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函数/任意波形发生器全攻略
函数/任意波形发生器全攻略
     函数/任意波形发生器用来做什么的？

 　一、函数功能，仿真基础实验室设计人员的环境　　函数信号源是使用*广的通用信号源，它能提供正弦波、锯齿波、方波、脉冲串等波形，有的还同时具有调制和扫描能力，众所周知，在我们的基础实验中（如大学电子实验室、科研机构研究实验室、工厂开发实验室等），我们设计了一种电路，需要验证其可靠性与稳定性，就需要给它施加理想中的波形以辨别真伪。如我们可使用信号源的DC补偿功能对固态电路控制DC偏压电平；我们可对一个怀疑有故障的数字电路，利用信号源的方波输出作为数字电路的时钟，同时使用方波加DC补偿产生有效的逻辑电平模拟输出，观察该电路的运行状况，而证实故障缺陷的地方。总之利用任意波形发生器这方面的基础功能，能仿真您基础实验室所必须的信号。　　二、任意波形，仿真模拟更复杂的信号要求　　众所周知，在我们实际的电子环境所设计的电路在运行中，由于各种干扰和响应的存在，实际电路往往存在各种信号缺陷和瞬变信号，例如过脉冲、尖峰、阻尼瞬变、频率突变等，这些情况的发生，如在设计之初没有考虑进去，有的将会产生灾难性后果。例如图1中的a处过尖峰脉冲，如果给一个抗冲能力差的电路，将可能会导致整个设备“烧坏”。确认电路对这样一个状况敏感的程度，我们可以避免不必要的损失，该方面的要求在航天、**、铁路和一些情况比较复杂的重要领域尤其重要。　　由于任意波形发生器特殊的功能，为了增强任意波形生成能力，它往往依赖计算机通讯输出波形数据。在计算机传输中，通过专用的波形编辑软件生成波形，有利于扩充仪器的能力，更进一步仿真模拟实验。同时由于编辑一个任意波形有时需要花费大量的时间和精力，并且每次编辑波形可能有所差异这样有的任意波形发生器，内置一定数量的非易失性存储器，随机存取编辑波形，有利于参考对比；或通过随机接口通讯传输到计算机作更进一步分析与处理。　　三、下载传输，更进一步实时仿真　　在一些**、航空、交通制造业等领域中，有些电路运行环境很难估计，在实验设计完成之后，在现实环境还需要作更进一步实验，有些实验的成本很高或者风险性很大（如火车高速实验时铁轨变换情况、飞机试机时螺旋桨的运行情况等），人们不可能长期作实验判断所设计产品（例如高速火车、飞机）的可行性和稳定性等；我们就可利用有些任意波形发生器波形下载功能，在作一些麻烦费用高或风险性大的实验时，通过数字示波器等仪器把波形实时记录下来，然后通过计算机接口传输到信号源，直接下载到设计电路，更进一步实验验证。将DDS应用于波形发生器，能非常方便的产生任意波形。一般除了具备常规函数发生器所具备的正弦波、方波、锯齿波、脉冲、噪声外，还有指数上升、指数下降、Sinc波、心电图波、直流，以及地震波等任意波形。能采用直接在仪器上手动编辑或windows下软件编辑的方式产生任意波形，用于模拟电路或应用环境中可能发生的情况，此外还具备非常丰富的调制功能，甚至有些调制功能是以往只能在**信号源上才能看到的。
  您能够在可能比较困难或者不能生成复杂输出波形的各种应用环境中使用任意波形发生器，能够非常容易地在可控制的情况下模拟一些非理想的信号，例如上升时间振铃毛刺噪声和随机时变，物理，化学，生物，医学，电子，机械，以及其他领域都可以从任意波形发生器的多功能性中获益。无论是振动抽运脉冲起泡猝发或以任何方式相对于时间的变化，您都可以使用任意波形发生器。只受您指定波形数据的能力的限制，调制是用低频信息（称为调制信号）调整高频信号（称为载波信号）的过程。载波信号和调制信号可以具有任何波形，但是载波通常是正弦波，两个常用的调制类型是调幅(AM)和调频(FM)。这两种调制形式根据调制信号的瞬时值分别调整载波的振幅或频率。第三种调制类型是频移键控(FSK)，在这种调制中输出频率根据数字调制信号的状态在两个频率间移动。调制波形相对于载波频率的频率变化称作频率偏移，频率偏移小于调制信号带宽的1%的波形称为窄带， FM具有较大偏移的波形被称为宽带，FM已调制信号的带宽可由下列等式进行近似计算

