深入了解信号发生器：类型、性能与使用

许多工程师在面对调试和设计检验等任务时，往往仅将目光投向了示波器或逻辑分析仪，将这些采集仪器视为解决问题的万能钥匙。然而，他们往往忽视了一个至关重要的配套仪器——信号发生器。

信号发生器，作为激励仪器的一种，在工作中扮演着举足轻重的角色。

信号发生器，从广义上可分为混合信号发生器（包括任意波形发生器和函数发生器）和逻辑信号源（如脉冲或码型发生器），从而满足了各种信号生成的需求。不同类型的信号发生器各具特色，能够适应不同的应用场景。

混合信号发生器，专为输出模拟波形而设计，如正弦波、三角波等，以及包含圆形和不理想“方”波在内的实际环境信号。这些发生器提供了丰富的控制选项，如幅度、频率、相位调整，以及DC偏置和上升/下降时间控制。此外，它们还能创建过冲等畸变，并支持边沿抖动和调制等功能。

另一方面，数字信号发生器则专为驱动数字系统而设计。其输出为二进制脉冲流，无法生成模拟波形。这类发生器的功能优化主要针对计算机总线需求和类似应用，包括加速码型开发的软件工具以及匹配各种逻辑系列的硬件工具。

值得注意的是，如今的高性能信号发生器，无论是函数发生器、任意信号发生器还是码型发生器，大多基于数字结构，具备灵活的编程能力和卓越的精度。然而，设计高质量的模拟信号发生器和混合信号发生器仍具有一定的挑战性，需要投入大量的时间和精力。
幸运的是，数字采样技术和信号处理技术的进步为我们提供了一种理想的解决方案——任意波形发生器。这种仪器能够灵活地满足各种信号发生需求，无论是任意波形/函数发生器（AFG）还是任意波形发生器（AWG）。

任意波形/函数发生器（AFG）以其出色的稳定性和快速响应频率变化的能力而闻名。它特别适合于产生典型的正弦波和方波，以及在两个频率之间进行几乎实时的切换。此外，AFG还具有成本优势，对于那些不要求AWG通用性的应用来说非常具有吸引力。

尽管AFG的功能可能与AWG有所重叠，但它被设计成更加专用的仪器，专注于生成稳定且精确的标准波形，如正弦波和方波。其独特的优势包括稳定的波形输出、精确的捷变能力，以及提供多种用户熟悉的标准波形选项，如正弦波、方波、三角波等。

值得一提的是，AFG的设计已经从传统的模拟振荡器和信号调节技术转向了更先进的直接数字合成（DDS）技术。这种技术使得AFG能够更精确地控制输出信号的相位、频率和幅度，同时提供了从内部或外部来源调制信号的功能，这对于某些类型的标准一致性测试至关重要。

DDS技术通过一个时钟频率来生成仪器范围内的任意频率，进而合成所需的波形。图16以简洁的形式描绘了基于DDS的AFG基本结构。

在相位累加器电路中，Delta（△）相位寄存器接收来自频率控制器的指令，该指令表示输出信号在每个连续周期中应前进的相位增量。现代高性能AFG的相位分辨率可低至1/230，即约1/1,000,000,000。

相位累加器的输出被用作AFG波形存储器部分的时钟。尽管AFG的操作与AWG相似，但它们之间有一个显著的区别：AFG的波形存储器通常仅包含部分基础信号，例如正弦波和方波。模拟输出电路本质上是一个固定频率的低通滤波器，确保只有编程设定的感兴趣频率（无时钟人工信号）能够从AFG输出。

为了理解相位累加器如何创建频率，可以想象控制器向30位△相位寄存器发送一个值1。在每个周期中，相位累加器△输出寄存器将前进360÷230度，因为360度代表仪器输出波形的一个完整周期。因此，当△相位寄存器的值为1时，AFG将生成频率最低的波形，并要求整整2△增量来创建一个周期。电路将保持这一频率，直到△相位寄存器加载新的值。

若△相位寄存器的值大于1，它将更快地通过360度，从而生成更高的输出频率（某些AFG采用不同的方法：它们通过跳过某些样点来更快地读取存储器，从而提高输出频率）。唯一的变化在于，相位值由频率控制器提供，无需改变主时钟频率。此外，这种技术还允许波形从波形周期内的任意点开始。

假设我们需要生成一个正弦波，它从周期的正向部分峰值开始。根据基本数学，这个峰值恰好对应于90度的相位。因此，我们可以利用相位累加器的输出，精确地定位到这个起始点，并开始生成所需的波形。
230个增量对应于360°，而90°恰好是360°的四分之一。因此，当相位累加器的值达到(230÷4)时，它将会触发波形存储器从包含正弦波峰值的位置开始输出。

