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层出不穷的信号发生器可有效节省测试时间
所有电子电路和电子设备都接收输入信号，然后将其处理成新的不同的输出信号。工程师在设计和测试电路及设备时会从哪里获得这些输入信号呢？一种可能是为某种特殊应用建立自己的信号源，但这并非必需。
这是因为不管正在设计或等待测试的设备是何种类型，都可以用现成的信号发生器产生合适的输入信号。信号发生器就象是工作台上的示波器、万用表和电源一样普遍。不管是模拟还是数字类型的信号发生器，它们都能用来节省设计与测试时间，确保产品正常工作(图1)。
函数发生器
基本的函数发生器可以产生频率从约0。2Hz到20MHz左右的正弦波、方波和三角波信号。一些发生器还能提供线性斜坡、正极性或负极性脉冲信号。这些发生器主要用于基本的音频、超声波频率和低频射频测试。脉冲输出是TTL/CMOS电平，而线性输出电压可达±20Vp-p左右。
低成本发生器一般是用模拟电路实现的，可以产生连续的可变频率和输出电压。虽然一些低成本模拟函数发生器仍有市场，但目前的大多数函数发生器使用数字信号发生方法和频率合成技术。
事实上，大部分工程师喜欢数字类型的函数发生器，它们常被称为任意函数发生器(AFG)或任意波形发生器(AWG)，两者一般都统称为ARB(图2)。
图2：基于少管脚MCU的多功能卡读卡器接口设计的外接多工器和胶合逻辑。
AFG是两种发生器中较简单的一种，仅用于产生最常用的信号，如正弦波、三角波、锯齿波或方波。而AWG可以用来产生事实上任意类型的信号。大多数AFG采用直接数字合成技术和内含标准波形的波形存储器及DAC输出(参考www。electronicdesign。com网站编号为DrillDeeper19147的“DDS基础”一文)。
输出信号以设定波形的一系列二进制样值存储在RAM或ROM中。这些数据输出到数模转换器(DAC)就能产生阶梯近似型的目标输出信号。一些AFG可以产生频率高达300MHz的正弦和其它波形。
AFG在存储器中预存有全部标准波形，可以通过前面板控制进行选择。AWG也能产生标准波形，但用户可以向RAM中输入任意想要的波形，也可以用外部软件创建代表想要波形的二进制文件。
频率合成器向RAM提供增量地址，然后由RAM向DAC提供波形样值。另外，可以用模拟的低通滤波器去除残留的数字杂讯。输出电平控制功能可以用来设定想要的信号幅度。
一些函数发生器还能提供基本的调制类型，包括调幅(AM)、幅移键控(ASK)、开关键控(OOK)、调频(FM)、频移键控(FSK)、调相(PM)、相移键控(PSK)及一些数字调制类型。
比如泰克的AWG5000。该设备使用了标准的N倍锁相环(PLL)合成器(图3)，有两个输出通道，每个通道都可以设成单端或差分输出。其DAC采样率高达1。2Gsamples/s，可以产生最高频率达600MHz的输出波形。由于这个高频特性，AWG5000可以用于某些应用中的射频测试。
图3：基于带灵活I/O影像的MCU的多功能卡读卡器接口设计。
AWG5000的关键指标是由14位DAC分辨率确定的动态范围。最大波形存储能力是32M个采样。两路输出经设置可以为数字调制测试同时提供I和Q信号。
由于AWG5000具有宽频率范围和波形可编程功能，因此具有很大的灵活性，事实上它能实现任何形式的数字调制。加上其优异的位分辨率，AWG5000非常适合用于DAC和模数转换器(ADC)测试。对于DAC测试来说，从波形存储器输出到内部DAC的14位并行数字字可以直接输出。
泰克的另一款AWG7000提供10Gsamples/s的基本DAC采样率。在两个通道上采用交织技术后可以达到20Gsamples/s，从而实现10GHz的波形。输出分辨率为10位。
AWG7000主要用于测试带PCIExpress(PCIe)、SATA、Rapid-IO和以太网等接口的高速串行设备。其可编程特性可以让用户创建含有噪声和其它损伤的波形，从而实现更具鲁棒性的测试。
AWG5000和AWG7000都有相应的信号发生软件。其中RFExpress用于实现数字调制波形创建，SerialExpress用于建立波形以测试高速串行接口和设备。还可以使用Matlab或LabVIEW等软件。
射频发生器
为了测试无线设备，工程师经常求助于射频(RF)发生器。这些发生器可以产生从10MHz到30GHz以上的信号。有两种基本的射频发生器，即连续波(CW)和矢量信号发生器(VSG)，两者都具有某种形式的调制功能(图4)。数字信号发生是最常见的，但也有一些模拟型号仍在使用。
射频发生器常用于代替本地振荡器(LO)。高稳定和高精度的参考晶振可用来驱动PLL合成器。N倍分频器通过前面板控制提供频率选择。PLL输出送至用于保持恒定输出信号的自动电平控制(ALC)电路。功放和可变衰耗器组成输出电路。其它电路提供调制功能。