 BW=2x(调制信号带宽)对于窄带 FM

 BW=2x(偏移 + 调制信号带宽)对于宽带 FM

 在美国商业 FM 电台通常具有 15 kHz 的调制带宽75 kHz 的偏移也就是宽带因此调制带宽是2 x(75kHz + 15 kHz) = 180 kHz频道间隔为 200 kHz

 模拟调制。幅度调制(AM)和频率调制(FM)*常用于广播通信中。调制信号随载波幅度和/或频率变化。在接收端，解调电路理解幅度和/或频率变化，从载波中提取内容。相位调制(PM)调制载波波形的相位、而不是频率，以嵌入内容。

 数字调制。与其它数字技术一样，数字调制基于两种状态，允许信号表示二进制数据。在幅移键控(ASK)中，数字调制信号导致输出频率在两个幅度之间开关；在频移键控(FSK)中，载波在两个频率(中心频率和偏置频率)之间开关；在相移键控(PSK)中，载波在两个相位设置之间开关。在PSK中，通过发送与以前信号相位相同的信号，来提供比特“0”，而比特“1”则通过发送相位相反的信号进行表示。

 脉宽调制(PWM)是另一种常用的数字格式；它通常用于数字音频系统中。顾名思义，它只适用于脉冲波形。通过PWM，调制信号导致脉冲的活动脉宽(前面介绍的占空比)变化。

 正交调制。当前数字无线通信网络是在正交(IQ)调制技术基础上构建的。两个载波是同相(I)波形和正交相位(Q)波形，其中Q波形相对于“I”波形整整延迟90度，这两个波形进行调制，生成四种信息状态。两个载波组合在一起，通过一条通道传输，然后在接收端分开和解调。IQ格式提供的信息要远远高于其它模拟和数字调制形式：它提高了系统的有效带宽。

 下面找出主要以国产厂商为主的函数/任意波形发生器做一个对比，以此来了解国内DDS的应用水平，并给出一个大概的选购指南，以便您在需要的时候能够快捷的找到合手的信号源。Agilent在很早之前就推出了33200系列的任意波形发生器，给业界立了一个标杆，*近其又推出了33210A来进一步细分这个市场。而Tek推出的AFG3000系列采用了类似TDS1000系列的经典界面，将波形图形化显示，也算一个**；而且其采样率*高达2GSa/s，输出频率240MHz，也将商用的DDS任意波形发生器推到了一个新的高度。在此以这两家作为对比的尺度来衡量各家的水平。但国内厂商大多参考的是Agilent的33200系列，推出了的种类比较繁多，这里仍然取代表其*高水平的型号。

1. Agilent 33250A
2. TektronixAFG3101
3.Rigol DG3121A
4. TFG3150
5. SPF120
6.EM32801
7. WY32040A
8. SG2040
9. CS164
10. SFG830

1. Agilent 33250A
  Agilent的这款仪器就不用多说，相信在没有普源之前，好多用到函数/任意波形发生器的朋友手头就是这款，或者是他的同门兄弟33220A，更有甚者用到的可能是33120A。本身就提供了非常高的频率准确度3ppm，还可以通过10M参考时钟输入来进一步提高频率准确度，不过遗憾的是10MHz输入，输出不是标配，而是选件。虽然显示采用了一块比较小的液晶，但具备了全部的必要显示信息，并具有图形和文字两种显示，并可一键切换。但有一个很大的不便是不支持USB。另外其支持从Agilent的主流示波器中无缝导入波形，从而实现信号的复现。33250A有触发脉冲延迟功能。

