函數(shù)/任意波形發(fā)生器全攻略
函數(shù)/任意波形發(fā)生器用來做什么的？ 一、函數(shù)功能，仿真基礎(chǔ)實驗室設(shè)計人員的環(huán)境 函數(shù)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(diào)制和掃描能力，眾所周知，在我們的基礎(chǔ)實驗中（如大學(xué)電子實驗室、科研機構(gòu)研究實驗室、工廠開發(fā)實驗室等），我們設(shè)計了一種電路，需要驗證其可靠性與穩(wěn)定性，就需要給它施加理想中的波形以辨別真?zhèn)巍Ｈ缥覀兛墒褂眯盘栐吹腄C補償功能對固態(tài)電路控制DC偏壓電平；我們可對一個懷疑有故障的數(shù)字電路，利用信號源的方波輸出作為數(shù)字電路的時鐘，同時使用方波加DC補償產(chǎn)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(fā)生器這方面的基礎(chǔ)功能，能仿真您基礎(chǔ)實驗室所必須的信號。 二、任意波形，仿真模擬更復(fù)雜的信號要求 眾所周知，在我們實際的電子環(huán)境所設(shè)計的電路在運行中，由于各種干擾和響應(yīng)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(fā)生，如在設(shè)計之初沒有考慮進去，有的將會產(chǎn)生災(zāi)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(dǎo)致整個設(shè)備“燒壞”。確認(rèn)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(fù)雜的重要領(lǐng)域尤其重要。 由于任意波形發(fā)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(shù)據(jù)。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(fā)生器，內(nèi)置一定數(shù)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?shù)接嬎銠C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(yè)等領(lǐng)域中，有些電路運行環(huán)境很難估計，在實驗設(shè)計完成之后，在現(xiàn)實環(huán)境還需要作更進一步實驗，有些實驗的成本很高或者風(fēng)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(shè)計產(chǎn)品（例如高速火車、飛機）的可行性和穩(wěn)定性等；我們就可利用有些任意波形發(fā)生器波形下載功能，在作一些麻煩費用高或風(fēng)險性大的實驗時，通過數(shù)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?shù)叫盘栐矗苯酉螺d到設(shè)計電路，更進一步實驗驗證。將DDS應(yīng)用于波形發(fā)生器，能非常方便的產(chǎn)生任意波形。一般除了具備常規(guī)函數(shù)發(fā)生器所具備的正弦波、方波、鋸齒波、脈沖、噪聲外，還有指數(shù)上升、指數(shù)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(chǎn)生任意波形，用于模擬電路或應(yīng)用環(huán)境中可能發(fā)生的情況，此外還具備非常豐富的調(diào)制功能，甚至有些調(diào)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(fù)雜輸出波形的各種應(yīng)用環(huán)境中使用任意波形發(fā)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(xué)，生物，醫(yī)學(xué)，電子，機械，以及其他領(lǐng)域都可以從任意波形發(fā)生器的多功能性中獲益。無論是振動抽運脈沖起泡猝發(fā)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(fā)生器。只受您指定波形數(shù)據(jù)的能力的限制，調(diào)制是用低頻信息（稱為調(diào)制信號）調(diào)整高頻信號（稱為載波信號）的過程。載波信號和調(diào)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(diào)制類型是調(diào)幅(AM)和調(diào)頻(FM)。這兩種調(diào)制形式根據(jù)調(diào)制信號的瞬時值分別調(diào)整載波的振幅或頻率。第三種調(diào)制類型是頻移鍵控(FSK)，在這種調(diào)制中輸出頻率根據(jù)數(shù)字調(diào)制信號的狀態(tài)在兩個頻率間移動。調(diào)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(diào)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，F(xiàn)M已調(diào)制信號的帶寬可由下列等式進行近似計算
BW=2x(調(diào)制信號帶寬)對于窄帶 FM
BW=2x(偏移 + 調(diào)制信號帶寬)對于寬帶 FM
在美國商業(yè) FM 電臺通常具有 15 kHz 的調(diào)制帶寬75 kHz 的偏移也就是寬帶因此調(diào)制帶寬是2 x(75kHz + 15 kHz) = 180 kHz頻道間隔為 200 kHz
模擬調(diào)制。幅度調(diào)制(AM)和頻率調(diào)制(FM)*常用于廣播通信中。調(diào)制信號隨載波幅度和/或頻率變化。在接收端，解調(diào)電路理解幅度和/或頻率變化，從載波中提取內(nèi)容。相位調(diào)制(PM)調(diào)制載波波形的相位、而不是頻率，以嵌入內(nèi)容。
