模块化AWG的工作原理及使用方法

由于AWG(任意波形发生器)可以提供很多种不同类型的波形，它已成为测试系统常用的信号源。在模块化的AWG中，你可以将标准或自定义的波形添加到PC作为自动化测试站的一部分。使用AWG，你可以使用公式、通过从数字化仪或数字示波器捕获波形的方式创建波形、也可以使用制造商提供的，或第三方软件创建自己的波形。使用波形排序功能，你可以在预定义的波形之间进行切换。
与以前的型号相比，现在的模块化AWG提供更宽的带宽、更高的采样率和更长的波形存储器。另外，它们提供了先进的操作模式，能够从PC的主存储器中流送大量波形数据。在选择模块化的AWG之前，我们需要先了解它们是如何工作的，以及它们可以做什么。

AWG如何工作？

AWG是数字信号源。它们像数字化仪或数字示波器一样进行数模的反向运行。AWG具有存储在波形存储器中波形的数字描述。从存储器中选出的样本(sample)被送到DAC(数模转换器)，经滤波和信号调理后，将样本作为模拟波形输出。图1包含了AWG的概念框图。

图1：AWG由几个功能块组成，采用对波形的数字表述并生成滤波后的模拟信号。

波形的数据描述首先被加载到波形存储器中。通常情况下，波形存储器具有较大的数据宽度，与DAC相比，波形存储器采用分频采样时钟进行计时。位于存储器和DAC之间的FPGA对样本进行解复用、并以DAC的采样时钟产生一个波形数据流。当被存储器控制器命令时，波形存储器的内容被发送到DAC以转换成等效的模拟电压。一些DAC允许额外的插值，从而实现输出端的更新速率高于波形存储器提供的更新速率。

原始DAC输出包含大量谐波，所以需要滤波。AWG的输出级通过调整增益和偏移对信号进行滤波和调理，以满足用户的波形规范要求。

存储器控制器会跟踪波形存储器中每个波形分量(component)的成分(element)，以及任何相关的链接，并以正确的顺序输出它们。为节省存储空间，存储器控制器可以循环使用重复的成分，以便这些成分只需在波形存储器中列出一次。时钟发生器使用内部或外部时钟来提供公共时基。根据用户指定事件使波形输出或前移的触发发生器提供同步功能。除内部或外部触发事件之外，AWG可以连接到另一个模块化的AWG或数字化仪。

上述功能的具体实现因具体型号而异，但所有AWG都具有相似成分。

AWG规范

由于AWG的输出波形选择和数字特性，AWG的规范与标准信号发生器有很大不同。

与数字化仪一样，带宽和采样率是关键参数。带宽决定AWG输出的损耗小于3dB的最大正弦波频率。由于AWG可以产生的许多波形都含有丰富的谐波，因此带宽限制将决定可以产生的最高波形频率。例如，方波一般必须通过五次谐波才能被识别。对于给定的带宽，方波的最高频率通常是AWG带宽的五分之一。

AWG的采样率与其带宽有关。根据采样理论，采样率必须至少是带宽的两倍。采样率也决定了AWG的水平分辨率。因此定义了可以在波形内设置的最小时间增量。

波形存储器的大小决定了AWG在不重复(循环利用)任何波形分量的情况下可以产生的最长波形。信号持续时间(没有循环)等于存储器长度乘以采样周期。具有2G样本波形存储和1.25GS/s最大采样率的AWG可产生1.6s长的波形。循环让你重复冗余波形分量，这可大大增加最大波形长度。

幅度分辨率指定AWG可以产生的最小输出信号电平，这也是相邻采样之间的最小幅度步长。AWG的幅度分辨率由DAC和存储器的分辨率位数决定。一般来说，在DAC分辨率和采样率之间有一个折衷。也即：DAC的位数越多、最大采样率就越低。具有14位分辨率的AWG的理论动态范围为16384：1；具有16位分辨率的AWG的理论动态范围为65536：1。噪声和其它因素会降低动态范围，与对数字化仪的影响一样。

AWG可以产生的最大输出幅度由输出放大级决定。一般来说，在AWG的采样率和输出幅度之间也有一个折衷；较快的AWG具有较低的最大输出幅度。最小满量程输出范围取决于输出级的内部衰减器。在任何给定的满量程范围内，理论最小值是满量程输出除以幅值分辨率(具有10VP-P范围和16位分辨率的AWG具有10/ 65,536=152.5μV的最小输出步长)。内部噪声和非线性限制了实际的最小信号输出。

AWG的信道数通常在1到4之间，但通常可对AWG同步以提供额外信道。

输出滤波改善了AWG输出的信噪比。通常可以指定滤波器的类型和截止频率。

所有AWG均可通过软件以分析方法创建调制波形，可使用制造商的操作软件(如Spectrum的SBench 6或其它第三方数学软件)创建、并将其下载到AWG的波形存储器中。

另一个有用的功能是用触发输入来启动输出，或将波形前移多个波形段。我们将在下面更详细地介绍。

AWG还可以产生与波形输出同步的输出触发或标记输出。这些信号可在波形期间的适当时间用来触发数字化仪，示波器或其它仪器。

操作模式

AWG可能包含多种操作模式，这些操作模式会影响其存储和重放波形的方式。基于触发器或门控信号重复(循环)所选波形段并在段之间前移的能力增加了灵活性，并减少了复杂波形所需的存储器容量。以下是常用操作模式的总结：