 

 33210A

 

33220A

 

33250A（有触发脉冲延迟功能）

 

81150A

 

正弦波

 

10 MHz

 

20 MHz

 

80 MHz

 

240 MHz

 

标准波形

 

正弦波，方波，脉冲，斜波，噪声，直流波形

 

正弦波，方波，脉冲，斜波，三角波，噪声，sin(x)/x,指数上升和下降，心律波，直流波形

 

正弦波，方波，脉冲，斜波，三角波，噪声，sin(x)/x

 

任意波形

 

可选8K点，sin(x)/x,指数上升和下降，心律波

 

2至 64K 点

 

14bit，2GSa/s

 

采样率

 

50 MSa/s

 

50 MSa/s

 

200 MSa/s

 

2GSa/s

 

调制

 

AM, FM, PWM，扫描和猝发（内/外）

 

AM, FM, PM, FSK, PWM，扫描和猝发（内/外）

 

AM, FM, FSK，扫描和突发（内/外）

 

AM, FM, PM, FSK, PWM

 

猝发

 

选通，N周期

 

选通，N周期

 

选通，N周期

 

选通，N周期

 

噪声产生

 

7MHz

 

9 MHz

 

50 MHz

 

120 MHz

 

连通性

 

GPIB, LAN, USB

 符合LXI Class C 标准

 

GPIB, LAN, USB

 符合LXI Class C 标准

 

GPIB, RS-232

 

GPIB, LAN, USB

 符合LXI Class C 标准

 


2. Tektronix AFG3251
 Tek的这款任意波形发生器虽然推出的稍晚，但是具有业界*高的水准。高达240MHz的正弦波，以及120MHz的方波和脉冲。值得注意的是虽然其有高达2GSa/s的采样率，但是只有波形长度<16k的情况下采样率才是这么高。当波形长度>16k时，采样率则只有250MSa/s,这时候跟其它对手就相差不远。其它特点还有：
. 脉冲的上升沿*短只有2.5nS
. 具有相加功能，可在输出中增加外部信号
. 可通过公式编辑器、手绘、点绘和波形数**算定义波形
. 可从任何tek示波器中无缝导入波形

 

 

AFG3000系列特性

 

 

AFG3021B/AFG3022B

 

AFG3101/AFG3102

 

AFG3251/AFG3252

 

通道数

 

1/2

 

1/2

 

1/2

 

标准波形

 

正弦波、方波、脉冲波、锯齿波、三角波、sin(x)/x、指数上升/衰减、高斯、洛仑兹、半正矢、直流、噪声

 

正弦波：

 

1μHz～25MHz

 

1μHz～100MHz

 

1μHz～240MHz

 

方波

 

1 μHz～12.5 MHz

 

1 μHz～50 MHz

 

1 μHz～120 MHz

 

上升/下降时间

 

≤18 ns

 

≤5ns

 

≤2.5 ns

 

脉冲波形

 

1 mHz～12.5 MHz

 

1 mHz～50 MHz

 

1 mHz～120 MHz

 

　脉冲宽度

 

30 ns～999 s

 

8 ns～999 s

 

4 ns～999 s

 

边沿跃迁时间

 

18 ns～625 s

 

5 ns～625 s

 

2.5 ns～625 s

 

分辨率

 

10 ps 或4 位

 

其他波形

 

1 μHz～250 kHz

 

1μHz～1 MHz

 

1 μHz～2.4 MHz

 

噪声带(–3dB)

 

25 MHz

 

100 MHz

 

240 MHz

 

直流（输入50 Ω）

 

–5V～+5 V

 

–5V～+5 V

 

–2.5 V～+2.5 V

 

