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函數/任意波形發生器全攻略
函數/任意波形發生器全攻略
     函數/任意波形發生器用來做什么的？

 　一、函數功能，仿真基礎實驗室設計人員的環境　　函數信號源是使用*廣的通用信號源，它能提供正弦波、鋸齒波、方波、脈沖串等波形，有的還同時具有調制和掃描能力，眾所周知，在我們的基礎實驗中（如大學電子實驗室、科研機構研究實驗室、工廠開發實驗室等），我們設計了一種電路，需要驗證其可靠性與穩定性，就需要給它施加理想中的波形以辨別真偽。如我們可使用信號源的DC補償功能對固態電路控制DC偏壓電平；我們可對一個懷疑有故障的數字電路，利用信號源的方波輸出作為數字電路的時鐘，同時使用方波加DC補償產生有效的邏輯電平模擬輸出，觀察該電路的運行狀況，而證實故障缺陷的地方。總之利用任意波形發生器這方面的基礎功能，能仿真您基礎實驗室所必須的信號。　　二、任意波形，仿真模擬更復雜的信號要求　　眾所周知，在我們實際的電子環境所設計的電路在運行中，由于各種干擾和響應的存在，實際電路往往存在各種信號缺陷和瞬變信號，例如過脈沖、尖峰、阻尼瞬變、頻率突變等，這些情況的發生，如在設計之初沒有考慮進去，有的將會產生災難性后果。例如圖1中的a處過尖峰脈沖，如果給一個抗沖能力差的電路，將可能會導致整個設備“燒壞”。確認電路對這樣一個狀況敏感的程度，我們可以避免不必要的損失，該方面的要求在航天、**、鐵路和一些情況比較復雜的重要領域尤其重要。　　由于任意波形發生器特殊的功能，為了增強任意波形生成能力，它往往依賴計算機通訊輸出波形數據。在計算機傳輸中，通過專用的波形編輯軟件生成波形，有利于擴充儀器的能力，更進一步仿真模擬實驗。同時由于編輯一個任意波形有時需要花費大量的時間和精力，并且每次編輯波形可能有所差異這樣有的任意波形發生器，內置一定數量的非易失性存儲器，隨機存取編輯波形，有利于參考對比；或通過隨機接口通訊傳輸到計算機作更進一步分析與處理。　　三、下載傳輸，更進一步實時仿真　　在一些**、航空、交通制造業等領域中，有些電路運行環境很難估計，在實驗設計完成之后，在現實環境還需要作更進一步實驗，有些實驗的成本很高或者風險性很大（如火車高速實驗時鐵軌變換情況、飛機試機時螺旋槳的運行情況等），人們不可能長期作實驗判斷所設計產品（例如高速火車、飛機）的可行性和穩定性等；我們就可利用有些任意波形發生器波形下載功能，在作一些麻煩費用高或風險性大的實驗時，通過數字示波器等儀器把波形實時記錄下來，然后通過計算機接口傳輸到信號源，直接下載到設計電路，更進一步實驗驗證。將DDS應用于波形發生器，能非常方便的產生任意波形。一般除了具備常規函數發生器所具備的正弦波、方波、鋸齒波、脈沖、噪聲外，還有指數上升、指數下降、Sinc波、心電圖波、直流，以及地震波等任意波形。能采用直接在儀器上手動編輯或windows下軟件編輯的方式產生任意波形，用于模擬電路或應用環境中可能發生的情況，此外還具備非常豐富的調制功能，甚至有些調制功能是以往只能在**信號源上才能看到的。
  您能夠在可能比較困難或者不能生成復雜輸出波形的各種應用環境中使用任意波形發生器，能夠非常容易地在可控制的情況下模擬一些非理想的信號，例如上升時間振鈴毛刺噪聲和隨機時變，物理，化學，生物，醫學，電子，機械，以及其他領域都可以從任意波形發生器的多功能性中獲益。無論是振動抽運脈沖起泡猝發或以任何方式相對于時間的變化，您都可以使用任意波形發生器。只受您指定波形數據的能力的限制，調制是用低頻信息（稱為調制信號）調整高頻信號（稱為載波信號）的過程。載波信號和調制信號可以具有任何波形，但是載波通常是正弦波，兩個常用的調制類型是調幅(AM)和調頻(FM)。這兩種調制形式根據調制信號的瞬時值分別調整載波的振幅或頻率。第三種調制類型是頻移鍵控(FSK)，在這種調制中輸出頻率根據數字調制信號的狀態在兩個頻率間移動。調制波形相對于載波頻率的頻率變化稱作頻率偏移，頻率偏移小于調制信號帶寬的1%的波形稱為窄帶， FM具有較大偏移的波形被稱為寬帶，FM已調制信號的帶寬可由下列等式進行近似計算

