作者：Chris Armstrong產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)和軟件應(yīng)用總監(jiān)Rigol Technologies www.rigolna.com

多年來(lái)，函數(shù)和任意波形發(fā)生器——通常被測(cè)試工程師稱(chēng)為 ARB 發(fā)生器——傳統(tǒng)上建立在一種通用技術(shù)之上：直接數(shù)字合成 (DDS)。DDS 以合理的價(jià)格為幾代函數(shù)發(fā)生器提供了高質(zhì)量的性能。然而，新技術(shù)使儀器能夠在提高信號(hào)保真度的同時(shí)利用 DDS 方法，使這些儀器比以往更適用于更多應(yīng)用。

Rigol 為其 DG1000Z 系列開(kāi)發(fā)的 SiFi 和是德科技的 TrueForm 等 ARB 技術(shù)專(zhuān)為提高波形發(fā)生器的信號(hào)保真度而設(shè)計(jì)。基于這些技術(shù)的儀器將任意信號(hào)的真正點(diǎn)對(duì)點(diǎn)波形生成與重新設(shè)計(jì)的輸出硬件相結(jié)合，以創(chuàng)建具有前所未有的靈活性和準(zhǔn)確性的任意波形。此外，深存儲(chǔ)器的可用性可以在更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)模擬精確的任意信號(hào)，而不會(huì)失去保真度。

了解 DDS

為了創(chuàng)建波形，DDS 方法使用參考時(shí)鐘的相位來(lái)確定一段時(shí)間內(nèi)的正確輸出;也就是說(shuō)，它跟蹤相位并在每個(gè)輸出采樣時(shí)間輸出一組預(yù)定采樣點(diǎn)中的一個(gè)，該采樣點(diǎn)是與相位最近的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。

例如，假設(shè)我們想要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)由 400 個(gè)周期的正弦波組成的波形，并且我們想要以 6.25 kHz 的頻率播放該波形，從而創(chuàng)建一個(gè)基頻為 2.5 MHz 的正弦波信號(hào)。

為了描述這個(gè)信號(hào)，我們有 8,192 個(gè)樣本點(diǎn)代表給定時(shí)間的輸出電平。DDS 發(fā)生器為波形中的每個(gè)點(diǎn)分配一個(gè)相位值：第一個(gè)點(diǎn)為 0°，之后的每個(gè)點(diǎn)以 360°/8,192 或大約 0.044° 度遞增。這允許在一個(gè)周期內(nèi)播放所有 8,149 個(gè)點(diǎn)，當(dāng)它返回 0° 時(shí)，第一個(gè)點(diǎn)再次上升。

然而，DDS 儀器具有 200 Mpoint/s 或 Msample/s 的固定更新速率;也就是說(shuō)，它必須每 5 ns 輸出一個(gè)點(diǎn)/樣本。在時(shí)鐘源(通常是 PLL)的驅(qū)動(dòng)下，儀器基本上每 5 ns 從開(kāi)始測(cè)量其相位，并從 ARB 表中選擇最接近的相位值。在本例中，每 5 ns 代表 360° / (200 Msample/s ÷ 6.25 kHz) = 0.01125°。因此，UltraStation 軟件中的任意波形如圖 1 所示。

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圖 1：DDS ARB 發(fā)生器產(chǎn)生 400 個(gè)周期的正弦波，使用 Rigol 的 UltraStation 軟件顯示。

但是，如果我們嘗試以不同的基頻播放波形，失真就會(huì)成為一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，例如檢查濾波器性能時(shí)經(jīng)常這樣做。圖 2 顯示了回放基頻為 2.3 和 3.7 MHz 的波形時(shí)選擇的實(shí)際輸出值。 即使我們比要求更頻繁地發(fā)布樣本，我們也會(huì)造成失真。即，在 3.7-MHz 任意波形的情況下，一些點(diǎn)(意味著在時(shí)間上均勻間隔)重復(fù) 10 ns，一些點(diǎn)重復(fù) 15 ns。文件對(duì)正弦波的量化缺乏平滑、連續(xù)的變化會(huì)導(dǎo)致這種失真。當(dāng)播放周期略微調(diào)整時(shí)，失真會(huì)顯著增加，因?yàn)?DDS 算法被迫對(duì)輸出哪個(gè)點(diǎn)做出更艱難的決定，因?yàn)槔硐胼敵霈F(xiàn)在遠(yuǎn)離為初始播放周期選擇的可用點(diǎn)。

