信號發生器的架構——從模擬輸出到高級特性

NI信號發生器利用同步與存儲核心（SMC）架構，在一臺設備的板上存儲、外部硬體和數模轉換器（DAC）之間提供了一個共用的接口。本白皮書比較了兩種類型的信號發生器——任意函數發生器和任意波形發生器。此外，本文也探究了信號發生器的各個方面，其中包括存儲器架構、DAC考慮因素、數字增益、濾波與插值、信號發生引擎和各種事件。一個典型的信號發生器的模塊框圖如圖1所示。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201612/333299.htm

圖1。信號發生器模塊框圖

下列章節考察了每個組件在信號發生過程中的作用。此外，您將了解利用一個信號發生器儘可能地生成最佳信號所必需的技術細節。注意，信號發生器因類型和功能的不同而不同。例如，任意函數發生器通常使用少於1 MB的板上存儲。在另一方面，任意波形發生器使用高達512 MB的板上存儲和高級排序功能。此外，一些任意波形發生器實現了板上信號處理（OSP）功能，以生成基帶I/Q信號與IF信號。由於OSP並不屬於本白皮書的討論範圍，敬請查看OSP介紹以獲取更多信息。

1. 信號發生器的類型

絕大多數信號發生器包含共同的組件，例如一個DAC、板上存儲和模擬或數字濾波電路。然而，信號發生器可以根據其存儲選項和時鐘特性分為兩類。這兩類信號發生器是函數發生器和任意波形發生器（AWG）。

函數發生器

函數發生器是專為生成位於精確頻率點的周期性波形而設計的。事實上，它們通常採用一個稱為直接數字合成（DDS）的時鐘機理，以生成精度高於1 µHz的精確頻率。此外，DDS賦予了函數發生器在運行中以相位連續的方式改變頻率的能力。而且，由於函數發生器輸出的是重複波形，所以它們僅需要有限的存儲以存儲該波形的單個周期。NI任意函數發生器能夠通過一個標準庫（其中包括正弦波、方波、斜面波和三角波等波形）或者用戶定義的16 kS波形生成許多種周期性波形。函數發生器的一些常見應用包括濾波器表徵、激勵-響應測試和產生時鐘信號源。

任意波形發生器

另一方面，AWG是專為生成大且常常複雜的波形而設計的。因此，它們採用深度板上存儲和複雜的時鐘機制。事實上，該SMC架構處理高達512 MB的存儲器。此外，AWG甚至能夠針對更為複雜的序列進行高級的波形連接、環接和腳本編寫處理。該SMC還提供了許多高級的標記符號和觸發信號，以實現與其它儀器的同步。我們將在本白皮書中更為深入地討論這些特性。

2. 深度板上存儲

現代信號發生器（特別是AWG）實現了深度板上存儲器以存儲大波形。基於PCI或PXI的儀器能夠有效使用這一存儲，因為PCI總線使高吞吐量成為可能。

信號發生器利用板上存儲同時存儲波形和序列指令。一個複雜序列的指令可能會佔用存儲器中的相當的空間。事實上，利用NI信號發生器的架構，您可以將多個波形和多個序列指令加載到同一臺儀器的存儲器中。圖2展示了一個典型的NI信號發生器的存儲器分配。

圖2。信號發生器的存儲器分配

注意， NI信號發生器具有高達512 MB的板上存儲，其工作時間較長。而且，利用NI-FGEN驅動程序，您可以在該信號發生器正在生成一個波形的同時，編寫和替換存儲器中的這些波形。因而，利用PXI總線上可用的高吞吐量，您可以連續改寫波形段以生成波形流。

3. 數模轉換器（DAC）

現代信號發生器利用先進的DAC將存儲器中的數字波形轉換為模擬信號。NI採用的所有DAC具有一種採樣及保持的工作特性，即該DAC在給定時長內保持在一個離散電壓水平。

4. 數字增益與衰減

由於信號發生器是專為生成大範圍電壓信號而設計的，模擬增益放大器和數字增益處理均用於最大化該信號發生器的幅值精度和靈活性。

典型地，NI信號發生器提供三個不同的增益通路，以將DAC模擬輸出放大至不同的模擬電壓範圍。其中，每一個通路的範例輸出如圖3所示。

圖3。信號發生器的增益放大器

此外，信號發生器使用數字增益以放大或衰減信號，從而利用了DAC的全範圍。利用這一特性，採樣信號在被生成模擬信號前，通過增益因子數位化調整大小。因此，您可以在運行中調整一個給定信號的幅值，而不必將一個不同的波形再次加載到存儲器中。對於一個給定的信號通路，您可以將波形放大至其最大範圍。

