波输出。