什么是函數(shù)信號發(fā)生器/波形發(fā)生器？

函數(shù)信號發(fā)生器是一種電子測試設備，可為被測器件（DUT）生成多種標準波形，例如正弦波、方波、斜波或鋸齒波。在電路設計和電路板中，測試通常需要使用可控信號來仿真常規(guī)操作。測試物理系統(tǒng)和傳感器通常需要穩(wěn)定可靠的信號，這些信號的電壓最低只有幾微伏，最高可能有幾十伏甚至更高。

函數(shù)信號發(fā)生器的工作原理

函數(shù)信號發(fā)生器系統(tǒng)主要由主振級、主振輸出調(diào)節(jié)電位器、電壓放大器、輸出衰減器、功率放大器、阻抗變換器和指示電壓表構成。當輸入端輸入小信號正弦波時，該信號分兩路傳輸，一路完成整流倍壓功能，提供工作電源；另一路進入一個反相器的輸入端，完成信號放大功能。該放大信號經(jīng)后級的門電路處理，變換成方波后經(jīng)輸出，輸出端為可調(diào)電阻。

直接數(shù)字頻率合成技術DDS是什么？DDS原理

相位函數(shù)是一條直線，斜率就是信號的頻率。

DDS是直接數(shù)字式頻率合成技術（Direct Digital Synthesizer）的英文縮寫。DDS是從相位概念出發(fā)直接合成所需要波形的一種新的頻率合成技術。與傳統(tǒng)的頻率合成器相比，DDS技術具有低成本、低功耗、高分辨率和快速轉(zhuǎn)換時間等優(yōu)點，廣泛使用在電信與電子儀器領域，是實現(xiàn)設備全數(shù)字化的一個關鍵技術。

直接數(shù)字頻率合成是采用數(shù)字化技術，通過控制相位的變化速度，直接產(chǎn)生各種不同頻率信號的一種頻率合成方法。DDS技術基本結構如上圖所示，它主要由相位累加器、正弦ROM表、D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構成。

參考時鐘fr由一個穩(wěn)定的晶體振蕩器產(chǎn)生。相位累加器由N位加法器與N位相位寄存器級聯(lián)構成，類似于一個簡單的加法器。每來一個時鐘脈沖，加法器將頻率控制數(shù)據(jù)與相位寄存器輸出的累積相位數(shù)據(jù)相加，把相加后的結果送至相位寄存器的數(shù)據(jù)輸入端。相位寄存器將加法器在上一個時鐘作用后所產(chǎn)生的新相位數(shù)據(jù)反饋到加法器的輸入端，以使加法器在下一個時鐘的作用下繼續(xù)與頻率控制數(shù)據(jù)相加。這樣，相位累加器在參考時鐘的作用下，進行線性相位累加，當相位累加器累積滿量時就會產(chǎn)生一次溢出，完成一個周期性的動作，這個周期就是DDS合成信號的一個頻率周期，累加器的溢出頻率就是DDS輸出的信號頻率。

在參考時鐘fr的控制下，頻率控制字由累加器累加以得到相應的相位數(shù)據(jù)，把此數(shù)據(jù)作為取樣地址，來尋址正弦ROM表進行相位－幅度變換，即可在給定的時間上確定輸出的波形幅值。

DAC將數(shù)字量形式的波形幅值轉(zhuǎn)換成所要求合成頻率的模擬量形式信號，低通濾波器用于濾除不需要的取樣分量，這樣即可得到由頻率控制字決定的連續(xù)變化的輸出正弦波。

由于DDS的輸出最大頻率受奈奎斯特抽樣定理限制，所以DDS 的最高輸出頻率為fr/2，但在實際設計的DDS系統(tǒng)中，由于輸出濾波器的非理想性，一般輸出信號的最大頻率只能達到參考時鐘頻率fr的40%左右。

根據(jù)我們設定的頻率計算出實現(xiàn)這個頻率的頻率固定相位增量信息,保存在第一個寄存器里,由于它決定了最終的輸出頻率,我們稱之為頻率寄存器波形存儲器里保存的是波形每個點的幅值。

采樣時鐘固定不變，對于33220A函數(shù)信號發(fā)生器/波形發(fā)生器固定是50M，通過控制相位增量的大小，控制頻率。

在每一個采樣時鐘周期，頻率寄存器輸出相位增量輸入到加法器中，加法器會將這個增量與相位寄存器輸出反饋值相加后，輸入到相位寄存器中，得到當前的相位信息來生成存儲器的輸入的地址，用這個地址到波形存儲器得到對應的幅度值，驅(qū)動數(shù)模轉(zhuǎn)換器，將數(shù)字量轉(zhuǎn)成模擬量，進入低通濾波器，將高頻成分濾掉，輸出波形。