大多数任意波形发生器（AFG）都预先在存储器中存储了多种标准波形，其中正弦波和方波是最常用的两种。用户可以通过编程来定义和创建自己所需的波形，与传统模拟波形发生器相比，具有更高的灵活性。然而，高性能的任意波形发生器才具备存储器分段和波形排序等高级功能。

DDS结构使得AFG能够轻松地在空中编程改变频率和相位，非常适合用于测试各种类型的FM设备，例如无线和卫星系统器件。只要AFG的频率范围足够宽，它就能成为测试FSK和跳频电话技术（如GSM）的理想信号源。

尽管AFG不能像AWG那样生成任意复杂的波形，但它能产生实验室、维修设施和设计部门中最常用的测试信号，如正弦波、方波等。此外，AFG还提供了出色的频率捷变性，且通常是最经济高效的选择。

另一方面，任意波形发生器（AWG）则能生成几乎任何您想要的波形。无论是精确的Lorentzian脉冲数据流，还是复调制RF信号测试，AWG都能轻松应对。您可以使用各种方法创建所需的输出，从数学公式到图形绘制。

本质上，AWG是一种播放系统，它根据存储的数字数据提供波形。这些数字数据描述了AC信号的电压电平变化。虽然AWG的方框图看起来简单，但它却是一种功能强大的工具。为了更好地理解AWG的概念，我们可以将其与唱片机进行类比。在AWG中，存储的数据相当于唱片上的纹理，而输出的波形则类似于唱片机播放的模拟信号或波形。

图18展示了任意波形发生器（AWG）的基本结构。本质上，AWG是一个精妙的播放系统，它依据存储的数字数据来生成波形，这些数据详细描绘了交流信号电压电平的动态变化。尽管其方框图设计得相当简洁，但AWG却是一种功能强大的工具。为了更好地理解AWG的概念，我们可以将其与熟悉的唱片机进行类比。在AWG中，存储的数据类似于唱片上的纹理，而输出的波形则类似于唱片机播放的模拟信号或波形。

要理解AWG的工作原理，首先需要掌握数字采样的基本概念。数字采样涉及使用一系列样点或数据点来定义一个信号，这些样点沿着波形的斜率分布，代表了电压的测量值。通过实际测量波形或使用图形和数学技术，我们可以确定这些样点的位置。图17（左）展示了一串有序的样点，尽管它们在曲线上的间隔看似不均，但实际上是以均匀的时间间隔进行采样的。在AWG中，这些采样的值以二进制形式存储在高速随机存取存储器（RAM）中。

通过读取存储器中的信息，AWG能够重建任何时间的信号。这通过数模转换器（DAC）将数据点转换为模拟信号来实现。图17（右）展示了这一重建过程的结果。值得注意的是，AWG的输出电路在样点之间进行滤波，以确保各点能够顺畅连接，从而生成连续且无间断的波形。这样一来，被测设备（DUT）将无法区分这些点为离散还是连续，而是将其视为一个无缝的模拟波形。

AWG的通用性使其在各种应用中都表现出色，从汽车防抱死制动系统的模拟到无线网络极限测试等。由于其能够生成几乎任何可以想象的波形，AWG成为了实验室、维修设施和设计部门中不可或缺的测试工具。

图19展示了高性能混合信号发生器——泰克AWG7000系列任意波形发生器的系统与控制功能。这款发生器专为完整测量解决方案而设计，其控制系统和子系统经过精心打造，旨在加速各种波形类型的开发，并确保输出波形的完整保真度。

该发生器提供了丰富的信号参数控制功能，其中最基本的和常用参数都配备了专门的前面板控件，而复杂或低频操作则可通过仪器显示屏上的菜单进行。

LevelControl负责调整输出信号的幅度和偏置电平，其前面板上的专用控件使得设置变得简单直观，无需繁琐的多级菜单操作。

Timing Control则通过控制采样率来设定输出信号的频率。同样，它也提供了基于硬件的专用控制功能，进一步简化了基础参数的设置过程。

值得注意的是，这些参数控制功能并不直接作用于实际生成的波形。波形的定义和控制位于编辑/控制屏幕上的菜单中。用户可以通过触摸面板或鼠标选择所需的视图，并在图形用户界面中定义顺序或数字输出设置，如图20所示。启动相关页面后，只需使用数字键盘和通用滚动旋钮即可轻松完成设置。