任意波形

 

1 mHz～12.5 MHz

 

1 mHz～50 MHz

 

1 mHz～120 MHz

 

非易失存储器

 

4 个波形

 

4 个波形

 

4 个波形

 

存储器：采样速率

 

2～128K: 250 MS/s

 

16K～128K:250 MS/s 2点～16K: 1 GS/s

 

16K～128 K: 250 MS/s
2 点～16 K: 2 GS/s

 



3. Rigol DG3121A
  DG3121A是业界**个具备了数字逻辑输出功能的任意波形发生器。指标在国产的函数/任意波形发生器中几乎遥遥**，界面也非常友好。在所有同类产品中具有*齐全的通信接口，具备RS232，USB，GPIB，LAN。由于内置了以太网口，支持网络远程控制，但并不支持LXI。可与自家的DS系列示波器无缝互联，直接获取示波器中存储的波形并无损地重现。标配任意波编辑软件UltraWave。标配10MHz输入、输出接口。但频率的年准确度只有20ppm，作为同类产品中的**产品，比起Agilent的33250A来就差上好多。不过可以通过外接10MHz高稳参考晶振来提高精度。另值得一赞的是其网站披露的信息比较详细。
   此外还有高仿Agilent33200系列的DG2000和DG1000系列，涵盖了15MHz到40MHz的频率范围。任意发生器部分，DG2000和DG1000系列的*高采样率都为100MSa/s，垂直分辨率均为14bits，但DG2000的波形长度为512kpts，DG1000则只有4kpts。另DG2000的任意波频率*高12MHz，DG1000为5MHz。
4. 石家庄无线电四厂 TFG3150
  石家庄无线电四厂是一个老牌企业，主要产品涉及信号源，时间，频率测试系统。由其生产的信号源广泛采用了DDS技术。主要有TFG2000，3000，6000系列，涵盖了3MHz到150MHz的频率范围。TFG3150代表了其*高水平，具有400MSa/s的采样率，14bits幅度分辨率，16kpts的波形长度。支持*高达150MHz的正弦波输出，这一指标也是国产中*高的。并支持2PSK、4PSK、3FSK、4FSK等调制方式。其它方面其网站披露的信息多有不详。虽采用了5.7寸的液晶屏显示参数，但并无图形显示方式。波形分辨率也只有100mHz。

  此外还有TFG2000系列，界面如下。相应的参数为180MSa/s,10bits幅度分辨率，16kpts的波形长度。*高型号TFG2080A的输出频率80MHz。标配GPIB接口，可选配USB，RS232。
5. 南京盛普 SPF120
  南京盛普科技也是一家老牌企业，主要产品为信号源，频率计,扫频仪等。其采用DDS生产的SPF任意波形发生器，涵盖了从5MHz到120MHz的频率范围。采用12位VFD做显示。突出的优点有支持*小0.1mVpp的输出，及1uV的分辨率。频率稳定度高达1ppm，但未指明长，短期。

 

专用 13 位大字符 VFD 荧光显示，清晰度高，视觉舒适
　　　　·100MHz 频率计数器，温补晶振。 RS232 接口标准配置， IEEE-488 接口可选
  主要技术指标：

 

输出频率

 

1μ Hz～120MHz （正弦波）

 

1μ Hz～40MHz （方波）

 

1μ Hz～100kHz （三角波、锯齿波、脉冲波等预存波型）

 

输出幅度

 

1mVp-p～10Vp-p （ 50 Ω负载 ）（ f ≤ 40MHz ）

 

1μ Vp-p～3Vp-p （ 50 Ω负载 ）（ f >40MHz ）

 

2mVp-p～20Vp-p （ 1M Ω负载 ）（ f ≤ 40MHz ）

 

200 μ Vp-p～6Vp-p （ 1M Ω负载 ） （ f >40MHz ）

 

输出波形

 

