在產(chǎn)品調(diào)試的過程中，大多數(shù)的電路需要輸入某種幅度隨時(shí)間變化的信號(hào)，在這樣的應(yīng)用場(chǎng)景中，一個(gè)完整的測(cè)試測(cè)量系統(tǒng)一般會(huì)包含激勵(lì)源，被測(cè)件和采集儀器三個(gè)部分。采集儀器通常使用的是示波器和邏輯分析儀，而信號(hào)源在系統(tǒng)中則扮演了激勵(lì)源的角色，波形發(fā)生器就是種類眾多的信號(hào)源的一種，在電子測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。

信號(hào)源何時(shí)誕生？經(jīng)歷了怎樣的發(fā)展歷程？

信號(hào)源是一種古老的測(cè)試測(cè)量?jī)x器，伴隨著整個(gè)儀器的發(fā)展周期，世界上第一臺(tái)信號(hào)源誕生于20世紀(jì)20年代。隨著通信和雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展，20世紀(jì)40年代出現(xiàn)了主要用于測(cè)試各種接收機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)發(fā)生器，使信號(hào)源的應(yīng)用范疇從定性分析演進(jìn)到了定量分析的范疇，同一時(shí)期還出現(xiàn)了可用作脈沖調(diào)制器的脈沖信號(hào)發(fā)生器。

早期的信號(hào)發(fā)生器機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，功率較大，電路比較簡(jiǎn)單，發(fā)展速度非常慢。這種窘境直到1964年世界上出現(xiàn)了第一臺(tái)全晶體管的信號(hào)源之后才得到改觀。此后出現(xiàn)了函數(shù)發(fā)生器，掃頻信號(hào)發(fā)生器，合成信號(hào)發(fā)生器，程控信號(hào)發(fā)生器等新種類，信號(hào)源的各項(xiàng)指標(biāo)都得到了大幅提高。但是采用模擬電子技術(shù)的信號(hào)源由分立器件或模擬集成電路構(gòu)成，不僅電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且只能產(chǎn)生種類非常有限的簡(jiǎn)單波形。更令人頭疼的是，模擬電路的漂移較大，使得信號(hào)源輸出波形的幅度穩(wěn)定性很差。

自從70年代微處理器出現(xiàn)以后，利用微處理器和DAC可以使得信號(hào)源的功能進(jìn)一步擴(kuò)大，能夠產(chǎn)生比較復(fù)雜的波形。但是，這種方案有一個(gè)很嚴(yán)重的缺陷：輸出波形的頻率低主要是由CPU的工作頻率決定的，這就意味著只能通過縮短軟件執(zhí)行時(shí)間或提高CPU的時(shí)鐘頻率來提高信號(hào)源輸出波形的頻率，具有很大的局限性。

發(fā)展到今天，市面上的信號(hào)源大多基于數(shù)字技術(shù)，許多信號(hào)源既可以輸出模擬信號(hào)又可以輸出數(shù)字信號(hào)，但是在真正高效的方案中，往往都是選擇根據(jù)具體的應(yīng)用環(huán)境優(yōu)化過的信號(hào)源，因此也派生出了多種不同類型的信號(hào)源。

時(shí)下的信號(hào)源有哪些類型？

廣義上，根據(jù)信號(hào)源的應(yīng)用范疇可以分為兩類，數(shù)字應(yīng)用信號(hào)源和模擬應(yīng)用信號(hào)源。

其中專門為數(shù)字應(yīng)用而誕生的信號(hào)源，我們稱之為邏輯源。邏輯源大體上可以分為兩類，一種是可以輸出方波和脈沖流的脈沖發(fā)生器，脈沖發(fā)生器的輸出頻率一般非常高，經(jīng)常用于測(cè)試數(shù)字器件。此外，還有一種邏輯源，我們稱之為碼型發(fā)生器，或者數(shù)據(jù)發(fā)生器，這種儀器一般有生成8個(gè)，16個(gè)或者更多輸出通道，可以產(chǎn)生各種類型的同步數(shù)字脈沖流，碼型發(fā)生器常常作為計(jì)算機(jī)總線、數(shù)字電信單元等的激勵(lì)信號(hào)。