图20展示了AWG的用户界面，其中特别突出了用于选择菜单的设置栏。这一界面简洁直观，让用户能够轻松地定义和调整波形的各种参数。

接下来，我们将深入探讨混合信号发生器的一些关键性能指标和考虑因素。这些指标不仅在信号发生器的手册、参考书籍以及教程中频繁出现，更是理解其性能和应用的基础。

存储深度，或称记录长度，是与时钟频率紧密相关的参数。它决定了可存储的最大样点数量，从而影响着波形的定义和复现能力。在复杂波形中，存储深度尤为重要，因为它直接关系到能够捕获和呈现的信号细节数量。

此外，高性能混合信号发生器的深存储深度和高采样率特性，使得它们能够轻松地存储和复现复杂的波形，如伪随机码流。同时，这些仪器也能生成简单的数字脉冲和瞬态信号，进一步拓宽了其应用范围。

图 21展示了通过充足的存储深度，任意信号发生器能够复现异常复杂的波形。

接下来，我们将深入探讨采样率这一关键性能指标。采样率，通常以每秒兆样点或千兆样点来衡量，它代表了仪器能够达到的最大时钟或采样速度。采样率对输出信号的频率和保真度有着直接影响。根据内奎斯特采样定理，采样频率或时钟速率必须至少是信号中最高频谱成分的两倍，这样才能确保信号能够被精确地复现。例如，若要生成1MHz的正弦波信号，则必须以2MS/s的频率生成样点。

信号发生器能够获取这些样点，并在规定频率范围内从存储器中读取。只要存储的样点集符合内奎斯特定理，并准确描述了一个正弦波，信号发生器便能相应地滤波并输出一个正弦波。

计算信号发生器可生成的波形频率涉及一些简单的数学运算。以一个波形周期存储在仪器中的情况为例：假设时钟频率为100MS/s，存储深度或记录长度为4000个样点，那么输出频率F可通过以下公式计算：
F 输出= 时钟频率 ÷ 存储深度
F 输出=100,000,000 ÷ 4000
F 输出 = 25,000 Hz (或25 kHz)

此外，样点距离（即波形的时间分辨率）约为10ns，这是水平方向上的关键概念。同时，也要注意避免与幅度分辨率（垂直方向）混淆。

若样点RAM中存储的不止一个波形周期，而是包含四个周期，那么输出频率将相应增加。具体的计算公式为：
F 输出= (时钟频率 ÷ 存储深度) x (存储器中的周期数量)
F 输出 = (100,000,000 ÷ 4000) x 4
F 输出=(25,000Hz) x 4
F 输出=100,000 Hz
新的频率达到了100kHz。这一概念在图23中得到了直观展示。尽管时间分辨率仍保持为10ns，但每个波形周期仅由1000个样点进行表示，从而降低了所产生的信号的保真度。

图24展示了带宽的重要性。带宽，这一模拟术语，与采样率无关，却对信号发生器的性能至关重要。为了处理其采样率所支持的最大频率，信号发生器输出电路的模拟带宽必须足够宽。简言之，充足的带宽能够确保时钟最高频率和转换时间的顺畅传送，从而避免信号特点的劣化。图24中的示波器显示屏清晰地揭示了这一点。最上面的轨迹展示了一个高带宽信号发生器出色的上升时间，而其他轨迹则揭示了输出电路设计不佳所导致的信号劣化。

此外，垂直分辨率也是一个关键因素。在混合信号发生器中，垂直分辨率与仪器的DAC二进制字长度（以位为单位）紧密相关。字长越长，分辨率越高。DAC的垂直分辨率直接影响复现波形的幅度精度和失真度。分辨率不足的DAC可能导致量化误差，进而影响波形生成的理想性。

图25展示了垂直分辨率对复现波形幅度精度的影响。垂直分辨率越高，波形的幅度精度越高。然而，在AWG中，频率较高的仪器（如8位或10位分辨率）的垂直分辨率通常低于12位或14位的通用仪器。例如，一个10位分辨率的AWG能提供1024个样点电平，这些电平均匀分布在仪器的整个电压范围内。若该AWG的总电压范围为2Vp-p，则每个样点表示约2mV的步进，这是仪器在无额外衰减器的情况下所能提供的最小增量。

此外，水平分辨率也至关重要。它表示创建波形时可以使用的最小时间增量。水平分辨率的计算公式为T = 1/F，其中T是定时分辨率，单位为秒；F是采样频率。例如，一个最大时钟速率为100MHz的信号发生器的定时分辨率为10ns，意味着其输出波形的特征是由一系列相距10ns的步进所确定的。虽然某些仪器通过提供扩展有效定时分辨率的工具来改进波形应用，但这些工具并未提高仪器的基本分辨率。

