層出不窮的信號(hào)發(fā)生器可有效節(jié)省測(cè)試時(shí)間

所有電子電路和電子設(shè)備都接收輸入信號(hào)，然后將其處理成新的不同的輸出信號(hào)。工程師在設(shè)計(jì)和測(cè)試電路及設(shè)備時(shí)會(huì)從哪里獲得這些輸入信號(hào)呢？一種可能是為某種特殊應(yīng)用建立自己的信號(hào)源，但這并非必需。

　　這是因?yàn)椴还苷谠O(shè)計(jì)或等待測(cè)試的設(shè)備是何種類型，都可以用現(xiàn)成的信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生合適的輸入信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器就象是工作臺(tái)上的示波器、萬用表和電源一樣普遍。不管是模擬還是數(shù)字類型的信號(hào)發(fā)生器，它們都能用來節(jié)省設(shè)計(jì)與測(cè)試時(shí)間，確保產(chǎn)品正常工作(圖1)。

　　圖1：基于昂貴多管腳MCU的多功能卡讀卡器接口設(shè)計(jì)。

　　函數(shù)發(fā)生器

　　基本的函數(shù)發(fā)生器可以產(chǎn)生頻率從約0。2Hz到20MHz左右的正弦波、方波和三角波信號(hào)。一些發(fā)生器還能提供線性斜坡、正極性或負(fù)極性脈沖信號(hào)。這些發(fā)生器主要用于基本的音頻、超聲波頻率和低頻射頻測(cè)試。脈沖輸出是TTL/CMOS電平，而線性輸出電壓可達(dá)±20Vp-p左右。

　　低成本發(fā)生器一般是用模擬電路實(shí)現(xiàn)的，可以產(chǎn)生連續(xù)的可變頻率和輸出電壓。雖然一些低成本模擬函數(shù)發(fā)生器仍有市場(chǎng)，但目前的大多數(shù)函數(shù)發(fā)生器使用數(shù)字信號(hào)發(fā)生方法和頻率合成技術(shù)。

　　事實(shí)上，大部分工程師喜歡數(shù)字類型的函數(shù)發(fā)生器，它們常被稱為任意函數(shù)發(fā)生器(AFG)或任意波形發(fā)生器(AWG)，兩者一般都統(tǒng)稱為ARB(圖2)。

　　圖2：基于少管腳MCU的多功能卡讀卡器接口設(shè)計(jì)的外接多工器和膠合邏輯。

　　AFG是兩種發(fā)生器中較簡(jiǎn)單的一種，僅用于產(chǎn)生最常用的信號(hào)，如正弦波、三角波、鋸齒波或方波。而AWG可以用來產(chǎn)生事實(shí)上任意類型的信號(hào)。大多數(shù)AFG采用直接數(shù)字合成技術(shù)和內(nèi)含標(biāo)準(zhǔn)波形的波形存儲(chǔ)器及DAC輸出(參考www。electronicdesign。com網(wǎng)站編號(hào)為DrillDeeper19147的“DDS基礎(chǔ)”一文)。

　　輸出信號(hào)以設(shè)定波形的一系列二進(jìn)制樣值存儲(chǔ)在RAM或ROM中。這些數(shù)據(jù)輸出到數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)就能產(chǎn)生階梯近似型的目標(biāo)輸出信號(hào)。一些AFG可以產(chǎn)生頻率高達(dá)300MHz的正弦和其它波形。

　　AFG在存儲(chǔ)器中預(yù)存有全部標(biāo)準(zhǔn)波形，可以通過前面板控制進(jìn)行選擇。AWG也能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)波形，但用戶可以向RAM中輸入任意想要的波形，也可以用外部軟件創(chuàng)建代表想要波形的二進(jìn)制文件。

　　頻率合成器向RAM提供增量地址，然后由RAM向DAC提供波形樣值。另外，可以用模擬的低通濾波器去除殘留的數(shù)字雜訊。輸出電平控制功能可以用來設(shè)定想要的信號(hào)幅度。

　　一些函數(shù)發(fā)生器還能提供基本的調(diào)制類型，包括調(diào)幅(AM)、幅移鍵控(ASK)、開關(guān)鍵控(OOK)、調(diào)頻(FM)、頻移鍵控(FSK)、調(diào)相(PM)、相移鍵控(PSK)及一些數(shù)字調(diào)制類型。