正弦波、方波、脉冲波、三角波、锯齿波、 TTL 脉冲波、点频、扫频、调频、调幅、脉冲串、 FSK、PSK 猝发等波形，多种调制 AM、 FM 、 ASK 、 FSK 、 PSK （机内预存 32 种波形）

 

波形长度

 

8～16000 点

 

波形幅度分辨率

 

12bits

 

采样速率

 

300Msa/s

 




深圳美创仪器和北京大西洋仪器也推出了外形相近，功能相似的同类仪器。
   
AT30120A                                SM-4120

6. 江南电子EM32801
 位于江苏扬中的江南电子，主要产品为信号源，均有采用DDS技术。虽然采用了大屏幕LCD显示的EM32801*高输出频率高达80MHz，但其采样率只有100MSa/s，且分辨率只有8bits。值得说明的是除了任意波形采用了DDS以外，正弦和方波都采用了函数发生芯片产生。频率短期稳定度1ppm，长期稳定度50ppm。无Burst功能。
7. 上海无仪 WY32040A
  上海无仪由原上海无线电仪器厂转制而来，主要生产Q表，信号源，毫伏表。由其生产的WY32040A*高输出信号频率40MHz，采样率100MSa/s，分辨率14bits，波形长度32kpts。支持*小1mVpp输出，不过分辨率也只有1mV。斜波/三角波*高频率1MHz，且具有1uHz的频率分辨率。长期稳定度30ppm。


8. 哈尔滨博兴 SG2040
  哈尔滨博兴电子依托于哈尔滨理工大学建立起来，现有产品涉足PCI，PXI，VXI模块。台式产品为信号源，频率涵盖了从5MHz到110MHz的范围，均采用了DDS技术。由其生产的SG2040任意波形发生器，具有300MSa/s，12bits分辨率，64kpts的波形长度，*高40MHz的任意波形为国内同类产品中的*高水平。频率分辨率1uH，但幅度分辨率则只有10mV,为本次比较中*差。无Burst功能。


9. 南京长盛仪器 CS164
  南京长盛仪器主要从事安规仪器的生产研发。由其生产的CS164是一款函数/任意波形发生器。*高输出频率20MHz。任意波部分，采样率20MSa/s，10bits分辨率，16kpts波形长度，*高能产生100kHz的任意波形。跟江南电子的EM32801一样，正弦和方波相信也未采用DDS，而是直接由函数发生器芯片输出。不过其斜波/三角波*高输出1MHz。

10. 固纬SFG830
  固纬作为台湾*大的通用仪器制造商，其名气亦不用再多提，由其生产的SFG830*高输出频率30MHz，任意波部分，采样率5MSa/s,12bits精度，12k波形长度。虽然其资料并未披露任意波的*高频率，但相信其跟EM32801A，CS164一样是采用函数发生器芯片+DDS的方式。虽然其频率分辨率仅为10mHz(正弦，方波），20mHz(斜波，任意），但其内部晶振的年老化率只有5ppm。无Burst功能。

总结
  虽然本次对比中的所有产品都采用了DDS技术，但其应用技术水平还是参差不齐。总体来说普源的DG3121A几乎在所有指标中****，但比起Agilent的33250A在脉冲频率和频率稳定度等方面还有很大差距。不过普源还是尽可能的做出了**，比如业界首台混合信号任意波形发生器，以及***的接口。国内的产品也已出现了*高150MHz的信号频率，和400MSa/s的采样率，这两个指标都已远远超过Agilent的33250A，但比起Tek的AFG3251仍有相当大的差距。但好多产品都不具备主流的USB接口，造成了存储和下载波形的不便。
  除了以上提及的以外，还有众多厂家利用DDS技术生产函数/任意波形发生器,比如北京凯弘仪器生产的基于DDS的函数发生器就很有特色，由于内置了衰减器，能够实现*小0.1mVpp的输出和0.01dB的分辨率。在这里就不再一一列举。
表1，函数/任意波形发生器对比
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