雖然各廠家的命名方式各不相同，但是在需要提供模擬信號(hào)或者混合信號(hào)的應(yīng)用場(chǎng)景中使用的信號(hào)源大體上有波形發(fā)生器、射頻信號(hào)發(fā)生器、微波信號(hào)發(fā)生器和基帶信號(hào)發(fā)生器幾種類型。其中，本系列文章將要給大家全面展開介紹的波形發(fā)生器是一種比較主流的信號(hào)源，它可以將離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)存放在存儲(chǔ)器中，通過系統(tǒng)時(shí)鐘產(chǎn)生讀取數(shù)據(jù)的觸發(fā)信號(hào)，經(jīng)過DAC芯片的轉(zhuǎn)換和低通濾波器最終生成模擬波形，使用這種“采樣原理”理論上可以生成和編輯幾乎任意類型和參數(shù)的波形。函數(shù)/任意波形發(fā)生器一般有1-4路輸出，某些功能更加豐富的型號(hào)還支持觸發(fā)信號(hào)和系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)的輸出，用于觸發(fā)外部的儀器，比如作為示波器的外部觸發(fā)信號(hào)，如圖1所示的就是鼎陽科技出品的SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器。

?圖1 SDG2000X函數(shù)/任意波形發(fā)生器

信號(hào)源拿來干嘛用的？

波形發(fā)生器具備了函數(shù)發(fā)生器的所有功能，可以產(chǎn)生正弦波、方波、三角波等基本函數(shù)。除此之外，波形發(fā)生器還可以產(chǎn)生模擬和數(shù)字調(diào)制信號(hào)，支持線性/對(duì)數(shù)掃頻信號(hào)和脈沖串的輸出，這是波形發(fā)生器區(qū)別于函數(shù)發(fā)生器的特征。鼎陽科技的全系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器都能支持AM、FM、PM、FSK、ASK、DSB-AM等模擬和數(shù)字調(diào)制功能。都支持掃頻功能和脈沖串輸出功能，在這兩種模式中，觸發(fā)源可以在內(nèi)部、外部和手動(dòng)三種中進(jìn)行選擇，當(dāng)選擇內(nèi)部和手動(dòng)觸發(fā)源的時(shí)候，支持觸發(fā)信號(hào)輸出，便于實(shí)現(xiàn)多款不同的儀器之間的觸發(fā)同步。

波形發(fā)生器有上百種應(yīng)用方式，但是在電子測(cè)試測(cè)量領(lǐng)域，其應(yīng)用范圍基本可以可以分為三種：檢驗(yàn)、檢定以及極限/余量測(cè)試。在產(chǎn)品的調(diào)試階段，工程師需要測(cè)試產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)，以檢驗(yàn)產(chǎn)品是否滿足相關(guān)的出廠標(biāo)準(zhǔn)，在這個(gè)過程中，波形發(fā)生器需要發(fā)出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的信號(hào)作為待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的激勵(lì)源，通過測(cè)量并記錄被測(cè)網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)，然后將記錄的結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的指標(biāo)進(jìn)行對(duì)照并且得出檢驗(yàn)的結(jié)論。另外，新開發(fā)的工控模塊，數(shù)據(jù)調(diào)理模塊等都需要使用波形發(fā)生器通過窮盡測(cè)試來確定其線性度和單調(diào)性等指標(biāo)。在很多場(chǎng)合中，波形源需要在其提供的信號(hào)中增加已知的，數(shù)量和類型可重復(fù)的失真或損傷，通過控制失真或損傷相關(guān)的參數(shù)可以對(duì)被測(cè)件進(jìn)行極限/余量測(cè)試。

波形發(fā)生器有哪些主要的指標(biāo)？這些指標(biāo)分別有什么含義？

如果您使用過示波器，那么您一定聽說過示波器的三大指標(biāo)：帶寬，存儲(chǔ)深度，采樣率，我們?cè)谔暨x一款合適的示波器的時(shí)候，這三大指標(biāo)往往是我們首要考慮的因素。實(shí)際上，從原理的角度來看，波形發(fā)生器是示波器的逆過程，那么波形發(fā)生器是否也有所謂的三大指標(biāo)呢？答案是肯定的，在波形發(fā)生器的范疇中，同樣有帶寬，采樣率和存儲(chǔ)深度的概念。