 BW=2x(調制信號帶寬)對于窄帶 FM

 BW=2x(偏移 + 調制信號帶寬)對于寬帶 FM

 在美國商業 FM 電臺通常具有 15 kHz 的調制帶寬75 kHz 的偏移也就是寬帶因此調制帶寬是2 x(75kHz + 15 kHz) = 180 kHz頻道間隔為 200 kHz

 模擬調制。幅度調制(AM)和頻率調制(FM)*常用于廣播通信中。調制信號隨載波幅度和/或頻率變化。在接收端，解調電路理解幅度和/或頻率變化，從載波中提取內容。相位調制(PM)調制載波波形的相位、而不是頻率，以嵌入內容。

 數字調制。與其它數字技術一樣，數字調制基于兩種狀態，允許信號表示二進制數據。在幅移鍵控(ASK)中，數字調制信號導致輸出頻率在兩個幅度之間開關；在頻移鍵控(FSK)中，載波在兩個頻率(中心頻率和偏置頻率)之間開關；在相移鍵控(PSK)中，載波在兩個相位設置之間開關。在PSK中，通過發送與以前信號相位相同的信號，來提供比特“0”，而比特“1”則通過發送相位相反的信號進行表示。

 脈寬調制(PWM)是另一種常用的數字格式；它通常用于數字音頻系統中。顧名思義，它只適用于脈沖波形。通過PWM，調制信號導致脈沖的活動脈寬(前面介紹的占空比)變化。

 正交調制。當前數字無線通信網絡是在正交(IQ)調制技術基礎上構建的。兩個載波是同相(I)波形和正交相位(Q)波形，其中Q波形相對于“I”波形整整延遲90度，這兩個波形進行調制，生成四種信息狀態。兩個載波組合在一起，通過一條通道傳輸，然后在接收端分開和解調。IQ格式提供的信息要遠遠高于其它模擬和數字調制形式：它提高了系統的有效帶寬。

 下面找出主要以國產廠商為主的函數/任意波形發生器做一個對比，以此來了解國內DDS的應用水平，并給出一個大概的選購指南，以便您在需要的時候能夠快捷的找到合手的信號源。Agilent在很早之前就推出了33200系列的任意波形發生器，給業界立了一個標桿，*近其又推出了33210A來進一步細分這個市場。而Tek推出的AFG3000系列采用了類似TDS1000系列的經典界面，將波形圖形化顯示，也算一個**；而且其采樣率*高達2GSa/s，輸出頻率240MHz，也將商用的DDS任意波形發生器推到了一個新的高度。在此以這兩家作為對比的尺度來衡量各家的水平。但國內廠商大多參考的是Agilent的33200系列，推出了的種類比較繁多，這里仍然取代表其*高水平的型號。

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的這款儀器就不用多說，相信在沒有普源之前，好多用到函數/任意波形發生器的朋友手頭就是這款，或者是他的同門兄弟33220A，更有甚者用到的可能是33120A。本身就提供了非常高的頻率準確度3ppm，還可以通過10M參考時鐘輸入來進一步提高頻率準確度，不過遺憾的是10MHz輸入，輸出不是標配，而是選件。雖然顯示采用了一塊比較小的液晶，但具備了全部的必要顯示信息，并具有圖形和文字兩種顯示，并可一鍵切換。但有一個很大的不便是不支持USB。另外其支持從Agilent的主流示波器中無縫導入波形，從而實現信號的復現。33250A有觸發脈沖延遲功能。

 

 33210A

 

33220A

 

33250A（有觸發脈沖延遲功能）

 

81150A

 

正弦波

 

10 MHz

 

20 MHz

 

80 MHz

 

240 MHz

 

標準波形

 

正弦波，方波，脈沖，斜波，噪聲，直流波形

 

正弦波，方波，脈沖，斜波，三角波，噪聲，sin(x)/x,指數上升和下降，心律波，直流波形

 

正弦波，方波，脈沖，斜波，三角波，噪聲，sin(x)/x

 

任意波形

 

可選8K點，sin(x)/x,指數上升和下降，心律波

 

2至 64K 點

 

14bit，2GSa/s

 

采樣率

 

50 MSa/s

 

50 MSa/s

 

200 MSa/s

 

2GSa/s

 

調制

 

AM, FM, PWM，掃描和猝發（內/外）

 

AM, FM, PM, FSK, PWM，掃描和猝發（內/外）

 

AM, FM, FSK，掃描和突發（內/外）

 

AM, FM, PM, FSK, PWM

 

猝發

 

選通，N周期

 

選通，N周期

 

選通，N周期

 

選通，N周期

 

噪聲產生

 

7MHz

 

9 MHz

 

50 MHz

 

120 MHz

 

連通性

 

GPIB, LAN, USB

 符合LXI Class C 標準

 