　　比如泰克的AWG5000。該設(shè)備使用了標(biāo)準(zhǔn)的N倍鎖相環(huán)(PLL)合成器(圖3)，有兩個(gè)輸出通道，每個(gè)通道都可以設(shè)成單端或差分輸出。其DAC采樣率高達(dá)1。2Gsamples/s，可以產(chǎn)生最高頻率達(dá)600MHz的輸出波形。由于這個(gè)高頻特性，AWG5000可以用于某些應(yīng)用中的射頻測(cè)試。

　　圖3：基于帶靈活I(lǐng)/O影像的MCU的多功能卡讀卡器接口設(shè)計(jì)。

　AWG5000的關(guān)鍵指標(biāo)是由14位DAC分辨率確定的動(dòng)態(tài)范圍。最大波形存儲(chǔ)能力是32M個(gè)采樣。兩路輸出經(jīng)設(shè)置可以為數(shù)字調(diào)制測(cè)試同時(shí)提供I和Q信號(hào)。

　　由于AWG5000具有寬頻率范圍和波形可編程功能，因此具有很大的靈活性，事實(shí)上它能實(shí)現(xiàn)任何形式的數(shù)字調(diào)制。加上其優(yōu)異的位分辨率，AWG5000非常適合用于DAC和模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)測(cè)試。對(duì)于DAC測(cè)試來說，從波形存儲(chǔ)器輸出到內(nèi)部DAC的14位并行數(shù)字字可以直接輸出。

　　泰克的另一款A(yù)WG7000提供10Gsamples/s的基本DAC采樣率。在兩個(gè)通道上采用交織技術(shù)后可以達(dá)到20Gsamples/s，從而實(shí)現(xiàn)10GHz的波形。輸出分辨率為10位。

　　AWG7000主要用于測(cè)試帶PCIExpress(PCIe)、SATA、Rapid-IO和以太網(wǎng)等接口的高速串行設(shè)備。其可編程特性可以讓用戶創(chuàng)建含有噪聲和其它損傷的波形，從而實(shí)現(xiàn)更具魯棒性的測(cè)試。

　　AWG5000和AWG7000都有相應(yīng)的信號(hào)發(fā)生軟件。其中RFExpress用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制波形創(chuàng)建，SerialExpress用于建立波形以測(cè)試高速串行接口和設(shè)備。還可以使用Matlab或LabVIEW等軟件。

　　射頻發(fā)生器

　　為了測(cè)試無線設(shè)備，工程師經(jīng)常求助于射頻(RF)發(fā)生器。這些發(fā)生器可以產(chǎn)生從10MHz到30GHz以上的信號(hào)。有兩種基本的射頻發(fā)生器，即連續(xù)波(CW)和矢量信號(hào)發(fā)生器(VSG)，兩者都具有某種形式的調(diào)制功能(圖4)。數(shù)字信號(hào)發(fā)生是最常見的，但也有一些模擬型號(hào)仍在使用。

　　射頻發(fā)生器常用于代替本地振蕩器(LO)。高穩(wěn)定和高精度的參考晶振可用來驅(qū)動(dòng)PLL合成器。N倍分頻器通過前面板控制提供頻率選擇。PLL輸出送至用于保持恒定輸出信號(hào)的自動(dòng)電平控制(ALC)電路。功放和可變衰耗器組成輸出電路。其它電路提供調(diào)制功能。

　　圖4：虛擬設(shè)備初始化工具。

　　射頻發(fā)生器通過某種相關(guān)電路讓調(diào)制信號(hào)改變壓控振蕩器(VCO)頻率或相位來實(shí)現(xiàn)FM和PM。AM則利用輸出電路中另外的可變衰耗器實(shí)現(xiàn)。

　　有些時(shí)候，工程師還會(huì)增加由混頻器和高頻LO組成的額外上變頻級(jí)電路來提高輸出范圍。例如釔鐵石榴石(YIG)VCO就是用來將信號(hào)轉(zhuǎn)換到近十千兆赫范圍的常用LO。

　　國(guó)家儀器(NI)公司的PXI-5652模塊化射頻發(fā)生器可以插入PXI機(jī)箱，與LabVIEW等軟件一起工作在虛擬儀器環(huán)境中(圖5)。它的頻率范圍是500kHz到6。6GHz。其它型號(hào)的頻率上限是1。3或3。3GHz。頻率上限為6。6GHz時(shí)的步距為4Hz，上限為1。3或3。3GHz時(shí)步距為1或2Hz。10MHz的內(nèi)部頻率標(biāo)準(zhǔn)提供最大±3ppm的精度。輸出阻抗是標(biāo)準(zhǔn)的50Ω。