5. 插值與濾波

正如前面所提及的，DAC僅僅能夠近似真正的理想信號。事實上，由於一個DAC的步進輸出導致了高頻鏡像，所以現代信號發生器同時實現了模擬濾波器和數字濾波器，以提供一個理想模擬信號的最佳近似。作為一個範例，一個未濾波處理的信號的時域信號如圖4所示。

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圖4。DAC的採樣及保持輸出

高頻鏡像是該採樣及保持輸出的結果。這些鏡像的頻率為每個採樣頻率的倍數加上或減去基頻。因而，當生成一個被以100 MHz頻率採樣的20 MHz正弦曲線時，您會看到80 MHz、120 MHz、180 MHz和220 MHz等頻率的圖樣。圖5顯示了該20 MHz正弦波的頻域特性。

圖5。一個20 MHz正弦波的頻譜圖樣

正如該圖所示，高頻頻譜鏡像會使您正在生成的信號的頻域產生失真。

NI信號發生器利用一個模擬濾波器和/或一個數字濾波器移除高頻鏡像。首先，一個數字有限衝激響應（FIR）濾波器對該信號進行插值處理以提高有效採樣率。例如，一個20 MHz正弦波被以100 MS/s的採樣率採樣，然後四倍插值以達到400 MS/s的有效採樣率。通過提高有效採樣率，距離新的有效採樣率最接近的頻譜鏡像如圖6所示：

圖6。一個經4倍插值的20 MHz正弦波的頻譜圖樣

如圖6所示，數字濾波處理（插值）無法完全消除頻譜鏡像。實際上，它僅僅將它們遷移至更高的頻率。然而，許多信號發生器還使用了一個模擬濾波器。該模擬濾波器能夠將這些頻譜鏡像衰減至噪聲水平以下。該情形如圖7所示，它顯示了您應用了一個低通模擬濾波器之後的相同頻域圖形。

圖7。一個經插值和模擬濾波器處理的20 MHz正弦波

如圖7所示，這些頻譜鏡像已經下降到該設備的噪聲水平以下。在此具體範例中，該模擬低通濾波器使得高頻鏡像衰減達60 dB之多。因此，該信號發生器能夠生成一個更為精確逼近理想模擬信號的模擬信號。進而，您可以觀測到經插值核濾波處理的信號的時域波形，如圖8所示：

圖8。一個20 MHz正弦波的時域圖形

圖8表明原先在時域內非常明顯的各個階梯信號都消失了。實際上，該輸出看似一個純淨的正弦曲線。因而，插值與模擬濾波處理均有助於提升一個信號發生器的精確逼近一個模擬信號的能力。

6. 時鐘

正如一個DAC的精度對於所生成信號的幅值精確度有重大影響一樣，應用於該DAC的時鐘也對所生成信號的頻率精確度有重要影響。因此，一個精確的時鐘機制的影響在一個信號的頻域內是可測量的。現代信號發生器提供了多種時鐘作用方式，使得DAC輸出位於精確的頻率並具有最小的時鐘抖動。下列章節描述了各個時鐘機制及其技術優勢。

N倍分頻

下分頻（或N倍分頻）時鐘機制對一個信號發生器的時基分頻以提供特定的頻率。該組件利用一個壓控晶體振蕩器（VCXO）為該信號發生器生成一個基礎高頻時基。依靠該時基，N倍分頻電路能夠派生出符合該信號發生器時基的整除數的頻率。例如，您可以將一個200 MHz的時基分割得到200 MS/s、100 MS/s、66.6 MS/s和50 MS/s等頻率。

該N倍分頻時鐘機制由於提供了與採樣時鐘的最小抖動，故更為可取。然而，它也是最不靈活的時鐘機制，因為有效採樣率必須是該時基的嚴格的整除數。

高精度時鐘

信號發生器的另一個可選的時鐘機制是高精度時鐘，它支持最精確的頻率精度。利用該機制，派生一個高達最大採樣率的採樣時鐘成為可能，即使它並不是基礎時基的一個整除數。NI信號發生器利用該時鐘機制派生出精度優於1 µHz的時鐘。該時鐘模式對於那些需要一個精確時鐘頻率的應用非常有用，而這在採用下分頻時鐘策略中是無法實現的。然而，高精度時鐘機制將導致比N倍分頻機制更多的時鐘抖動。