GPIB, LAN, USB

 符合LXI Class C 標準

 

GPIB, RS-232

 

GPIB, LAN, USB

 符合LXI Class C 標準

 


2. Tektronix AFG3251
 Tek的這款任意波形發生器雖然推出的稍晚，但是具有業界*高的水準。高達240MHz的正弦波，以及120MHz的方波和脈沖。值得注意的是雖然其有高達2GSa/s的采樣率，但是只有波形長度<16k的情況下采樣率才是這么高。當波形長度>16k時，采樣率則只有250MSa/s,這時候跟其它對手就相差不遠。其它特點還有：
. 脈沖的上升沿*短只有2.5nS
. 具有相加功能，可在輸出中增加外部信號
. 可通過公式編輯器、手繪、點繪和波形數**算定義波形
. 可從任何tek示波器中無縫導入波形

 

 

AFG3000系列特性

 

 

AFG3021B/AFG3022B

 

AFG3101/AFG3102

 

AFG3251/AFG3252

 

通道數

 

1/2

 

1/2

 

1/2

 

標準波形

 

正弦波、方波、脈沖波、鋸齒波、三角波、sin(x)/x、指數上升/衰減、高斯、洛侖茲、半正矢、直流、噪聲

 

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/下降時間

 

≤18 ns

 

≤5ns

 

≤2.5 ns

 

脈沖波形

 

1 mHz～12.5 MHz

 

1 mHz～50 MHz

 

1 mHz～120 MHz

 

　脈沖寬度

 

30 ns～999 s

 

8 ns～999 s

 

4 ns～999 s

 

邊沿躍遷時間

 

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

 

噪聲帶(–3dB)

 

25 MHz

 

100 MHz

 

240 MHz

 

直流（輸入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

 

非易失存儲器

 

4 個波形

 

4 個波形

 

4 個波形

 

存儲器：采樣速率

 

2～128K: 250 MS/s

 

16K～128K:250 MS/s 2點～16K: 1 GS/s

 

16K～128 K: 250 MS/s
2 點～16 K: 2 GS/s

 



3. Rigol DG3121A
  DG3121A是業界**個具備了數字邏輯輸出功能的任意波形發生器。指標在國產的函數/任意波形發生器中幾乎遙遙**，界面也非常友好。在所有同類產品中具有*齊全的通信接口，具備RS232，USB，GPIB，LAN。由于內置了以太網口，支持網絡遠程控制，但并不支持LXI。可與自家的DS系列示波器無縫互聯，直接獲取示波器中存儲的波形并無損地重現。標配任意波編輯軟件UltraWave。標配10MHz輸入、輸出接口。但頻率的年準確度只有20ppm，作為同類產品中的**產品，比起Agilent的33250A來就差上好多。不過可以通過外接10MHz高穩參考晶振來提高精度。另值得一贊的是其網站披露的信息比較詳細。
   此外還有高仿Agilent33200系列的DG2000和DG1000系列，涵蓋了15MHz到40MHz的頻率范圍。任意發生器部分，DG2000和DG1000系列的*高采樣率都為100MSa/s，垂直分辨率均為14bits，但DG2000的波形長度為512kpts，DG1000則只有4kpts。另DG2000的任意波頻率*高12MHz，DG1000為5MHz。
4. 石家莊無線電四廠 TFG3150
  石家莊無線電四廠是一個老牌企業，主要產品涉及信號源，時間，頻率測試系統。由其生產的信號源廣泛采用了DDS技術。主要有TFG2000，3000，6000系列，涵蓋了3MHz到150MHz的頻率范圍。TFG3150代表了其*高水平，具有400MSa/s的采樣率，14bits幅度分辨率，16kpts的波形長度。支持*高達150MHz的正弦波輸出，這一指標也是國產中*高的。并支持2PSK、4PSK、3FSK、4FSK等調制方式。其它方面其網站披露的信息多有不詳。雖采用了5.7寸的液晶屏顯示參數，但并無圖形顯示方式。波形分辨率也只有100mHz。

  此外還有TFG2000系列，界面如下。相應的參數為180MSa/s,10bits幅度分辨率，16kpts的波形長度。*高型號TFG2080A的輸出頻率80MHz。標配GPIB接口，可選配USB，RS232。
5. 南京盛普 SPF120
  南京盛普科技也是一家老牌企業，主要產品為信號源，頻率計,掃頻儀等。其采用DDS生產的SPF任意波形發生器，涵蓋了從5MHz到120MHz的頻率范圍。采用12位VFD做顯示。突出的優點有支持*小0.1mVpp的輸出，及1uV的分辨率。頻率穩定度高達1ppm，但未指明長，短期。

 