　　圖5：NI的PXI-5652RFCW發(fā)生器。

射頻發(fā)生器的關(guān)鍵指標(biāo)包括頻譜純度、諧波、輸出幅度和調(diào)制功能。PXI-5652的頻譜純度是–90dBc/Hz的相位噪聲，2。488GHz處的抖動(dòng)值為50fs，抖動(dòng)寬度為5kHz到15MHz，2。4GHz處的殘留FM小于1。5Hz。諧波輸出測(cè)量值從3。3到6。6GHz為-20dBc。

　　頻率在3。3GHz以下時(shí)的輸出功率在約-100到10dBm范圍內(nèi)變化，6。6GHz時(shí)為0dBm，變化步距為0。1dB。PXI-5652發(fā)生器還具有FM、FSK和OOK等內(nèi)部調(diào)制功能。在3。3到6。6GHz范圍內(nèi)的最大FM偏差為8MHz。FSK符號(hào)率從763Hz到100kHz，OOK符號(hào)率從153Hz到100kHz。

　　更新的CW射頻發(fā)生器使用DDS合成器來創(chuàng)建基本的正弦波信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過濾波去除階梯近似過程中產(chǎn)生的諧波分量后送到功放和衰耗器。另外，還可以采用外差式上變頻電路將輸出頻率提升到更高的范圍。

　　目前最流行的射頻發(fā)生器是VSG，可以用來創(chuàng)建測(cè)試數(shù)字無線產(chǎn)品中最常用的射頻信號(hào)。實(shí)際上所有數(shù)字調(diào)制方案都使用IQ信號(hào)發(fā)生機(jī)制(圖6)。大多數(shù)VSG還有內(nèi)置的AWG基帶電路，它使用軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)字調(diào)制，然后通過DAC輸出到所示的VSG調(diào)制器。在一些發(fā)生器中，LO就能提供想要的頻率，因此不需要后續(xù)的上變頻電路。

　　圖6：矢量信號(hào)發(fā)生器基本電路。

　　無線測(cè)試裝置用于手機(jī)和無線電設(shè)備是否符合特定標(biāo)準(zhǔn)的正式測(cè)試。其中的射頻發(fā)生器可以產(chǎn)生所有調(diào)制類型，如全球移動(dòng)通信系統(tǒng)(GSM)、增強(qiáng)型數(shù)據(jù)速率GSM演進(jìn)技術(shù)(EDGE)、碼分多址(CDMA)、高速下行鏈路分組訪問(HSDPA)或長(zhǎng)期演進(jìn)(LTE)和WiMAX使用的正交頻分復(fù)用(OFDM)。

　　Keithley公司的2910就是款現(xiàn)代的VSG，可以產(chǎn)生頻率從10MHz到2。5GHz的信號(hào)(圖7)。型號(hào)2920的頻率上限是6GHz，可以適應(yīng)25、40和80MHz步進(jìn)。內(nèi)置的AWG用于產(chǎn)生調(diào)制波形。另外，它的軟件定義無線架構(gòu)具有很大的靈活性，可以通過編程產(chǎn)生符合幾乎所有數(shù)字調(diào)制或無線標(biāo)準(zhǔn)的信號(hào)。

　　圖7：Keithley的2910RF矢量信號(hào)發(fā)生器。

　　想要的調(diào)制/標(biāo)準(zhǔn)可以用Keithley公司的SignalMeister軟件或者諸如Matlab或LabVIEW等軟件創(chuàng)建，然后存儲(chǔ)在巨大容量的100M采樣的RAM中。2910內(nèi)部有個(gè)500MHz的DSP用于處理波形數(shù)據(jù)。還有一個(gè)FPGA和數(shù)字上/下變頻器對(duì)結(jié)果信號(hào)作進(jìn)一步處理，然后送到DAC和帶DDS合成器的矢量調(diào)制器。另外，輸出放大器和衰耗器提供-130到+13dBm的可變輸出功率，具體還取決于信號(hào)頻率。

　　在頻譜純度方面，單邊帶(SSB)相位噪聲在6GHz、20kHz偏移時(shí)為-101dBc，諧波在6GHz點(diǎn)的典型值為-40dBc。相位噪聲在6GHz、100kHz偏移時(shí)為-104dBc。可用調(diào)制類型包括AM、GSMGPRS-EDGE、cdmaOne和cdma2000、寬帶CDMA(WCDMA)和GPS。象HSDPA、LTE和WiMAX等較新的調(diào)制類型可以用軟件產(chǎn)生。多個(gè)2920可以與28？5同步單元一起用來產(chǎn)生多入多出(MIMO)測(cè)試信號(hào)。