1、帶寬

波形發(fā)生器的帶寬可以定義為Max可輸出的正弦波的頻率。但是，對(duì)于不同的輸出波形，波形發(fā)生器能夠支持的Max輸出頻率是有區(qū)別的，比如在鼎陽科技的SDG2122X函數(shù)/任意波形發(fā)生器中，當(dāng)輸出正弦波時(shí)，可以輸出的Max頻率為120MHz，然而當(dāng)它源輸出方波時(shí)，Max輸出頻率就變?yōu)榱?5MHz。之所以會(huì)有這樣的區(qū)別，是因?yàn)榉讲ㄟ呇刈兓芸?，包含了許多高頻成分，為了避免輸出的方波上升沿產(chǎn)生嚴(yán)重失真，當(dāng)波形發(fā)生器輸出方波時(shí)，其帶寬必須能夠覆蓋更多的高次諧波成分。

2、采樣率

波形發(fā)生器的采樣率通常用每秒兆樣點(diǎn)或者千兆樣點(diǎn)表示，比如SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器標(biāo)稱的采樣率為1.2GSa/s，這項(xiàng)指標(biāo)表明了信號(hào)源將數(shù)字信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的速率，采樣率影響著主要輸出信號(hào)的頻率和保真度。偉大的奈奎斯特取樣定理規(guī)定，采樣率或時(shí)鐘速率必須至少是生成的信號(hào)中Max頻譜成分的兩倍，在這樣的前提下才能保證準(zhǔn)確的復(fù)現(xiàn)原始信號(hào)。但是在實(shí)際應(yīng)用中，兩倍是往往還是不夠的，具體還是要看信號(hào)的類型和上升時(shí)間。

3、存儲(chǔ)深度

存儲(chǔ)深度是指用來記錄波形的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)，它決定著波形數(shù)據(jù)的Max樣點(diǎn)數(shù)量。波形發(fā)生器的帶寬是由取樣速率和存儲(chǔ)深度決定的。SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器支持時(shí)下非常流行的“逐點(diǎn)輸出”，能夠在保證不丟失波形細(xì)節(jié)的前提下，以1uSa/s~75MSa/s的可變采樣率輸出8pts~8Mpts范圍內(nèi)的任意長(zhǎng)度地抖動(dòng)波形。

除了以上三個(gè)指標(biāo)之外，頻率分辨率和垂直分辨率也是波形發(fā)生器的重要指標(biāo)。垂直分辨率指的是在波形發(fā)生器中可以編程的最小電壓增量，跟硬件電路中使用的DAC的位數(shù)有關(guān)，一般用單位“位”來表示，它決定了輸出波形的幅度精度。頻率分辨率，即最小可調(diào)頻率分辨率，也就是創(chuàng)建波形時(shí)可以使用的最小時(shí)間增量，跟時(shí)鐘的Max速率以及DAC的轉(zhuǎn)換速率有關(guān)。

當(dāng)我們把不同廠家的波形發(fā)生器擺在一起的時(shí)候，就會(huì)發(fā)現(xiàn)，實(shí)際上大家都已經(jīng)能夠做到相似的功能，但是從輸出信號(hào)的周期抖動(dòng)范圍，可調(diào)整的最小脈寬，上升沿下降沿可調(diào)整的最小步進(jìn)距離等方面可以看出不同廠家優(yōu)化功力的高低。鼎陽科技的SDG2000X系列函數(shù)/任意波形發(fā)生器使用了申請(qǐng)了發(fā)明專利的EadyPulse技術(shù)和TrueArb技術(shù)，有效提高了波形發(fā)生器的性能。

總之，波形發(fā)生器是應(yīng)用廣泛的基礎(chǔ)通用儀器之一，是電子工程師信號(hào)仿真實(shí)驗(yàn)的必備工具。本文介紹了波形發(fā)生器相關(guān)的一些知識(shí)，意在為您的選型和對(duì)概念的了解提供方便。但是如果要對(duì)波形發(fā)生器有更進(jìn)一步的了解，僅僅靠上述的內(nèi)容是不夠的，接下來我會(huì)延續(xù)這個(gè)系列的文章，為您剖析DDS技術(shù)，EasyPulse技術(shù)，TrueArb技術(shù)等相關(guān)描述，讓您對(duì)波形發(fā)生器的原理有更多的了解。

文章出處：“鼎陽硬件設(shè)計(jì)與測(cè)試智庫”

審核編輯 黃宇