直接數字合成（DDS）

NI函數發生器採用了一個稱為直接數字合成的時鐘機制。DDS通過首先將大量重複波形存儲在一個有限的存儲空間內進行工作。對於NI產品，一個波形（正弦波、三角波、方波和任意波形）的單個周期可以通過準確的16384個點表示並存儲在存儲器中。一旦該波形被存入存儲器中，它可以在非常精確的頻率點被生成。

注意，利用DDS的波形發生在根本上不同於任意波形發生，這一點非常重要。利用任意波形發生，波形的每一個採樣被存儲在存儲器中並按順序生成。利用DDS生成的信號的工作方式略有不同。使用這種工作方式，一個波形的單個周期被存儲在存儲器中。然而，在生成該信號時，DAC並沒有生成該波形的每一個點。實際上，當生成一個精確的頻率時，DAC忽略了信號生成過程中的採樣，以得到期望的採樣率，如圖9所示：

圖9。利用直接數字合成生成一個21 MHz的信號

DSS的實現需要一個查詢表以確定在任何頻率點準時生成的信號的相位。圖10展示了基於直接數字合成的波形發生的模塊。

圖10。直接數字合成的功能模塊

如圖10所示，一個相位累加器比較採樣時鐘和期望頻率，以使一個相位寄存器遞增。其基本原理便是，DDS根據期望信號的瞬時相位選擇合適的採樣，使得在精確的頻率點生成周期信號。通過利用214（16384）個點表示您的波形，您可以利用您的查詢表來表示準確的16384個相位增量。憑藉DDS，函數發生器能夠在精確的頻率點生成信號。事實上，利用48-位DDS，NI-5406提供了高於1 µHz的頻率精度。

參考時鐘

雖然該信號發生器利用一個採樣時鐘確定了新採樣生成的時間，但是，一個參考時鐘對於多個儀器的同步還是非常重要的。當使用參考時鐘時，信號發生器能夠通過一個鎖相環（PLL）實現它的採樣時鐘與一個外部時鐘的鎖相。PLL是一個能夠根據參考時鐘對準採樣時鐘的相位的反饋電路（參見圖11）。因此，通過在多臺設備間共享同一個參考時鐘，您可以實現這些採樣時鐘的同步，並對準所生成的信號。圖11展示了一個基本PLL的模塊框圖。

圖11，基本鎖相環電路

正如該模塊框圖所示，PLL是一個對VCXO的相位進行控制的閉環控制系統。相位檢測裝置輸出一個與兩個輸入信號的相位差成正比的電壓。最後，環路濾波器調整振蕩器時鐘的相位以匹配參考信號的相位。因此，該參考頻率與該採樣時鐘可以實現相位的精確匹配。

7. 連接與循環（波形發生引擎）

NI信號發生器利用高級SMC特性連接和循環波形分段。連接和循環可以分為兩種生成模式，順序模式和腳本模式。利用順序模式，您可以利用存儲在板上存儲器內的順序指令配置一個信號發生器，使其輸出一系列預先定義的波形。另一方面，腳本模式甚至更為強大，因為您可以利用它創建一個動態波形序列，其中，信號發生器的輸出取決於硬體觸發器或軟體觸發器的狀態。此外，腳本模式利用條件語句，如「如果/否則」，以實現分支波形序列。同時利用連接和循環模式，您可以配置該信號發生器，使其輸出一個或多個具有標記符號或標記符號事件等特性的觸發器信號。

順序模式

在順序模式下，您可以通過一個預先配置的序列生成一系列波形。此外，您可以實現各種觸發模式以進入序列中的下一個波形。常見觸發器模式包括單觸發器、連續觸發器、步進觸發器和突發觸發器。這裡的每一個模式都在生成不同波形時，提供了不同的輸出選項。例如，步進觸發器模式描述如下。

在步進觸發器模式下，您利用一個觸發器步進通過一個順序列表中的每一個波形。當您從發生會話開始時，第一個波形按照您在該步驟中所配置的次數循環。當該波形完成所設定的循環次數後，該波形的最後一個採樣連續重複，直至接收到下一個觸發信號。當接受到下一個觸發信號，第二個波形被生成並按配置的次數迭代。重複這樣的過程，直至最後一個配置波形被生成。此時，需要一個觸發條件以再次啟動該發生序列。該過程如圖12所示。