　　安捷倫？司的MXG系列中有兩款著名的射頻發(fā)生器。其中N5183A微波模擬信號(hào)發(fā)生器是一臺(tái)高端射頻CW發(fā)生器。該系列發(fā)生器的輸出頻率范圍從100kHz到20、31。8或40GHz，輸出功率在20GHz點(diǎn)高達(dá)+18dBm。它的高速頻率開關(guān)速度小于900？s，典型值小于600？s。相位噪聲在20kHz偏移時(shí)的測(cè)量值小于-98dBc/Hz。

　　雖然N5183A主要用于天線和微波設(shè)備的生產(chǎn)測(cè)試，它也能提供AM、FM和PM以及脈沖等調(diào)制功能。它的脈沖上升/下降沿時(shí)間小于10ns，最小脈沖寬度為20ns。N5183A可以工作在數(shù)字逐頻和連續(xù)掃頻兩種模式。

　　安捷倫的N5182AMXGVSG有兩種版本，一種的頻率范圍為250kHz到3GHz，另外一種頻率上限高達(dá)6GHz。輸出功率在1GHz時(shí)高達(dá)+13dBm，相位噪聲在1GHz、20kHz偏移處小于-121dBc/Hz。調(diào)制模式與N5183A相同，還有一個(gè)關(guān)鍵特性是內(nèi)部基帶發(fā)生和調(diào)制信號(hào)創(chuàng)建功能。內(nèi)部AWG基帶電路可以向帶寬為100MHz的DAC提供高達(dá)125M采樣/s的信號(hào)。內(nèi)部16位DAC使得N5182A擁有極好的動(dòng)態(tài)范圍，支持幾乎所有測(cè)試。

　　波形回放存儲(chǔ)器的保存容量高達(dá)6？M采樣，而存儲(chǔ)用存儲(chǔ)器容量高達(dá)100M采樣。在該功能和安捷倫SignalStudio等軟件的支持下，用戶可以產(chǎn)生許多標(biāo)準(zhǔn)的無線信號(hào)，如Wi-Fi無線局域網(wǎng)(WLAN)、WiMAX、WCDMA、cdma2000、GSM、時(shí)分同步代碼多址訪問(TD-SCDMA)，甚至可以產(chǎn)生更先進(jìn)的3G和4G無線標(biāo)準(zhǔn)，如HSDPA和LTE。這兩種MXG發(fā)生器都有通用接口總線(GPIB)、USB2。0和以太網(wǎng)100Base-T接口，并且符合LXIC類規(guī)范。

這些發(fā)生器的升級(jí)版模擬N5161A和N5162AVSGMXGATE主要用于對(duì)成本敏感的自動(dòng)測(cè)試設(shè)備(ATE)應(yīng)用。改進(jìn)的性能包括：更高的輸出功率，可達(dá)+23dBm；改進(jìn)的失真指標(biāo)；針對(duì)MIMO和波束成形天線應(yīng)用的相位一致性支持。另外，這些型號(hào)沒有采用標(biāo)準(zhǔn)的前面板，并且將所有連接移到了后面(圖8)。

　　圖8：安捷倫的N5182AMXGAWGRF信號(hào)發(fā)生器（上面）和更新的N5162AMXGATEAWG發(fā)生器組件。

　　數(shù)字發(fā)生器

　　數(shù)字發(fā)生器用于產(chǎn)生二進(jìn)制信號(hào)或脈沖?；镜拿}沖發(fā)生器可以產(chǎn)生很寬頻率范圍的脈沖，可以控制上升/下降時(shí)間、占空比和抖動(dòng)等脈沖屬性。脈沖格式可以是標(biāo)準(zhǔn)的NRZ、RZ或其它格式，可以是正極性和/或負(fù)極性脈沖。脈沖幅度也可以改變。

　　一個(gè)數(shù)據(jù)或圖案發(fā)生器都有RAM和/或ROM用于存儲(chǔ)數(shù)字化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以是用戶自己定義用于檢驗(yàn)被測(cè)設(shè)備(DUT)的圖案，也可以是標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試圖案，如PN9(109-1個(gè)點(diǎn))或PN15(1015-1個(gè)點(diǎn))的偽隨機(jī)比特序列(PRBS)。一些發(fā)生器可以產(chǎn)生多路輸出數(shù)據(jù)流。這些發(fā)生器一般還提供脈沖輸入觸發(fā)器。用戶還可以利用延時(shí)性能產(chǎn)生延時(shí)的序列來設(shè)置特定的設(shè)備。