图4：虚拟设备初始化工具。
射频发生器通过某种相关电路让调制信号改变压控振荡器(VCO)频率或相位来实现FM和PM。AM则利用输出电路中另外的可变衰耗器实现。
有些时候，工程师还会增加由混频器和高频LO组成的额外上变频级电路来提高输出范围。例如钇铁石榴石(YIG)VCO就是用来将信号转换到近十千兆赫范围的常用LO。
国家仪器(NI)公司的PXI-5652模块化射频发生器可以插入PXI机箱，与LabVIEW等软件一起工作在虚拟仪器环境中(图5)。它的频率范围是500kHz到6。6GHz。其它型号的频率上限是1。3或3。3GHz。频率上限为6。6GHz时的步距为4Hz，上限为1。3或3。3GHz时步距为1或2Hz。10MHz的内部频率标准提供最大±3ppm的精度。输出阻抗是标准的50Ω。
图5：NI的PXI-5652RFCW发生器。
射频发生器的关键指标包括频谱纯度、谐波、输出幅度和调制功能。PXI-5652的频谱纯度是–90dBc/Hz的相位噪声，2。488GHz处的抖动值为50fs，抖动宽度为5kHz到15MHz，2。4GHz处的残留FM小于1。5Hz。谐波输出测量值从3。3到6。6GHz为-20dBc。
频率在3。3GHz以下时的输出功率在约-100到10dBm范围内变化，6。6GHz时为0dBm，变化步距为0。1dB。PXI-5652发生器还具有FM、FSK和OOK等内部调制功能。在3。3到6。6GHz范围内的最大FM偏差为8MHz。FSK符号率从763Hz到100kHz，OOK符号率从153Hz到100kHz。
更新的CW射频发生器使用DDS合成器来创建基本的正弦波信号。该信号经过滤波去除阶梯近似过程中产生的谐波分量后送到功放和衰耗器。另外，还可以采用外差式上变频电路将输出频率提升到更高的范围。
目前最流行的射频发生器是VSG，可以用来创建测试数字无线产品中最常用的射频信号。实际上所有数字调制方案都使用IQ信号发生机制(图6)。大多数VSG还有内置的AWG基带电路，它使用软件实现数字调制，然后通过DAC输出到所示的VSG调制器。在一些发生器中，LO就能提供想要的频率，因此不需要后续的上变频电路。
图6：矢量信号发生器基本电路。
无线测试装置用于手机和无线电设备是否符合特定标准的正式测试。其中的射频发生器可以产生所有调制类型，如全球移动通信系统(GSM)、增强型数据速率GSM演进技术(EDGE)、码分多址(CDMA)、高速下行链路分组访问(HSDPA)或长期演进(LTE)和WiMAX使用的正交频分复用(OFDM)。
Keithley公司的2910就是款现代的VSG，可以产生频率从10MHz到2。5GHz的信号(图7)。型号2920的频率上限是6GHz，可以适应25、40和80MHz步进。内置的AWG用于产生调制波形。另外，它的软件定义无线架构具有很大的灵活性，可以通过编程产生符合几乎所有数字调制或无线标准的信号。
图7：Keithley的2910RF矢量信号发生器。
想要的调制/标准可以用Keithley公司的SignalMeister软件或者诸如Matlab或LabVIEW等软件创建，然后存储在巨大容量的100M采样的RAM中。2910内部有个500MHz的DSP用于处理波形数据。还有一个FPGA和数字上/下变频器对结果信号作进一步处理，然后送到DAC和带DDS合成器的矢量调制器。另外，输出放大器和衰耗器提供-130到+13dBm的可变输出功率，具体还取决于信号频率。
在频谱纯度方面，单边带(SSB)相位噪声在6GHz、20kHz偏移时为-101dBc，谐波在6GHz点的典型值为-40dBc。相位噪声在6GHz、100kHz偏移时为-104dBc。可用调制类型包括AM、GSMGPRS-EDGE、cdmaOne和cdma2000、宽带CDMA(WCDMA)和GPS。象HSDPA、LTE和WiMAX等较新的调制类型可以用软件产生。多个2920可以与28？5同步单元一起用来产生多入多出(MIMO)测试信号。
安捷伦？司的MXG系列中有两款著名的射频发生器。其中N5183A微波模拟信号发生器是一台高端射频CW发生器。该系列发生器的输出频率范围从100kHz到20、31。8或40GHz，输出功率在20GHz点高达+18dBm。它的高速频率开关速度小于900？s，典型值小于600？s。相位噪声在20kHz偏移时的测量值小于-98dBc/Hz。
虽然N5183A主要用于天线和微波设备的生产测试，它也能提供AM、FM和PM以及脉冲等调制功能。它的脉冲上升/下降沿时间小于10ns，最小脉冲宽度为20ns。N5183A可以工作在数字逐频和连续扫频两种模式。
安捷伦的N5182AMXGVSG有两种版本，一种的频率范围为250kHz到3GHz，另外一种频率上限高达6GHz。输出功率在1GHz时高达+13dBm，相位噪声在1GHz、20kHz偏移处小于-121dBc/Hz。调制模式与N5183A相同，还有一个关键特性是内部基带发生和调制信号创建功能。内部AWG基带电路可以向带宽为100MHz的DAC提供高达125M采样/s的信号。内部16位DAC使得N5182A拥有极好的动态范围，支持几乎所有测试。