圖12。利用步進觸發器模式排序

正如圖12所示，該信號發生器在t0時刻（接收到第一個觸發信號時）開始生成第一個波形。此外，它通過生成「波形0」持續循環，直至達到所配置的循環次數（在本例中為兩次）。正如您可以從圖12中觀察到的，該信號發生器繼續驅動「波形0」的最後一個採樣，直至t1時刻接收到下一個觸發信號。

腳本模式

雖然順序模式支持一個信號發生器在接收到觸發信號時輸出一系列波形，但它自身也存在局限性。本質上，順序模式要求您在信號發生開始前配置每一個步驟。為了配置一個動態腳本（這裡的輸出是因條件而定的），您必須使用一種稱為腳本的更高級順序形式。

腳本支持一個信號發生器根據系統中的硬體事件或軟體事件動態輸出一個波形序列。此外，由於其靈活性，它是最高級的波形控制特性。使用腳本，您不僅可以實現多個波形的連接和循環，還可以在配置腳本觸發器後，生成一個以受測設備內部發生的事件為條件的波形。利用腳本觸發器，腳本引擎動態地選擇待生成的波形，這取決於特定觸發信號線路的狀態。

例如，考慮一個使用「重複直至」命令的腳本。利用該腳本，「波形1」被配置成重複直至腳本觸發信號變為真。該腳本具體如圖13所示。

圖13。採用重複直至」命令的腳本範例

注意，「scriptTrigger0」被用作確定應當生成哪一個波形的變量。在此腳本中，該信號發生器首先生成「波形0」。該波形一旦生成，通過生成「波形1」循環並持續重複，直至「scripttrigger0」變為真。（請確定這兩個變量是否相同）一旦該事件發生，該信號發生器在序列完成前生成「波形2」。該腳本所得到的輸出信號如圖14所示：

圖14。使用「重複直至」腳本的信號發生器的輸出

正如圖14所示，該信號發生器持續生成「波形1」，直至「scripttrigger0」變為真。因而，利用腳本，您可以通過配置一個腳本觸發器決定信號發生器的輸出，從而生成動態波形

8. 觸發信號與事件

為了實現與其他儀器的同步，SMC架構提供了標記符號事件和數據標記符號事件等特性。使用這些事件，您可以配置您的信號發生器，以生成控制其它儀器行為的輸出觸發信號。使用標記符號事件時，您可以配置高達1條（順序模式）或4條（腳本模式）觸發信號線路，以改變與一個配置的採樣數同步的狀態。相比之下，利用數據標記符號事件，您可以將高達四比特的模擬波形路由至高達四條觸發信號線路。利用該類型的輸出觸發器，該觸發器的狀態嵌入在實際波形中。

標記符號事件

標記符號事件通過給定一個從波形起點的偏離量（以採樣數目度量）進行表述。在順序模式下，您可以為序列中的每個步驟配置一個標記符號事件。在腳本模式下，您可以在一個特定的波形中配置高達四個具有不同偏離量的標記符號。正如您在圖15所看到的，與該標記符號相關聯的觸發信號線路，在生成第20個採樣的同一個時鐘邊沿變為真。此外，您可以觀測到，在此案例中，觸發信號線路在採樣時鐘頻率的40個周期內保持為真。

圖15。標記符號事件輸出的定時

注意，您可以利用屬性節點採取多種方式配置該標記符號輸出的行為。圖15展示了該標記符號事件已被配置為一個採樣時鐘下的八周期脈衝。

數據標記符號事件

利用數據標記符號事件，您可以將高達四個波形數據比特作為一個數位訊號輸出至一條物理觸發信號線路。例如，典型的信號發生器採用一個16-位DAC；每個採樣時鐘周期，16-位採樣被發送至該DAC。然而，您也可以最多將每個採樣的四個比特路由至物理觸發信號線路。進而，您可以將這四個波形比特配置為一個數字波形，以實現與其他硬體的同步。雖然您可以選擇任意四個比特，但是通常使用最低位的四個比特，以使對模擬輸出的影響降至最低。圖16顯示了一個採用數據比特標記符號的信號的定時框圖。

圖16。一個波形的按位表示

圖16顯示每個16-位採樣的最低四個比特已被突出標記。利用該數據標記符號事件，您可以將這些比特中的每一位作為一個數位訊號直接路由至一個觸發信號線路。

總結

現代信號發生器利用SMC架構支持複雜、精確的模擬信號的生成。因此，信號發生器能夠生成多種信號，並為一系列廣泛的應用服務。