層出不窮的信號發(fā)生器可有效節(jié)省測試時間

層出不窮的信號發(fā)生器可有效節(jié)省測試時間

所有電子電路和電子設備都接收輸入信號，然后將其處理成新的不同的輸出信號。工程師在設計和測試電路及設備時會從哪里獲得這些輸入信號呢？一種可能是為某種特殊應用建立自己的信號源，但這并非必需。

　　這是因為不管正在設計或等待測試的設備是何種類型，都可以用現(xiàn)成的信號發(fā)生器產(chǎn)生合適的輸入信號。信號發(fā)生器就象是工作臺上的示波器、萬用表和電源一樣普遍。不管是模擬還是數(shù)字類型的信號發(fā)生器，它們都能用來節(jié)省設計與測試時間，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計。

　　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。一些發(fā)生器還能提供線性斜坡、正極性或負極性脈沖信號。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試。脈沖輸出是TTL/CMOS電平，而線性輸出電壓可達±20Vp-p左右。

　　低成本發(fā)生器一般是用模擬電路實現(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，但目前的大多數(shù)函數(shù)發(fā)生器使用數(shù)字信號發(fā)生方法和頻率合成技術(shù)。

　　事實上，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計的外接多工器和膠合邏輯。

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

　　輸出信號以設定波形的一系列二進制樣值存儲在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輸出信號。一些AFG可以產(chǎn)生頻率高達300MHz的正弦和其它波形。

　　AFG在存儲器中預存有全部標準波形，可以通過前面板控制進行選擇。AWG也能產(chǎn)生標準波形，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定想要的信號幅度。

　　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。該設備使用了標準的N倍鎖相環(huán)(PLL)合成器(圖3)，有兩個輸出通道，每個通道都可以設成單端或差分輸出。其DAC采樣率高達1。2Gsamples/s，可以產(chǎn)生最高頻率達600MHz的輸出波形。由于這個高頻特性，AWG5000可以用于某些應用中的射頻測試。

　　圖3：基于帶靈活I/O影像的MCU的多功能卡讀卡器接口設計。

　AWG5000的關(guān)鍵指標是由14位DAC分辨率確定的動態(tài)范圍。最大波形存儲能力是32M個采樣。兩路輸出經(jīng)設置可以為數(shù)字調(diào)制測試同時提供I和Q信號。

　　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，事實上它能實現(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)測試。對于DAC測試來說，從波形存儲器輸出到內(nèi)部DAC的14位并行數(shù)字字可以直接輸出。

　　泰克的另一款AWG7000提供10Gsamples/s的基本DAC采樣率。在兩個通道上采用交織技術(shù)后可以達到20Gsamples/s，從而實現(xiàn)10GHz的波形。輸出分辨率為10位。

　　AWG7000主要用于測試帶PCIExpress(PCIe)、SATA、Rapid-IO和以太網(wǎng)等接口的高速串行設備。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，從而實現(xiàn)更具魯棒性的測試。

　　AWG5000和AWG7000都有相應的信號發(fā)生軟件。其中RFExpress用于實現(xiàn)數(shù)字調(diào)制波形創(chuàng)建，SerialExpress用于建立波形以測試高速串行接口和設備。還可以使用Matlab或LabVIEW等軟件。

　　射頻發(fā)生器

　　為了測試無線設備，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。有兩種基本的射頻發(fā)生器，即連續(xù)波(CW)和矢量信號發(fā)生器(VSG)，兩者都具有某種形式的調(diào)制功能(圖4)。數(shù)字信號發(fā)生是最常見的，但也有一些模擬型號仍在使用。

　　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的自動電平控制(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)制信號改變壓控振蕩器(VCO)頻率或相位來實現(xiàn)FM和PM。AM則利用輸出電路中另外的可變衰耗器實現(xiàn)。

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

　　國家儀器(NI)公司的PXI-5652模塊化射頻發(fā)生器可以插入PXI機箱，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。其它型號的頻率上限是1。3或3。3GHz。頻率上限為6。6GHz時的步距為4Hz，上限為1。3或3。3GHz時步距為1或2Hz。10MHz的內(nèi)部頻率標準提供最大±3ppm的精度。輸出阻抗是標準的50Ω。

　　圖5：NI的PXI-5652RFCW發(fā)生器。

射頻發(fā)生器的關(guān)鍵指標包括頻譜純度、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處的抖動值為50fs，抖動寬度為5kHz到15MHz，2。4GHz處的殘留FM小于1。5Hz。諧波輸出測量值從3。3到6。6GHz為-20dBc。

　　頻率在3。3GHz以下時的輸出功率在約-100到10dBm范圍內(nèi)變化，6。6GHz時為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符號率從763Hz到100kHz，OOK符號率從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。該信號經(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)建測試數(shù)字無線產(chǎn)品中最常用的射頻信號。實際上所有數(shù)字調(diào)制方案都使用IQ信號發(fā)生機制(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：矢量信號發(fā)生器基本電路。