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圖 2：此任意波數(shù)據(jù)表顯示了 DDS 發(fā)生器每 5 ns 輸出一次，用于在 2.3-MHz(左)和 3.7-MHz(右)的信號(hào)回放。 這一點(diǎn)很關(guān)鍵，因?yàn)檫x擇樣本來(lái)生成正確的高保真任意信號(hào)是一項(xiàng)耗時(shí)且困難的任務(wù)。使用 DDS，想要高保真信號(hào)的工程師必須在想要調(diào)整回放周期時(shí)返回并重新采樣、重新創(chuàng)建和重新加載任意波形。DDS 迫使工程師在播放過(guò)程中在方便高效的信號(hào)生成或高保真度和準(zhǔn)確性之間做出選擇。

較低的采樣率、較高的完整性

ARB 技術(shù)(如 SiFi)通過(guò)一種新的架構(gòu)方法克服了這種對(duì)信號(hào)完整性的基本影響。從本質(zhì)上講，它可以將參考時(shí)鐘/采樣率設(shè)置為最佳值，以生成準(zhǔn)確的波形。讓我們以同樣的信號(hào)和例子，看看它是如何在 SiFi 模式下生成的。

我們加載相同的 8,192 點(diǎn)任意波并將輸出采樣率設(shè)置為 51.2 MSa/s(8192 點(diǎn) * 6.125 kHz)。現(xiàn)在，我們使用頻譜分析儀將 SiFi 輸出與 DDS 模式輸出進(jìn)行比較;在每條跡線上使用 Max Hold，我們?cè)?1 到 2.5 MHz 之間改變播放頻率，改變 DDS 的基頻和 SiFi 的輸出采樣率(圖 3)。當(dāng)我們實(shí)時(shí)調(diào)整播放參數(shù)時(shí)，DDS 模式會(huì)在黃色顯示的 2-10 MHz 頻段內(nèi)的各種頻率上產(chǎn)生信號(hào)失真。使用相同的任意波形，只需簡(jiǎn)單地切換到 SiFi 模式即可創(chuàng)建更均勻的波形，并且信號(hào)保真度顯著提高，以紫色顯示。

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圖 3：使用 DDS(黃色)和 SiFi(紫色)技術(shù)生成的 1 至 2.5 MHz 正弦任意波的頻譜比較。

ARB 發(fā)生器的選擇完全取決于信號(hào)保真度對(duì)當(dāng)前應(yīng)用的重要性。這個(gè)兩種架構(gòu)之間差異的簡(jiǎn)單示例用于指出使用傳統(tǒng)信號(hào)發(fā)生器做出的權(quán)衡，即使是高級(jí)用戶也可能不知道這些權(quán)衡。大多數(shù)用戶認(rèn)為 30 或 60 MHz 任意發(fā)生器能夠產(chǎn)生近乎完美的 1 MHz 正弦波。

雖然許多工程師將輸出采樣率視為一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，但這并不能說(shuō)明全部情況。在前面的示例中，DDS 波以 200 MSa/s 的速度輸出，而 SiFi 波的輸出速度約為 50 MSa/s。然而，SiFi 波產(chǎn)生了更清晰的信號(hào)。

任意波形越復(fù)雜，就越難以理解采樣技術(shù)的影響。這種重新采樣產(chǎn)生的偽影會(huì)對(duì)真正任意波的頻率內(nèi)容產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響，并且無(wú)法輕松地將真實(shí)波與采樣偽影區(qū)分開(kāi)來(lái)。這也意味著購(gòu)買(mǎi)具有更高輸出采樣率的 DDS 波形發(fā)生器總是會(huì)改變信號(hào)的頻率分量，即使在播放相同的任意文件時(shí)也是如此。對(duì)于像 SiFi 這樣的技術(shù)，情況并非如此。

審核編輯：湯梓紅