從這個過程可以看出頻率寄存器中的值越大,我們的得到的地址步進就越大,在波形存儲器中跳過的點越多,一個周期內(nèi)用到的點數(shù)越少.我們的采樣時鐘是一樣的,每個輸出點的時間間隔是一樣的,所以點數(shù)越少周期越短,也就是頻率越高。

從理論上講，最簡單的波形生成方法是將波形點保存在存儲器中，然后逐個讀取這些點，并將它們送出到DAC中。在最后一個點讀取完畢后，發(fā)生器會再次跳回第一個點，開始下一個周期。這 有時被稱為“一個時鐘一個點”(PPC)生成方式。

采樣時鐘可變，也就是說采樣率是可變的，通過控制采樣率和取點的個數(shù)，控制輸出的頻率。

在每個采樣時鐘周期，地址計數(shù)器從0開始依次輸入到波形存儲器中將所有點依次全部取出，進入數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器中，將將數(shù)字量轉(zhuǎn)成模擬量，經(jīng)過低通濾波，最后輸出。當存儲器中的點全部取出后，會給出一個復位信號將地址計數(shù)器復位。另外一個長度計數(shù)器會計算從波形存儲其中讀出的點數(shù)，也可以將地址計數(shù)器復位。

函數(shù)信號發(fā)生器有哪幾種輸出波形?

函數(shù)信號發(fā)生器的波形有：

1. 三角波

2. 矩形波

3. 正弦波

4. 鋸齒波

5. 脈沖波等具有一些特定周期性（或者頻率）的時間函數(shù)波形。

函數(shù)信號發(fā)生器的輸出端可以短接，短接不會損壞機器。交流毫伏表不能用來測量直流電壓的大小。

現(xiàn)代函數(shù)信號發(fā)生器/波形發(fā)生器用途極其廣泛，遠遠超出了基本的正弦波、方波和斜波。函數(shù)發(fā)生器技術已從簡單的模擬波形整形儀器發(fā)展為現(xiàn)代直接數(shù)字合成 (DDS) 發(fā)生器。

什么是Trueform 波形生成技術？

Trueform 波形生成技術是 Keysight Trueform 波形發(fā)生器獨有的一項技術。Keysight Trueform 技術代表了波形生成技術的又一次飛躍，為您提供兩全其美的結果：它的成本與DDS技術相當，但卻能像PPC技術一樣提供可預測的低噪聲波形，不會跳過任何一個波形點。

直接數(shù)字頻率合成DDS技術和逐點法PPC技術兩種測量方式的比較

首先，要改變波形的頻率或采樣率，必須改變時鐘頻率，設計良好的低噪聲變頻時鐘將會大幅增加儀器的成本和復雜性。

其次，由于DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換器)輸出的波形是階梯狀的，在大多數(shù)應用中無法直接使用，因此需要進行復雜的模擬濾波，以使階梯狀的波形輸出變得平緩。由于復雜性和成本都較高，這種技術主要在高端波形發(fā)生器中使用。

它能夠以DDS技術的價位，提供可預測的低噪 聲波形，同時像逐點法 PPC 一樣， 不會跳過任 何的波形點。Trueform采用已獲專利的 虛擬可變時鐘和先進的濾波技術 (可跟蹤波形的采樣率) 進行工作。

Keysight Trueform 波形生成技術有哪些優(yōu)勢？

Trueform 波形生成技術的優(yōu)勢包括：

超低的抖動 - Trueform 函數(shù)/任意波形發(fā)生器的抖動低至 1 ps，具有出色的邊沿穩(wěn)定度。您甚至可以使用它們來充當系統(tǒng)時鐘，用于計時和觸發(fā)其他儀器。得益于更良好的抖動性能，您可以更準確地定位邊沿，這有助于減少電路設計中的時序誤差。

超低的諧波失真 - Trueform 波形發(fā)生器的總諧波失真僅為 0.03%，保真度是其他是德科技發(fā)生器的 5 倍。純凈的無雜散信號不會帶來噪聲或偽影。在測量過程中，您看到的是純粹的設計特征，而不是波形發(fā)生器的特征。

無混疊 - 使用 Trueform 任意波形功能可以定義各種形狀和長度的波形。按照指定的采樣率回放信號，不會錯過對器件可靠性至關重要的瞬時異常。Trueform 不會錯過任何點，也不會產(chǎn)生混疊。

什么是混疊?