　　BerkeleyNucleonics公司型號(hào)為575的數(shù)字延時(shí)/脈沖發(fā)生器是一款二合一發(fā)生器(圖9)。其脈沖發(fā)生器部分提供對(duì)脈沖速率、延時(shí)和寬度的獨(dú)立控制，并且包含一個(gè)外部觸發(fā)器輸入。它提供2、4或8路輸出通道，每個(gè)通道可以單獨(dú)設(shè)置成不同的脈沖狀態(tài)。

　　圖9：BerkeleyNucleonics的575型數(shù)字延時(shí)/脈沖發(fā)生器。

　　該發(fā)生器的頻率范圍是0。0002Hz到20MHz，還有一個(gè)40MHz的選件。分辨率為5ns，抖動(dòng)小于200ps。標(biāo)準(zhǔn)輸出是晶體管-晶體管邏輯(TTL)，也可以是0-4V可調(diào)電壓、典型上升時(shí)間為3ns的輸出，還有一種可調(diào)的高壓輸出選件。每個(gè)通道可以有自己的輸入觸發(fā)器，或者所有通道被同時(shí)觸發(fā)。

　　575有一個(gè)獨(dú)立的延時(shí)發(fā)生器，它能提供精細(xì)的分辨率，具有很高的延時(shí)和寬度精度。基本分辨率是250ps，精度是1ppm。根據(jù)周期選擇的速率被設(shè)為10ns分辨率。575提供獨(dú)立的延時(shí)通道觸發(fā)輸入，或者所有通道被同時(shí)觸發(fā)。

　　另外，575有帶ST連接器的光輸出接口。輸出LED工作在820nm和1310nm，速率為5M波特，分辨率為500ps。最大光路距離長(zhǎng)1。5km。575最多提供兩路光輸入，還可以通過標(biāo)準(zhǔn)的RS-232或USB端口實(shí)現(xiàn)外部可編程功能。另配選件提供GPIB或以太網(wǎng)編程接口。另外，板載存儲(chǔ)器可以用來保存設(shè)置參數(shù)。575還提供了國(guó)家儀器公司的LabVIEW驅(qū)動(dòng)程序。

　　泰克的DTG5000脈沖發(fā)生器是另外一種數(shù)據(jù)發(fā)生器(圖10)。取決于選用的是哪個(gè)模塊，發(fā)生器可以在1、8、16、32、6？或96個(gè)通道上產(chǎn)生速度高達(dá)3。35Gbits/s的脈沖和數(shù)據(jù)流。用戶也可以完全控制所有的脈沖參數(shù)。每個(gè)通道都有分辨率為0。2ps的脈沖延時(shí)功能。

　　不同型號(hào)提供的脈沖發(fā)生頻率也不同，分別從50kHz到750Mbits/s、2。7Gbits/s或3。35Gbits/s。典型的脈沖格式是NRZ、RZ和R1。脈沖寬度、占空比和延時(shí)都是完全可變的。脈沖寬度分辨率為5ps?？梢栽黾有∮?psrms的隨機(jī)抖動(dòng)。DTG5000還提供從PRBSPN15到PN23的數(shù)據(jù)圖案功能。每個(gè)通道的圖案長(zhǎng)度可以是8、32或6？Mbits，不同型號(hào)有不同的值。

　　DTG5000還提供眾多預(yù)存儲(chǔ)的圖案，如二進(jìn)制、格雷、Johnson或跳棋碼。為了方便儀器的控制和數(shù)據(jù)傳送，DTG5000提供了GPIB和以太網(wǎng)接口。可用的I/O端口有：USB、RS232、用于10/100M以太網(wǎng)的RJ45以及VGA輸出。

　　還有許多用于特殊測(cè)試的其它類型發(fā)生器。例如，視頻發(fā)生器可以產(chǎn)生電視和視頻測(cè)試用的信號(hào)。另外，噪聲發(fā)生器可以產(chǎn)生白色或粉色噪聲，并疊加到另外一個(gè)信號(hào)發(fā)生器的輸出上，用于測(cè)試放大器或其它電路的抗噪聲能力或性能。還有一些特殊發(fā)生器產(chǎn)生的信號(hào)可以用來生成脈沖發(fā)生器或AWG中的抖動(dòng)。