波形回放存储器的保存容量高达6？M采样，而存储用存储器容量高达100M采样。在该功能和安捷伦SignalStudio等软件的支持下，用户可以产生许多标准的无线信号，如Wi-Fi无线局域网(WLAN)、WiMAX、WCDMA、cdma2000、GSM、时分同步代码多址访问(TD-SCDMA)，甚至可以产生更先进的3G和4G无线标准，如HSDPA和LTE。这两种MXG发生器都有通用接口总线(GPIB)、USB2。0和以太网100Base-T接口，并且符合LXIC类规范。
这些发生器的升级版模拟N5161A和N5162AVSGMXGATE主要用于对成本敏感的自动测试设备(ATE)应用。改进的性能包括：更高的输出功率，可达+23dBm；改进的失真指标；针对MIMO和波束成形天线应用的相位一致性支持。另外，这些型号没有采用标准的前面板，并且将所有连接移到了后面(图8)。
图8：安捷伦的N5182AMXGAWGRF信号发生器（上面）和更新的N5162AMXGATEAWG发生器组件。
数字发生器
数字发生器用于产生二进制信号或脉冲。基本的脉冲发生器可以产生很宽频率范围的脉冲，可以控制上升/下降时间、占空比和抖动等脉冲属性。脉冲格式可以是标准的NRZ、RZ或其它格式，可以是正极性和/或负极性脉冲。脉冲幅度也可以改变。
一个数据或图案发生器都有RAM和/或ROM用于存储数字化数据。数据可以是用户自己定义用于检验被测设备(DUT)的图案，也可以是标准测试图案，如PN9(109-1个点)或PN15(1015-1个点)的伪随机比特序列(PRBS)。一些发生器可以产生多路输出数据流。这些发生器一般还提供脉冲输入触发器。用户还可以利用延时性能产生延时的序列来设置特定的设备。
BerkeleyNucleonics公司型号为575的数字延时/脉冲发生器是一款二合一发生器(图9)。其脉冲发生器部分提供对脉冲速率、延时和宽度的独立控制，并且包含一个外部触发器输入。它提供2、4或8路输出通道，每个通道可以单独设置成不同的脉冲状态。
图9：BerkeleyNucleonics的575型数字延时/脉冲发生器。
该发生器的频率范围是0。0002Hz到20MHz，还有一个40MHz的选件。分辨率为5ns，抖动小于200ps。标准输出是晶体管-晶体管逻辑(TTL)，也可以是0-4V可调电压、典型上升时间为3ns的输出，还有一种可调的高压输出选件。每个通道可以有自己的输入触发器，或者所有通道被同时触发。
575有一个独立的延时发生器，它能提供精细的分辨率，具有很高的延时和宽度精度。基本分辨率是250ps，精度是1ppm。根据周期选择的速率被设为10ns分辨率。575提供独立的延时通道触发输入，或者所有通道被同时触发。
另外，575有带ST连接器的光输出接口。输出LED工作在820nm和1310nm，速率为5M波特，分辨率为500ps。最大光路距离长1。5km。575最多提供两路光输入，还可以通过标准的RS-232或USB端口实现外部可编程功能。另配选件提供GPIB或以太网编程接口。另外，板载存储器可以用来保存设置参数。575还提供了国家仪器公司的LabVIEW驱动程序。
泰克的DTG5000脉冲发生器是另外一种数据发生器(图10)。取决于选用的是哪个模块，发生器可以在1、8、16、32、6？或96个通道上产生速度高达3。35Gbits/s的脉冲和数据流。用户也可以完全控制所有的脉冲参数。每个通道都有分辨率为0。2ps的脉冲延时功能。
不同型号提供的脉冲发生频率也不同，分别从50kHz到750Mbits/s、2。7Gbits/s或3。35Gbits/s。典型的脉冲格式是NRZ、RZ和R1。脉冲宽度、占空比和延时都是完全可变的。脉冲宽度分辨率为5ps。可以增加小于3psrms的随机抖动。DTG5000还提供从PRBSPN15到PN23的数据图案功能。每个通道的图案长度可以是8、32或6？Mbits，不同型号有不同的值。
DTG5000还提供众多预存储的图案，如二进制、格雷、Johnson或跳棋码。为了方便仪器的控制和数据传送，DTG5000提供了GPIB和以太网接口。可用的I/O端口有：USB、RS232、用于10/100M以太网的RJ45以及VGA输出。
还有许多用于特殊测试的其它类型发生器。例如，视频发生器可以产生电视和视频测试用的信号。另外，噪声发生器可以产生白色或粉色噪声，并叠加到另外一个信号发生器的输出上，用于测试放大器或其它电路的抗噪声能力或性能。还有一些特殊发生器产生的信号可以用来生成脉冲发生器或AWG中的抖动。
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