图26展示了水平分辨率对波形特征的影响。在水平分辨率较低的情况下，波形的边沿、周期时间或脉宽的变化可能不够精细；而当水平分辨率提高时，这些变化则更加细微。水平或定时分辨率，即最小时间增量，对于创建精确的波形至关重要。

在信号发生器的配置中，输出通道的数量是一个关键因素。许多应用场景都要求信号发生器具备多条输出通道，以满足特定的测试需求。例如，汽车防抱死制动系统的测试就需要四个激励信号，以确保系统的稳定性和安全性。同时，生物物理研究也需要模拟人体产生的各种电信号，这同样需要多条输出通道的支持。此外，复杂的IQ调制电信器件在两个相位中每个相位都需要一个独立的信号，这也是对输出通道数量的一个挑战。

为了满足这些多样化的需求，市场上已经出现了多种不同配置的AWG输出通道。某些高端的AWG能够提供最多四条独立的全带宽模拟激励信号通道，以满足高精度测试的需求。而其他一些AWG则提供最多两个模拟输出，并辅以最多16个高速数字输出，以便进行混合信号测试。这种灵活的配置使得用户能够根据实际需求选择合适的工具。

此外，某些AWG还配备了单独的数字输出功能，包括标记输出和并行数据输出两种类型。这些数字输出功能可以进一步增强AWG的测试能力，使其在模拟、数据和地址总线的同时测试中发挥更大的作用。

图 29. 并行数字输出。

标记输出功能为信号发生器提供了与主模拟输出信号同步的二进制信号。这种功能常用于在特定波形样点位置（即样点）输出一个或多个脉冲，从而与接收模拟激励信号的DUT（被测设备）的数字部分进行同步。此外，标记脉冲还能触发采集仪器，在DUT的输出一侧进行数据采集。值得注意的是，标记输出通常由独立于主波形存储器的存储器驱动，确保了其稳定性和准确性。

另一方面，并行数字输出则从与信号发生器主模拟输出相同的存储器中获取数字数据。当特定波形样点值出现在模拟输出上时，并行数字输出会提供相应的数字值，便于在测试数模转换器时作为比较数据使用。此外，数字输出还可以独立于模拟输出进行编程，进一步增强了其灵活性。

在确定了基本波形之后，还可以通过其他操作如滤波和排序来进一步改变或扩展波形。滤波技术可以从信号中去除选定频段成分，这在测试模数转换器（ADC）时尤为重要，因为必须确保模拟输入信号的频率不会超过转换器时钟频率的一半，以避免产生不想要的假信号失真。

消除这些频率的一种有效方法是应用陡峭的低通滤波器，它允许低于指定点的频率通过，同时显著衰减高于截止频率的频率。此外，滤波器还可以用于整形方波和三角波等波形。通过这种方式改变现有波形有时比创建新波形更为简便。过去，工程师需要使用信号发生器和外部滤波器来实现这些功能，但现在许多高性能信号发生器已内置了可控制的滤波器，使得操作更为便捷高效。

图 30. 滤波前与滤波后的波形对比。上方波形未经滤波，呈现锯齿状，而下方波形则经过滤波处理，形态更为平滑。

排序功能在波形测试中发挥着至关重要的作用。为了全面测试DUT，通常需要创建长波形文件。在重复波形部分时，波形排序功能能显著节省繁琐的波形编程工作。它利用计算机领域的命令，如循环、跳跃等，在仪器存储器中存储大量“虚拟”波形周期。通过序列控制器，可以生成几乎无限长度的波形。

举个简单的例子，假设有一个4000点存储器，其中包含一个干净的脉冲和另一个失真的脉冲，它们各自占据了一半的存储空间。如果仅使用基本重复功能，信号发生器将不断顺序重复这两个脉冲，直到被命令停止。然而，波形排序功能提供了更多的灵活性。例如，您可能希望失真的脉冲在每隔511个周期后连续出现两次。通过编写序列，您可以实现这个需求：先重复干净的脉冲511次，然后跳转到失真的脉冲并重复两次，再回到循环开始处重新执行这个过程。

此外，循环重复可以设置为无穷大、指定值或通过事件输入进行控制。我们之前讨论过，存储的波形周期数与定时分辨率成反比。而排序功能在改善灵活性的同时，并不会损害各个波形的分辨率。

值得注意的是，被排序的任何波形段的相位和幅度都必须实现无缝跳变。如果在DAC试图突然变成新值时出现任何问题，都可能导致不期望的毛刺产生。因此，在使用排序功能时，确保波形的跳变处理得当至关重要。