數(shù)據(jù)采集時，如果采樣頻率不滿足采樣定理，可能會導致采樣后的信號存在混疊。

當采樣頻率設置不合理時，即采樣頻率低于2倍的信號頻率時，會導致原本的高頻信號被采樣成低頻信號。如下圖所示，紅色信號是原始的高頻信號，但是由于采樣頻率不滿足采樣定理的要求，導致實際采樣點如圖中藍色實心點所示，將這些藍色實際采樣點連成曲線，可以明顯地看出這是一個低頻信號。在圖示的時間長度內(nèi)，原始紅色信號有18個周期，但采樣后的藍色信號只有2個周期。也就是采樣后的信號頻率成分為原始信號頻率成分的1/9，這就是所謂的混疊：高頻混疊成低頻了。

對連續(xù)信號進行等時間采樣時，如果采樣頻率不滿足采樣定理，采樣后的信號頻率就會發(fā)生混疊，即高于奈奎斯特頻率（采樣頻率的一半）的頻率成分將被重構成低于奈奎斯特頻率的信號。這種頻譜的重疊導致的失真稱為混疊，也就是高頻信號被混疊成了低頻信號。

掃頻的混疊實例

采樣與混疊問題 - 采樣信號的混疊現(xiàn)象

采樣定理告訴我們：如果對某一帶寬有限的時間連續(xù)信號（模擬信號）進行抽樣，且采樣速率達到一定數(shù)值時，那么根據(jù)這些采樣值就能準確地確定原信號。也就是說，若要傳輸模擬信號，不一定要傳輸模擬信號本身，只需傳輸滿足采樣定理要求的采樣值即可。因此，該定理就為模擬信號的數(shù)字傳輸?shù)於死碚摶A。

利用采樣技術，可以對一個頻率很高的信號抽取有限的樣點，對樣點進行平滑后的的重建信號在時域特性上相似于原始信號，但是具有較低的頻率，以便進行后處理。

但是如果采用頻率不夠高，就可能產(chǎn)生混疊現(xiàn)象，即信號的低頻成分干擾高頻成分。所以一定要對輸入信號進行帶限。

當采樣時鐘不滿足Nyquist定理要求，采樣點不能正確反映信號波形，頻譜上造成混疊上圖是信號采樣之后的頻譜，由于不滿足采樣定理使頻譜產(chǎn)生混疊現(xiàn)象無法分離，下面的時域波形表明重構的信號（如虛線所示）與原始信號（如實線所示）完全不同。

嚴格地說，限帶信號并不存在，因為存在于有限時間區(qū)間的信號，就包含無限頻率分量。但是，實際上對于所有信號，大部分能量存在于一定頻率范圍內(nèi)，在較高頻率上的分量其頻譜密度函數(shù)都比較小 。因而在實用的意義上，信號可以認為是頻帶有限的，高頻分量所引入的誤差可以忽略不計。

在工程設計中，考慮到信號絕不會嚴格帶限，以及實際濾波器特性的不理想，通常取采樣頻率為（2.5～5倍最高頻率） ，以避免失真。

什么是 IQ調(diào)制？

同相正交調(diào)制（IQ調(diào)制）是通信應用中使用的主要調(diào)制方案。它之所以受歡迎，是因為它能高效利用帶寬，滿足這個數(shù)據(jù)量急劇增長的世界對帶寬越來越迫切的需求。使用仿真的 IQ 信號進行測試非常重要，因為設計人員在充斥干擾的頻譜中總是會面臨帶寬不足的困境。

例如，設計人員需要測試其設計的極限性能，從而確保它們在真實環(huán)境中能夠正常運行。為此，他們必須首先生成一個理想信號來測試設計的理想性能。因此，他們必須生成一個高品質(zhì)的已知純凈信號。

他們可以通過調(diào)整兩個通道之間的增益平衡以及每個通道的幅度偏移來仿真非理想的 IQ 信號。他們甚至可以調(diào)整偏移，以皮秒級分辨率及時移動 I 或 Q 基帶信號。某些函數(shù)發(fā)生器支持您執(zhí)行更先進的調(diào)制，將噪聲、隨機抖動或確定性抖動添加到信號中。

波形排序有什么重要作用？

波形排序讓您能夠創(chuàng)建多個配置好的波形，它們包含多個公共分段。排序讓您能夠使用盡量少的儀器存儲器容量構建復雜的長波形。通過波形排序，您可以根據(jù)需要在信號的不同位置重放短一些的波形，從而節(jié)省存儲容量。

很多測試需要較長的波形存儲記錄。所需的記錄長度最終可能會超過可用的波形存儲器容量。排序是一種增加信號長度的方法。在排序過程中，不同的波形分段按照用戶定義的順序重復播放（或逐一播放）。

如果想要創(chuàng)建更高效的工作流程來生成任意信號，工程師可以使用波形排序來建立任意波形信號庫。然后，他們可以將信號重組為一個序列，從而產(chǎn)生新的信號。