生成任意波形的更好方法

作者：Chris Armstrong产品营销和软件应用总监Rigol Technologies www.rigolna.com

多年来，函数和任意波形发生器——通常被测试工程师称为 ARB 发生器——传统上建立在一种通用技术之上：直接数字合成 (DDS)。DDS 以合理的价格为几代函数发生器提供了高质量的性能。然而，新技术使仪器能够在提高信号保真度的同时利用 DDS 方法，使这些仪器比以往更适用于更多应用。

Rigol 为其 DG1000Z 系列开发的 SiFi 和是德科技的 TrueForm 等 ARB 技术专为提高波形发生器的信号保真度而设计。基于这些技术的仪器将任意信号的真正点对点波形生成与重新设计的输出硬件相结合，以创建具有前所未有的灵活性和准确性的任意波形。此外，深存储器的可用性可以在更长时间内模拟精确的任意信号，而不会失去保真度。

了解 DDS

为了创建波形，DDS 方法使用参考时钟的相位来确定一段时间内的正确输出;也就是说，它跟踪相位并在每个输出采样时间输出一组预定采样点中的一个，该采样点是与相位最近的对应点。

例如，假设我们想要创建一个由 400 个周期的正弦波组成的波形，并且我们想要以 6.25 kHz 的频率播放该波形，从而创建一个基频为 2.5 MHz 的正弦波信号。

为了描述这个信号，我们有 8,192 个样本点代表给定时间的输出电平。DDS 发生器为波形中的每个点分配一个相位值：第一个点为 0°，之后的每个点以 360°/8,192 或大约 0.044° 度递增。这允许在一个周期内播放所有 8,149 个点，当它返回 0° 时，第一个点再次上升。

然而，DDS 仪器具有 200 Mpoint/s 或 Msample/s 的固定更新速率;也就是说，它必须每 5 ns 输出一个点/样本。在时钟源(通常是 PLL)的驱动下，仪器基本上每 5 ns 从开始测量其相位，并从 ARB 表中选择最接近的相位值。在本例中，每 5 ns 代表 360° / (200 Msample/s ÷ 6.25 kHz) = 0.01125°。因此，UltraStation 软件中的任意波形如图 1 所示。

 

 

图 1：DDS ARB 发生器产生 400 个周期的正弦波，使用 Rigol 的 UltraStation 软件显示。

但是，如果我们尝试以不同的基频播放波形，失真就会成为一个严重的问题，例如检查滤波器性能时经常这样做。图 2 显示了回放基频为 2.3 和 3.7 MHz 的波形时选择的实际输出值。 即使我们比要求更频繁地发布样本，我们也会造成失真。即，在 3.7-MHz 任意波形的情况下，一些点(意味着在时间上均匀间隔)重复 10 ns，一些点重复 15 ns。文件对正弦波的量化缺乏平滑、连续的变化会导致这种失真。当播放周期略微调整时，失真会显着增加，因为 DDS 算法被迫对输出哪个点做出更艰难的决定，因为理想输出现在远离为初始播放周期选择的可用点。

 

 

图 2：此任意波数据表显示了 DDS 发生器每 5 ns 输出一次，用于在 2.3-MHz(左)和 3.7-MHz(右)的信号回放。 这一点很关键，因为选择样本来生成正确的高保真任意信号是一项耗时且困难的任务。使用 DDS，想要高保真信号的工程师必须在想要调整回放周期时返回并重新采样、重新创建和重新加载任意波形。DDS 迫使工程师在播放过程中在方便高效的信号生成或高保真度和准确性之间做出选择。

较低的采样率、较高的完整性

ARB 技术(如 SiFi)通过一种新的架构方法克服了这种对信号完整性的基本影响。从本质上讲，它可以将参考时钟/采样率设置为最佳值，以生成准确的波形。让我们以同样的信号和例子，看看它是如何在 SiFi 模式下生成的。

我们加载相同的 8,192 点任意波并将输出采样率设置为 51.2 MSa/s(8192 点 * 6.125 kHz)。现在，我们使用频谱分析仪将 SiFi 输出与 DDS 模式输出进行比较;在每条迹线上使用 Max Hold，我们在 1 到 2.5 MHz 之间改变播放频率，改变 DDS 的基频和 SiFi 的输出采样率(图 3)。当我们实时调整播放参数时，DDS 模式会在黄色显示的 2-10 MHz 频段内的各种频率上产生信号失真。使用相同的任意波形，只需简单地切换到 SiFi 模式即可创建更均匀的波形，并且信号保真度显着提高，以紫色显示。

 

 

图 3：使用 DDS(黄色)和 SiFi(紫色)技术生成的 1 至 2.5 MHz 正弦任意波的频谱比较。

ARB 发生器的选择完全取决于信号保真度对当前应用的重要性。这个两种架构之间差异的简单示例用于指出使用传统信号发生器做出的权衡，即使是高级用户也可能不知道这些权衡。大多数用户认为 30 或 60 MHz 任意发生器能够产生近乎完美的 1 MHz 正弦波。

虽然许多工程师将输出采样率视为一项关键指标，但这并不能说明全部情况。在前面的示例中，DDS 波以 200 MSa/s 的速度输出，而 SiFi 波的输出速度约为 50 MSa/s。然而，SiFi 波产生了更清晰的信号。

任意波形越复杂，就越难以理解采样技术的影响。这种重新采样产生的伪影会对真正任意波的频率内容产生深远影响，并且无法轻松地将真实波与采样伪影区分开来。这也意味着购买具有更高输出采样率的 DDS 波形发生器总是会改变信号的频率分量，即使在播放相同的任意文件时也是如此。对于像 SiFi 这样的技术，情况并非如此。

审核编辑：汤梓红