信号源信号发生器的基本设计思想(一)-上海怡健医学

一、了解源头

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用于产生各种测试信号的仪器称为信号发生器或简称信号源。可广泛用作各种整机、系统和元器件、部件测试中的各种模拟信号或激励信号。例如，信号源用于产生一定的调制信号输入到接收机，以测试接收机的性能；我们去客户演示力科示波器时，经常会带一些信号源，比如力科生成的任意波形发生器ArbStudio。一些特殊的信号便于演示示波器的各种功能。

信号源有很多种。就信号的特性而言，有正弦信号发生器、函数发生器、任意波形发生器等。正弦信号对线性系统频域分析的重要性使得正弦信号发生器得到广泛应用。用户对此类信号源的要求通常是频率范围宽、频率精度和稳定性高、频谱纯度高、相位噪声低。例如，通信系统测试所需的正弦信号发生器，一般要求频率可以扩展到射频频段，并具有多种调制功能。正弦信号发生器的实现原理一般采用锁相技术和频率合成技术。

函数发生器是能够产生正弦波、方波、三角波等信号的信号源。传统的函数发生器采用恒流源对电容进行充放电，电容两端的电压为三角波。如果将三角波发送到比较器，则可以生成方波。三角波也可以通过波形整形电路产生正弦波。通过改变电流和电容的大小，可以调节信号频率。这种信号源一般能输出的频率不高，频率精度和稳定性低。随着数字技术的发展。函数发生器的实现也逐渐从模拟演变为数字。例如，

正弦信号发生器和函数发生器都只能产生常规信号。而产生不规则信号需要借助任意波形发生器（AWG，Arbitrary Waveform Generator）。AWG的基本设计思想是：截取一个周期内要再现的信号波形，进行均匀采样，保存在内存中。将内存中的波形数据依次读出信号发生器 函数发生器 区别，经过DAC转换，然后滤波得到需要的波形。AWG 和数字存储示波器原则上可以被认为是一个互惠的过程。数字存储示波器通过ADC将模拟波形数字化，AWG将数字化后的波形数据通过DAC转换成模拟波形。两种类型的仪器都受奈奎斯特定律的约束，可以测量/输出的最高频率分量不超过ADC/DAC采样率的一半。可以使用 LeCroy 示波器采集一段波形并保存为文件。您可以通过将波形文件导入 LeCroy 任意波形发生器 ArbStudio 来恢复模拟波形。在实际应用中，AWG使用的波形数据并非都是通过实际采样获得的，通常是通过软件辅助生成的。

二、AWG 原理

根据具体实现原理，AWG可以分为两类：基于DDS的和True Arb。

1. 基于 DDS 的 AWG

DDS，即直接数字合成，是一种频率合成方法。上面也提到过，正弦信号发生器一般采用频率合成技术。那么什么是频率合成呢？

信号源都需要使用振荡器。一般振荡器的输出频率范围是有限的，很难在很宽的频率范围内获得高稳定性。那么就需要从一个频率单一但精度高、稳定性高的振荡源（如晶体振荡器）推导出各种所需的频率。这种从一个频率导出多个频率信号的方法称为频率合成。例如，对于振荡器输出的单频信号，可以采用倍频、分频、混频等技术实现加、减、乘、除频运算，合成一系列频率信号。频率），这种方法称为直接模拟合成。还有基于 PLL 的间接频率合成。

DDS是另一种重要的频率合成技术。我们先来看看如何使用DDS技术产生正弦信号。我们知道，正弦波的频率可以表示为 f=ω/2π=Δθ/(2πΔt)。Δθ是经过Δt周期后正弦信号的相位增量。在同一时间 Δt 中，相位增量越大，角速率越高，振荡频率越高。DDS就是根据这个频率和角速率的关系来合成想要的频率。请参阅以下 DDS 框图：

相位累加器用于生成表示相位的序列。以参考时钟fs为节拍，K为累加值，生成线性递增的相序。例如相位累加器初始值表示的相位为0，K对应的累加值对应π/10，则累加器生成0、π/10、2π/10、3π/10……在参考时钟的激励下依次为 18。一系列相位，例如 π/10,19 π/10, 2π, 0, π/10,…等。

表示相位的序列用作正弦波查找表的地址。查表实现相位幅度转换，输出相位对应的正弦波幅度值。此时幅值仍然是一个数字序列，经过DAC和低通滤波器后输出。平滑的正弦波。参考时钟也是查找表的输出时钟和DAC的采样时钟。

K为相位增量Δθ，参考时钟周期1/fs为时间增量Δt，即f=Δθ/(2πΔt)=K*fs/2π。也就是说，输出信号与参考时钟fs有关，频率受相位增加的影响。数量 K 控制。例如相位增量为π/10时，20个参考时钟周期可以输出一个周期的正弦信号，即频率为fs/20；如果相位增量增加到π/5，则可以在更短的时间内完成。定期扫描，频率因此增加，即fs/10。

扩展到任意波的情况，如果将任意波形的量化数据存储在查找表中，则输出信号将以波形为周期的重复信号。重复率也由相位增量控制。

从DDS原理可以看出信号发生器 函数发生器 区别，在参考时钟不变的情况下，如果改变输出频率，并不是内存中的所有数据点都能输出。输出频率越高，所需的相位增量越大，要跳过的数据点越多。这可能会影响信号保真度。

例如，参考时钟为100MHz，内存容量为100pts，保存一个周期输出信号的采样点数据。

如果要求输出频率为1MHz，则在每个采样时钟节拍中，所有采样点都可以依次输出以满足要求。

如果要求输出频率为2MHz，则相位增量必须加倍，即每个采样时钟节拍需要跳过1个采样点。

如果反映信号瞬变的数据点恰好位于跳过的采样点中，则输出信号保真度会受到影响。见下图：

如果输出频率为 300kHz，则它不是参考时钟的整数倍。那么不仅会跳过一些数据点，而且本循环输出的数据点与下一个循环输出的数据点不同，如下图所示。输出信号可能有相位截断和频率泄漏

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