•单发：为每个外部或软件触发播放(play)一次编程的波形。第一次触发后，后续的触发被忽略。

• 重复(连续)输出：以预设的次数连续播放编程的波形或直到执行停止命令。触发源可以是外部硬件触发输入或软件触发。第一次触发后，其它触发事件将被忽略。

• 单次重启重播：每次触发事件后，该模式都会输出一次内置(on-board)存储器的波形数据。触发源可以是硬件或软件。

• FIFO：某些AWG提供FIFO(先进先出)操作模式，用于主机内存或硬盘与AWG之间的连续数据传输。AWG的内置存储器用于缓冲数据，使得连续数据流非常可靠。在这种模式下，可用的波形存储器受到主机内存的限制。支持FIFO流的AWG可以利用主机内存进一步展延波形。在FIFO模式，AWG使用其内置存储器作为系统存储器和DAC之间的高速缓存。这使得AWG不受其内部存储器的限制。结合FIFO流与循环和链接功能，可以生成更长的波形。

• 多次重播放：多次重播放模式(图2)可在不重启硬件的情况下快速输出多个触发事件波形。内置存储器被分成几个相同大小的段。每个段可以包含不同的波形数据，各波形数据的输出与其对应的触发事件的发生同时。这种模式允许非常快的重复率。

图2：使用多次重播放模式在触发输入时输出三个波形段。

• 门控重播：门控采样模式输出由外部门控信号控制的波形数据(图3)。数据只在门控信号处于预编程电平时才重播。

图3：使用多个重播放模式在触发输入时输出三个波形段。

• 序列模式：序列模式(图4)将内部卡存储器分割成多个不同长度的数据段。这些数据段使用附加的序列存储器以用户设置的顺序链接。序列存储器确定输出段的顺序以及每个段的循环次数。触发条件可以定义为从一个段前进到另一个段。使用序列模式，AWG可以通过简单的软件命令在重放波形之间切换，也可以在重放其它段的同时重新定义各段的波形数据。

图4：序列模式按顺序控制存储器中指定的顺序输出波形段。

如何选择AWG

AWG的选择需要AWG规范符合你的测试规范。

基本出发点一般是AWG可以产生的带宽和最高频率。该频率必须大于或等于测试所需的最大频率。请记住，谐波丰富的波形要求带宽是所需频率的三到五倍。例如：100MHz带宽的AWG可以输出100MHz的正弦波，但只支持20MHz的方波。

如前所述，AWG的最大采样率必须至少是所需带宽的两倍。这是奈奎斯特定理的限制，实际上，通常三到四倍的过度抽样会更好。采样率决定了可以编程的最小时间增量。请注意，AWG通常会限制创建波形所需的最小采样数量。通常，它们需要波形包含偶数个样本或是固定数量样本的倍数(例如4、8、16等)。有这些要求是因为许多AWG使用多路复用存储器来获得高采样率。如果其复用是4：1，那么波形必须是4个采样的倍数。

波形存储长度决定了在无重复信号的情况下，AWG可支持的最长波形持续时间。在波形中支持“循环”或重复冗余成分的操作模式会减少所需的波形存储量。

AWG的最大输出电平必须符合测试要求。否则，可能需要一个带宽超过AWG的外部放大器，以使组合的带宽等于指定带宽。

最高测试信号幅度与最小幅度的比率同时决定了测试的动态范围要求。这取决于AWG的幅度分辨率，以位表示。请注意，AWG中的噪声和非线性将动态范围限制为小于理论值。实际的性能通常以ENOB(有效位数)表示。

AWG需要用于波形生成和操作控制的软件。几乎所有的AWG都附带通用操作系统的驱动程序。对于Spectrum的AWG，它提供Windows和Linux驱动程序。驱动程序允许你使用通用编程语言和平台(包括C/C ++、IVI、.NET、Delphi、Visual Basic和Python)编写自己的软件。驱动程序还支持第三方软件，如LabVIEW(Windows)、MATLAB(Windows和Linux)和LabWindows/CVI。AWG通常包含全功能软件包，如SBench 6。

创建波形

如果使用AWG的波形生成软件，则可以从多个预定义的波形中进行选择，例如正弦波、矩形波、三角波、锯齿波、SINC波和直流波形。每个波形的频率、相位和幅度都是用户可调的；矩形、三角形和锯齿波形的占空比也是如此。图5显示了这种软件控制的典型例子。

图5：AWG软件通常包含每个AWG通道的正弦、矩形、三角形、锯齿(斜坡)、SINC和直流波形。振幅、频率和相位是用户可调的。

以数学方程为基础创建波形是最准确的方法。它们是精确和可重复的，并可提供很大范围的测试信号。波形创建软件包括一个函数编辑器，支持使用基于文本的方程生成波形，如图6所示。函数发生器编辑器接受文本格式的公式，并允许选择采样率、幅度和波形持续时间。

图6：函数发生器编辑器允许你输出基于方程的波形，如扫频正弦波。

导入波形

波形也可以从其它来源创建或获取，包括像数字化仪和数字示波器这样的仪器、以及包括电子表格、数学程序和系统集成软件在内的软件工具。可以将来自这些源的波形导入到SBench 6中，并使用表1中列出的任何格式发送到AWG。

表1：SBench 6支持的典型波形源和数据格式。

信号处理

AWG支持软件中的信号处理功能可让你使用支持总和、差异、乘积和比率的波形运算组合多个波形。移动平均和滤波(滑键/选值)可用来减少噪声，提高输入信号的信噪比。

结论

模块化任意函数发生器是测试系统的优秀信号源，具有体积小、配置灵活、易于集成的特点。借助高达400MHz的带宽、1.25GS/s的采样率、16位的幅度分辨率，它们可提供广泛的测试方案。

本文来自《电子工程专辑》2018年2月刊，版权所有，谢绝转载