　　無線測試裝置用于手機和無線電設備是否符合特定標準的正式測試。其中的射頻發(fā)生器可以產(chǎn)生所有調(diào)制類型，如全球移動通信系統(tǒng)(GSM)、增強型數(shù)據(jù)速率GSM演進技術(shù)(EDGE)、碼分多址(CDMA)、高速下行鏈路分組訪問(HSDPA)或長期演進(LTE)和WiMAX使用的正交頻分復用(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(圖7)。型號2920的頻率上限是6GHz，可以適應25、40和80MHz步進。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)制或無線標準的信號。

　　圖7：Keithley的2910RF矢量信號發(fā)生器。

　　想要的調(diào)制/標準可以用Keithley公司的SignalMeister軟件或者諸如Matlab或LabVIEW等軟件創(chuàng)建，然后存儲在巨大容量的100M采樣的RAM中。2910內(nèi)部有個500MHz的DSP用于處理波形數(shù)據(jù)。還有一個FPGA和數(shù)字上/下變頻器對結(jié)果信號作進一步處理，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，具體還取決于信號頻率。

　　在頻譜純度方面，單邊帶(SSB)相位噪聲在6GHz、20kHz偏移時為-101dBc，諧波在6GHz點的典型值為-40dBc。相位噪聲在6GHz、100kHz偏移時為-104dBc?？捎谜{(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2920可以與28？5同步單元一起用來產(chǎn)生多入多出(MIMO)測試信號。

　　安捷倫？司的MXG系列中有兩款著名的射頻發(fā)生器。其中N5183A微波模擬信號發(fā)生器是一臺高端射頻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點高達+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偏移時的測量值小于-98dBc/Hz。

　　雖然N5183A主要用于天線和微波設備的生產(chǎn)測試，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6GHz。輸出功率在1GHz時高達+13dBm，相位噪聲在1GHz、20kHz偏移處小于-121dBc/Hz。調(diào)制模式與N5183A相同，還有一個關(guān)鍵特性是內(nèi)部基帶發(fā)生和調(diào)制信號創(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125M采樣/s的信號。內(nèi)部16位DAC使得N5182A擁有極好的動態(tài)范圍，支持幾乎所有測試。

　　波形回放存儲器的保存容量高達6？M采樣，而存儲用存儲器容量高達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)生許多標準的無線信號，如Wi-Fi無線局域網(wǎng)(WLAN)、WiMAX、WCDMA、cdma2000、GSM、時分同步代碼多址訪問(TD-SCDMA)，甚至可以產(chǎn)生更先進的3G和4G無線標準，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)生器的升級版模擬N5161A和N5162AVSGMXGATE主要用于對成本敏感的自動測試設備(ATE)應用。改進的性能包括：更高的輸出功率，可達+23dBm；改進的失真指標；針對MIMO和波束成形天線應用的相位一致性支持。另外，這些型號沒有采用標準的前面板，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)生二進制信號或脈沖?；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/下降時間、占空比和抖動等脈沖屬性。脈沖格式可以是標準的NRZ、RZ或其它格式，可以是正極性和/或負極性脈沖。脈沖幅度也可以改變。

　　一個數(shù)據(jù)或圖案發(fā)生器都有RAM和/或ROM用于存儲數(shù)字化數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)可以是用戶自己定義用于檢驗被測設備(DUT)的圖案，也可以是標準測試圖案，如PN9(109-1個點)或PN15(1015-1個點)的偽隨機比特序列(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性能產(chǎn)生延時的序列來設置特定的設備。

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

　　圖9：BerkeleyNucleonics的575型數(shù)字延時/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40MHz的選件。分辨率為5ns，抖動小于200ps。標準輸出是晶體管-晶體管邏輯(TTL)，也可以是0-4V可調(diào)電壓、典型上升時間為3ns的輸出，還有一種可調(diào)的高壓輸出選件。每個通道可以有自己的輸入觸發(fā)器，或者所有通道被同時觸發(fā)。

　　575有一個獨立的延時發(fā)生器，它能提供精細的分辨率，具有很高的延時和寬度精度?；痉直媛适?50ps，精度是1ppm。根據(jù)周期選擇的速率被設為10ns分辨率。575提供獨立的延時通道觸發(fā)輸入，或者所有通道被同時觸發(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1。5km。575最多提供兩路光輸入，還可以通過標準的RS-232或USB端口實現(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，板載存儲器可以用來保存設置參數(shù)。575還提供了國家儀器公司的LabVIEW驅(qū)動程序。

　　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模塊，發(fā)生器可以在1、8、16、32、6？或96個通道上產(chǎn)生速度高達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)。每個通道都有分辨率為0。2ps的脈沖延時功能。

　　不同型號提供的脈沖發(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、占空比和延時都是完全可變的。脈沖寬度分辨率為5ps?？梢栽黾有∮?psrms的隨機抖動。DTG5000還提供從PRBSPN15到PN23的數(shù)據(jù)圖案功能。每個通道的圖案長度可以是8、32或6？Mbits，不同型號有不同的值。

　　DTG5000還提供眾多預存儲的圖案，如二進制、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?？捎玫腎/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)生電視和視頻測試用的信號。另外，噪聲發(fā)生器可以產(chǎn)生白色或粉色噪聲，并疊加到另外一個信號發(fā)生器的輸出上，用于測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)生的信號可以用來生成脈沖發(fā)生器或AWG中的抖動。