图 31. 通过循环和重复，可以有效地扩展AWG的波形存储器容量。
这个基础示例虽然简单，但它揭示了波形排序功能在检测码型相关误差方面的实用性。例如，通信电路中的码间干扰就是一个典型的应用场景。当信号在一个周期内的状态影响到后续周期，导致信号失真甚至改变其值时，就会发生码间干扰。借助波形排序功能，信号发生器可被用作激励装置，进行长期极限测试，测试时间可长达数天甚至数周。

集成编辑器

在创建具有相同形状但不同幅度的波形段时，传统的脱机波形编辑方法可能既耗时又繁琐。然而，有了集成编辑工具，这个问题变得轻而易举。这些工具允许用户同时在时间和幅度上对波形进行编辑，极大地简化了波形创建的过程。

当前的混合信号发生器配备了多种实用的编辑工具，如图形编辑器和序列编辑器。图形编辑器可以直观地构建和查看波形，而序列编辑器则包含类似于计算机编程的指令（如跳跃和循环等），这些指令可以在指定的波形序列上进行操作。通过这些工具，用户可以轻松地创建和编辑复杂的波形，满足各种测试需求。

图 32. 结合图形编辑器和序列编辑器的强大功能，用户能灵活自如地创建所需波形。

数据导入功能则进一步拓展了信号发生器的应用范围。这一功能允许用户导入在外部创建的波形文件，例如，通过GPIB或以太网将现代数字存储示波器捕获的波形轻松传输至混合信号发生器中。这一特性在利用“黄金标准器件”进行参考信号测试时显得尤为重要，因为它能够确保所有后续生成的测试副本都与原始波形保持一致。此外，信号发生器还支持对导入信号的编辑处理，如同对待其他任何波形一样。

模拟器和电子设计自动化（EDA）工具也是重要的波形来源。信号发生器能够引入、存储并重建EDA数据，从而加速早期设计原型的开发进程。

图 34. 数据导入功能。
在完成AWG的设置后，用户需要将汇编后的文件存储至硬盘。通过“Load”（加载）操作，这些波形被导入至AWG的动态存储器中，随后被复用并发送至DAC，最终以模拟形式呈现输出。这些步骤构成了在AWG上生成波形的基础流程。值得一提的是，波形文件可以与序列编辑器相结合，生成长度不受限制且复杂度任意的信号流。

▼创建复杂波形的重要性

在当今工程设计周期不断缩短的背景下，高效测试设计显得愈发重要。实际环境信号的获取与特点分析是测试设计的关键环节。然而，创建这些实际环境信号一直是一项具有挑战性的任务，往往延长了产品的开发周期。为了更简便地应对这一挑战，通用软件工具如ArbExpress，以及特定应用工具如SerialExpress®和RFXpressTM等被广泛应用于波形的创建与编辑。这些工具使得用户能够轻松地从泰克示波器中捕获波形，或从标准波形库中构建所需的复杂波形。

借助示波器采集向导，您可以轻松地与选定示波器建立连接，并从预置的通道和存储位置中选择数据源。利用光标功能，您可以轻松导入或提取波形段。此外，还支持对波形进行二次采样，以匹配预期信号发生器的定时分辨率。

在ArbExpress中，您可以利用单点绘图工具或数字数据表输入来在标准波形基础上自由定义波形。一旦波形创建完成，便可以利用数学运算功能或编辑工具轻松添加异常事件。同时，您还可以在时间或幅度轴上方便地移动波形段或整个波形，从而轻松生成符合实际环境信号的波形。 

总结

许多工程师在面对调试和设计检验等任务时，往往仅将目光聚焦于“测量”层面，将示波器或逻辑分析仪视作解决问题的全部。然而，这些采集仪器在实际工作中需要与激励仪器——信号发生器协同作用，才能构成完整的解决方案。信号发生器能够生成复杂的实际环境信号，驱动被测器件，并配合示波器等采集仪器获取输出结果。尽管示波器是行业标准采集工具，但只有信号发生器才能让工程师实现对输入信号的精准控制。同时，有效控制器件输出也至关重要。

此外，信号发生器还使得余量测试和检定成为可能。在处理信号发生器与示波器或逻辑分析仪时，工程师可以深入探索设计的性能极限，通过引入故意的极限条件、测量结果或捕获数据来发现潜在问题。信号发生器和采集仪器相结合，为从磁盘驱动器设计到电信一致性测试的各类应用提供了全面的测量解决方案。