專用 13 位大字符 VFD 熒光顯示，清晰度高，視覺舒適
　　　　·100MHz 頻率計數器，溫補晶振。 RS232 接口標準配置， IEEE-488 接口可選
  主要技術指標：

 

輸出頻率

 

1μ Hz～120MHz （正弦波）

 

1μ Hz～40MHz （方波）

 

1μ Hz～100kHz （三角波、鋸齒波、脈沖波等預存波型）

 

輸出幅度

 

1mVp-p～10Vp-p （ 50 Ω負載 ）（ f ≤ 40MHz ）

 

1μ Vp-p～3Vp-p （ 50 Ω負載 ）（ f >40MHz ）

 

2mVp-p～20Vp-p （ 1M Ω負載 ）（ f ≤ 40MHz ）

 

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

 

輸出波形

 

正弦波、方波、脈沖波、三角波、鋸齒波、 TTL 脈沖波、點頻、掃頻、調頻、調幅、脈沖串、 FSK、PSK 猝發等波形，多種調制 AM、 FM 、 ASK 、 FSK 、 PSK （機內預存 32 種波形）

 

波形長度

 

8～16000 點

 

波形幅度分辨率

 

12bits

 

采樣速率

 

300Msa/s

 




深圳美創儀器和北京大西洋儀器也推出了外形相近，功能相似的同類儀器。
   
AT30120A                                SM-4120

6. 江南電子EM32801
 位于江蘇揚中的江南電子，主要產品為信號源，均有采用DDS技術。雖然采用了大屏幕LCD顯示的EM32801*高輸出頻率高達80MHz，但其采樣率只有100MSa/s，且分辨率只有8bits。值得說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數發生芯片產生。頻率短期穩定度1ppm，長期穩定度50ppm。無Burst功能。
7. 上海無儀 WY32040A
  上海無儀由原上海無線電儀器廠轉制而來，主要生產Q表，信號源，毫伏表。由其生產的WY32040A*高輸出信號頻率40MHz，采樣率100MSa/s，分辨率14bits，波形長度32kpts。支持*小1mVpp輸出，不過分辨率也只有1mV。斜波/三角波*高頻率1MHz，且具有1uHz的頻率分辨率。長期穩定度30ppm。


8. 哈爾濱博興 SG2040
  哈爾濱博興電子依托于哈爾濱理工大學建立起來，現有產品涉足PCI，PXI，VXI模塊。臺式產品為信號源，頻率涵蓋了從5MHz到110MHz的范圍，均采用了DDS技術。由其生產的SG2040任意波形發生器，具有300MSa/s，12bits分辨率，64kpts的波形長度，*高40MHz的任意波形為國內同類產品中的*高水平。頻率分辨率1uH，但幅度分辨率則只有10mV,為本次比較中*差。無Burst功能。


9. 南京長盛儀器 CS164
  南京長盛儀器主要從事安規儀器的生產研發。由其生產的CS164是一款函數/任意波形發生器。*高輸出頻率20MHz。任意波部分，采樣率20MSa/s，10bits分辨率，16kpts波形長度，*高能產生100kHz的任意波形。跟江南電子的EM32801一樣，正弦和方波相信也未采用DDS，而是直接由函數發生器芯片輸出。不過其斜波/三角波*高輸出1MHz。

10. 固緯SFG830
  固緯作為臺灣*大的通用儀器制造商，其名氣亦不用再多提，由其生產的SFG830*高輸出頻率30MHz，任意波部分，采樣率5MSa/s,12bits精度，12k波形長度。雖然其資料并未披露任意波的*高頻率，但相信其跟EM32801A，CS164一樣是采用函數發生器芯片+DDS的方式。雖然其頻率分辨率僅為10mHz(正弦，方波），20mHz(斜波，任意），但其內部晶振的年老化率只有5ppm。無Burst功能。

總結
  雖然本次對比中的所有產品都采用了DDS技術，但其應用技術水平還是參差不齊。總體來說普源的DG3121A幾乎在所有指標中****，但比起Agilent的33250A在脈沖頻率和頻率穩定度等方面還有很大差距。不過普源還是盡可能的做出了**，比如業界首臺混合信號任意波形發生器，以及***的接口。國內的產品也已出現了*高150MHz的信號頻率，和400MSa/s的采樣率，這兩個指標都已遠遠超過Agilent的33250A，但比起Tek的AFG3251仍有相當大的差距。但好多產品都不具備主流的USB接口，造成了存儲和下載波形的不便。
  除了以上提及的以外，還有眾多廠家利用DDS技術生產函數/任意波形發生器,比如北京凱弘儀器生產的基于DDS的函數發生器就很有特色，由于內置了衰減器，能夠實現*小0.1mVpp的輸出和0.01dB的分辨率。在這里就不再一一列舉。
表1，函數/任意波形發生器對比
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