任意波形发生器

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任意波形发生器是在1975年开发成功的,从此,信号发生器产品增加了一个新
品种。在任意波形发生器作为测量用信号激励源进入市场之前,为了产生非正弦
波信号,已使用函数发生器提供三角波、斜波、方波和余弦波等几种特殊波形。
声音和振动分析需要复杂调制的信号源,以便仿真真实的信号,只有借助任意波
形发生器,例如医疗仪器测试往往需要心电波形,任意波形发生器很容易产生各
种非标准的振动信号。

早期的任意波形发生器主要着重音频频段,现在的任意波形发生器已扩展到
射频频段,它与数字示波器(DSO)密切配合,只要数字示波器捕获的信号,
任意波形发生器就能复制出同样的波形。在电路构成上,数字示波器是模拟/数
字转换,任意波形发生器是数字/模拟的逆转换,目前任意波形发生器的带宽达
到2GHz,足够仿真许多移动通信、卫星电视的复杂信号。

几种任意波形发生器
生产数字示波器的仪器公司一般都供应任意波形发生器,如安捷伦、力科、
泰克公司,也有只生产任意波形发生器的公司,如雷科、斯坦福公司。仪器有台
式、PC机虚拟、VXI总线、PXI总线等多种方式,大部分产品只有1路输出,
有的高达16路输出。仪器采样率从最低的100KS/s到4GS/s,相当实时带宽
50kHz到最高的2GHz。产生任意波形的方法主要有两种:即存储器和直接数

字合成(DDS),前者电路比较简单,分两种形式:相位累加器式与计数器式,
但需要较深的存储容量。仪器的垂直分辨率有8位至16位,采样率越高时分辨
率越低,主要受数/模转换器和存储器特性的影响。存储器容量从最小的8K(12
位)到16M(8位),通常可根据用户要求扩充容量。任意波形发生器的波形
定义主要有面板设定、方程式设定、波形下载、软件设定、数字示波器下载、内
置编辑器等多种。软件大部分采用Windows、LabVIEW或VXIpnp,总线主
要是GPIB(台式仪器)、VXI(模块仪器)、PCI/PXI(PC基仪器)、RS-232
(通信)、LAN(网络)等。

任意波形发生器的应用非常广泛,在原理上可仿真任意波形,只要数字示波
器或其它记录仪捕捉到的波形,任意波形发生器都可复制出,特别有用的是仿真
单次偶发的信号,例如地震波形、汽车碰撞波形等等。以下是几种尖端技术中任
意波形发生器产生的复杂测量信号:

第一、雷达信号仿真――雷科公司的任意波形发生器有调幅、调频和脉冲三
组输出,组合调制信号输入微波信号发生器产生复杂的雷达信号模式,用于仿真
飞行器的雷达信令。由于三组调制信号有严格的同步和低的相位噪声,使这种序
列信号既稳定又相位噪声极低,序列内可插入触发、波形循环、断点而不会失去
同步,从而扩展成为复杂波形产生设备。

第二、卫星音调仿真――任意波形发生器和微波信号发生器一起可产生通信
卫星的音调仿真,用于测试地面接受站特性。任意波形发生器驱动上变频器在适
当频率下产生几种音调,在被测通道的测试序列插入空白段,用于播送实况信号。
任意波形发生器的数量视音调数目和间隔而定。这种测试方法同样可用来测试在
同一通信链路内收发多个数据流的电信系统。
第三、微机电系统的驱动――微机电系统有机械、光学、电学的多种信号,
需要几台任意波形发生器仿真激励和执行机构的复杂信号,信号之间有严格的定
时关系。

第四、磁盘驱动器仿真――磁盘驱动器产生的同步数字和模拟信号可由任意
波形发生器仿真,用于读/写数据的测试。这种混合信号仿真可作为平板LCD、
等离子高清晰度电视等的测试信号。

第五、数字通信的仿真――第三代移动通信属于多制式多种信号的综合,对
于这种包括语音、图像和数据的复杂调制信号,AWG可发挥积极作用和产生非
常逼真的信号。

第六、任意波形发生器复制数字示波器的偶发信号――利用两种仪器的互补
特点,任意波形发生器可复制出数字示波器的很难捕捉到的毛刺信号。

由于任意波形发生器的仿真功能越来越完善,已成为通信、雷达、导航、超
声、自动测量等复杂波形的信号源。

几种代表性的硬件平台
任意波形发生器最多的供应商是泰克公司,它的AFG300系列(取样率
16MS/s,分辨率12位)、AWG400系列(取样率200MS/s,分辨率16位)、
AWG500系列(取样率1GS/s,分辨率10位)、AWG600系列(取样率
2.6GS/s,分辨率8位)、还有AWG700系列(取样率4GS/s,分辨率8位)、
还有AWG2000系列(最高取样率250MS/s,分辨率12位,最大输出10V)
是编程更简单,可与该公司的数字示波器直接波形转移的任意波形发生器,泰克
公司的数字存储示波器(DSO)和数字荧光示波器(DPO)分别拥有实时带宽
6GHz(TDS6000系列)和5GHz(TDS7000系列)的最高指标,为配合DSO

和DPO示波器族的测量应用,一直生产上述的各种任意波形发生器系列,同时
长期保持领先地位。直至2001年Analogic公司推出DBS2055任意波形发生
器(取样率4.8GS/s,分辨率8位),成为业界指标最高的产品,以下简要介
绍该仪器的特点

任意波形发生器的发展趋势
任意波形发生器的发展趋势是更高取样率,更高分辨率和更大存储量,目前
实时带宽超过1GHz的产品比较少,而且分辨率只有8位,不能满足快速发展
的移动通信和高速网络的测量要求。与数字存储示波器相比,任意波形发生器的
全面指标存在明显差距,前者的取样率达到20GS/s和带宽6GHz,后者的取
样率是4.8GS/s和带宽2GHz。任意波形发生器首先要赶上数字存储示波器,
然后再往前发展,因为在电路构成方面,任意波形发生器的核心部件是高速数/
模转换器,它的工艺潜力还很大,显然缺少的是市场需求。
任意波形发生器的另一重要应用领域是低频,例如心电图、汽车点火、防撞
气囊、医疗仪器等,频率范围在声频以下,多组信号输出,16位以上的分辨率。
这类任意波形发生器以VXI总线、PXI总线和PC总线模块较多,每年都有新产
品推出。