數(shù)字調(diào)制。與其它數(shù)字技術(shù)一樣，數(shù)字調(diào)制基于兩種狀態(tài)，允許信號表示二進制數(shù)據(jù)。在幅移鍵控(ASK)中，數(shù)字調(diào)制信號導(dǎo)致輸出頻率在兩個幅度之間開關(guān)；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(guān)；在相移鍵控(PSK)中，載波在兩個相位設(shè)置之間開關(guān)。在PSK中，通過發(fā)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(fā)送相位相反的信號進行表示。
脈寬調(diào)制(PWM)是另一種常用的數(shù)字格式；它通常用于數(shù)字音頻系統(tǒng)中。顧名思義，它只適用于脈沖波形。通過PWM，調(diào)制信號導(dǎo)致脈沖的活動脈寬(前面介紹的占空比)變化。
正交調(diào)制。當(dāng)前數(shù)字無線通信網(wǎng)絡(luò)是在正交(IQ)調(diào)制技術(shù)基礎(chǔ)上構(gòu)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(diào)制，生成四種信息狀態(tài)。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(diào)。IQ格式提供的信息要遠遠高于其它模擬和數(shù)字調(diào)制形式：它提高了系統(tǒng)的有效帶寬。
下面找出主要以國產(chǎn)廠商為主的函數(shù)/任意波形發(fā)生器做一個對比，以此來了解國內(nèi)DDS的應(yīng)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(fā)生器，給業(yè)界立了一個標(biāo)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(jīng)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(fā)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(nèi)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(shù)/任意波形發(fā)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(zhǔn)確度3ppm，還可以通過10M參考時鐘輸入來進一步提高頻率準(zhǔn)確度，不過遺憾的是10MHz輸入，輸出不是標(biāo)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(dǎo)入波形，從而實現(xiàn)信號的復(fù)現(xiàn)。33250A有觸發(fā)脈沖延遲功能。
| | 33210A | 33220A | 33250A（有觸發(fā)脈沖延遲功能） | 81150A |
| 正弦波 | 10 MHz | 20 MHz | 80 MHz | 240 MHz |
| 標(biāo)準(zhǔn)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(shù)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(shù)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(diào)制 | AM, FM, PWM，掃描和猝發(fā)（內(nèi)/外） | AM, FM, PM, FSK, PWM，掃描和猝發(fā)（內(nèi)/外） | AM, FM, FSK，掃描和突發(fā)（內(nèi)/外） | AM, FM, PM, FSK, PWM |
| 猝發(fā) | 選通，N周期 | 選通，N周期 | 選通，N周期 | 選通，N周期 |
| 噪聲產(chǎn)生 | 7MHz | 9 MHz | 50 MHz | 120 MHz |
| 連通性 | GPIB, LAN, USB 符合LXI Class C 標(biāo)準(zhǔn) | GPIB, LAN, USB 符合LXI Class C 標(biāo)準(zhǔn) | GPIB, RS-232 | GPIB, LAN, USB 符合LXI Class C 標(biāo)準(zhǔn) |
2. Tektronix AFG3251
Tek的這款任意波形發(fā)生器雖然推出的稍晚，但是具有業(yè)界*高的水準(zhǔn)。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(dāng)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(shù)**算定義波形
. 可從任何tek示波器中無縫導(dǎo)入波形
AFG3000系列特性 |
| AFG3021B/AFG3022B | AFG3101/AFG3102 | AFG3251/AFG3252 |
通道數(shù) | 1/2 | 1/2 | 1/2 |
標(biāo)準(zhǔn)波形 | 正弦波、方波、脈沖波、鋸齒波、三角波、sin(x)/x、指數(shù)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(yè)界**個具備了數(shù)字邏輯輸出功能的任意波形發(fā)生器。指標(biāo)在國產(chǎn)的函數(shù)/任意波形發(fā)生器中幾乎遙遙**，界面也非常友好。在所有同類產(chǎn)品中具有*齊全的通信接口，具備RS232，USB，GPIB，LAN。由于內(nèi)置了以太網(wǎng)口，支持網(wǎng)絡(luò)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(lián)，直接獲取示波器中存儲的波形并無損地重現(xiàn)。標(biāo)配任意波編輯軟件UltraWave。標(biāo)配10MHz輸入、輸出接口。但頻率的年準(zhǔn)確度只有20ppm，作為同類產(chǎn)品中的**產(chǎn)品，比起Agilent的33250A來就差上好多。不過可以通過外接10MHz高穩(wěn)參考晶振來提高精度。另值得一贊的是其網(wǎng)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(fā)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(yè)，主要產(chǎn)品涉及信號源，時間，頻率測試系統(tǒng)。由其生產(chǎn)的信號源廣泛采用了DDS技術(shù)。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(biāo)也是國產(chǎn)中*高的。并支持2PSK、4PSK、3FSK、4FSK等調(diào)制方式。其它方面其網(wǎng)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(shù)，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(yīng)的參數(shù)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(biāo)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(yè)，主要產(chǎn)品為信號源，頻率計,掃頻儀等。其采用DDS生產(chǎn)的SPF任意波形發(fā)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(yōu)點有支持*小0.1mVpp的輸出，及1uV的分辨率。頻率穩(wěn)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(shù)器，溫補晶振。 RS232 接口標(biāo)準(zhǔn)配置， IEEE-488 接口可選
主要技術(shù)指標(biāo)：
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(yù)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(diào)頻、調(diào)幅、脈沖串、 FSK、PSK 猝發(fā)等波形，多種調(diào)制 AM、 FM 、 ASK 、 FSK 、 PSK （機內(nèi)預(yù)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(chuàng)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(chǎn)品為信號源，均有采用DDS技術(shù)。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(shù)發(fā)生芯片產(chǎn)生。頻率短期穩(wěn)定度1ppm，長期穩(wěn)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(zhuǎn)制而來，主要生產(chǎn)Q表，信號源，毫伏表。由其生產(chǎn)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(wěn)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(xué)建立起來，現(xiàn)有產(chǎn)品涉足PCI，PXI，VXI模塊。臺式產(chǎn)品為信號源，頻率涵蓋了從5MHz到110MHz的范圍，均采用了DDS技術(shù)。由其生產(chǎn)的SG2040任意波形發(fā)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(nèi)同類產(chǎn)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(guī)儀器的生產(chǎn)研發(fā)。由其生產(chǎn)的CS164是一款函數(shù)/任意波形發(fā)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(chǎn)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(shù)發(fā)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(chǎn)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(shù)發(fā)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(nèi)部晶振的年老化率只有5ppm。無Burst功能。
總結(jié)
雖然本次對比中的所有產(chǎn)品都采用了DDS技術(shù)，但其應(yīng)用技術(shù)水平還是參差不齊。總體來說普源的DG3121A幾乎在所有指標(biāo)中****，但比起Agilent的33250A在脈沖頻率和頻率穩(wěn)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(yè)界首臺混合信號任意波形發(fā)生器，以及***的接口。國內(nèi)的產(chǎn)品也已出現(xiàn)了*高150MHz的信號頻率，和400MSa/s的采樣率，這兩個指標(biāo)都已遠遠超過Agilent的33250A，但比起Tek的AFG3251仍有相當(dāng)大的差距。但好多產(chǎn)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(shù)生產(chǎn)函數(shù)/任意波形發(fā)生器,比如北京凱弘儀器生產(chǎn)的基于DDS的函數(shù)發(fā)生器就很有特色，由于內(nèi)置了衰減器，能夠?qū)崿F(xiàn)*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(shù)/任意波形發(fā)生器對比
