任意波形產生器(AWG)可提供許多不同的波形選擇,已經成為測試系統常用的訊號源了。模組化的AWG讓你可以將標準或自訂的波形添加至PC,成為自動化測試站的一部份。有了AWG,就能利用公式創建波形,無論是從數位器或數位示波器取得波形,或是使用製造商、協力廠商提供的軟體創建自己的波形。而其波形排序(waveform sequencing)功能還能讓你在預定義的波形之間進行切換。

相較於以往的機型,現在的模組化AWG提供更寬的頻寬、更高的取樣速率,以及更長的波形記憶體。另外,它們還提供了先進的操作模式,能夠從PC的主記憶體中串流大量的波形資料。在選擇模組化的AWG之前,必須先瞭解它們如何運作以及可以用來做什麼。

AWG如何運作?

AWG是數位訊號源,能夠像數位器或數位示波器一樣進行數位類比的轉換作業。AWG可針對儲存在波形記憶體中的波形進行數位描述,從記憶體中選出的樣本被送到數位類比轉換器(DAC),經過濾波和訊號調節後,再將樣本作為類比波形輸出。圖1包含AWG的概念方塊圖。

20180320_Spectrum_TA31P1 圖1:AWG由幾個功能區塊組成,採用數位方式表述波形,並產生經濾波的類比訊號

首先,描述波形的資料會被載入至波形記憶體。相較於DAC,波形記憶體通常具有較大的資料寬度,並採用分頻取樣時脈進行計時。位於記憶體和DAC之間的FPGA則對樣本進行解多工,並以DAC的取樣時脈產生一個波形資料串流。當接收到記憶體控制器的指令後,波形記憶體的內容就會被發送到DAC,以轉換成等效的類比電壓。有些DAC允許額外的插值,從而在輸出端實現高於波形記憶體所提供的更新速率。

原始的DAC輸出包含大量諧波,所以必須進行濾波。為了符合使用者的波形規格要求,AWG的輸出級可透過調整增益和補償對訊號進行濾波和調節。

記憶體控制器可追蹤波形記憶體中每個波形分量的元素,以及任何相關的連結,並以正確的順序輸出。為了節省記憶體空間,記憶體控制器可以循環使用重複的元素,使這些元素只需在波形記憶體中列出一次。時脈產生器使用內部或外部時脈以提供共同的時間基礎。根據使用者指定事件使波形輸出或前移的觸發產生器,還可以提供同步功能。除了內部或外部觸發事件之外,AWG也可以連接到另一個模組化的AWG或數位器。

上述功能的實際建置方式因特定型號而異,但所有的AWG都具有類似的元素。

AWG的規格

由於AWG的輸出波形選擇及其數位特質,AWG的規格與標準的訊號產生器有很大的不同。

不過,與數位器一樣,頻寬和取樣速率是AWG的關鍵參數。頻寬決定了AWG輸出損耗小於3dB的最大正弦波頻率。由於AWG產生的許多波形含有大量諧波,因此頻寬限制將決定所能產生的最高波形頻率。例如,方波一般必須通過第五個諧波才能被辨識出來。對於特定的頻寬,方波的最高頻率通常是AWG頻寬的五分之一。

AWG的取樣速率與其頻寬有關。根據取樣理論,取樣速率必須至少是頻寬的兩倍。取樣速率也決定了AWG的水平解析度,因此定義了可以在波形內設定的最小時間增量。

波形記憶體的大小決定了AWG在不重複(循環利用)任何波形分量的情況下可以產生的最長波形。訊號持續時間(無循環利用)等於記憶體長度乘以取樣週期。具有2G樣本波形記憶體和1.25GS/s最大取樣速率的AWG,能夠產生約1.6秒長的波形。循環利用則可重複冗餘波形分量,從而大幅增加最大波形的長度。

振幅解析度(amplitude resolution)指定AWG所能產生的最小輸出訊號級,這也是相鄰樣本之間的最小步幅。AWG的振幅解析度由DAC和記憶體的解析度位元數決定。一般來說,在DAC解析度和取樣速率之間存在權衡折衷。也就是說:DAC的位元數越多,最大取樣速率就越低。具有14位元解析度的AWG理論動態範圍為16384:1;具有16位元解析度的AWG理論動態範圍為65536:1。就像對於數位器的影響一樣,雜訊和其它因素也會降低AWG的動態範圍。

AWG所能產生的最大輸出振幅由輸出放大器決定。一般來說,在AWG的取樣速率和輸出振幅之間也存在折衷;較快的AWG具有較低的最大輸出幅度。最小的全幅(full scale)輸出範圍取決於輸出級的內部衰減器。在任何指定的全幅範圍內,理論最小值是全幅輸出除以振幅解析度(具有10VP-P範圍和16位元解析度的AWG具有10/65,536=152.5μV的最小輸出步長)。內部雜訊和非線性度限制了實際的最小訊號輸出。

AWG的通道數通常在1到4之間,但經常可進行同步以提供額外通道。

輸出濾波(output filtering)改善了AWG輸出的訊號雜訊比(SNR)。通常可以指定濾波器的類型和截止頻率。

所有的AWG均可透過軟體以分析方法創建調變波形,使用製造商的作業軟體(如Spectrum的SBench 6或其它協力廠商數學軟體)創建,並將其下載到AWG的波形記憶體中。另一個有用的功能是利用觸發輸入以啟動輸出,或將波形前移多個波形段。

AWG還可以產生與波形輸出同步的輸出觸發或標記輸出。這些訊號可以在波形期間的適當時間用來觸發數位器、示波器或其它儀器。

操作模式

AWG可能包含多種操作模式,這些都可能影響其儲存和播放波形的方式。根據觸發器或閘控訊號重複(循環利用)所選波形段並在各段之間前移的能力增加了靈活性,並減少了複雜波形所需的記憶體容量。以下是常用的操作模式:

  • 單次播放:單次播放(single shot)是指為每個外部或軟體觸發播放一次程式化波形。在第一次觸發後,後續的觸發被忽略。
  • 重複(連續)輸出:以預設的次數連續播放程式化波形或直到停止執行命令。觸發源可以是外部硬體觸發輸入或軟體觸發器。在第一次觸發後,其它的觸發事件將被忽略。
  • 單次重啟重播:在每次觸發事件後,單次重啟重播(single Restart replay)模式都會輸出一次板載(on-board)記憶體的波形資料。觸發源可以是硬體或軟體。
  • 先進先出:某些AWG提供先進先出(FIFO)操作模式,用於主機記憶體或硬碟與AWG之間的連續資料傳輸。AWG的板載記憶體用於緩衝資料,讓連續資料串流非常可靠。在這種模式下,可用的波形記憶體受到主機記憶體的限制。
  • 支援FIFO串流的AWG可以利用主機記憶體進一步延展波形。在FIFO模式下,AWG使用其板載記憶體作為系統記憶體和DAC之間的高速緩衝。這使得AWG不受其內部記憶體的限制。結合FIFO串流與循環和連結功能,可以產生更長的波形。
  • 多次重播:多次重播(multiple-replay)模式(圖2)可在無需重啟硬體的情況下快速輸出多個觸發事件波形。板載記憶體被分成幾個相同大小的區段。每個區段可以包含不同的波形資料,各波形資料的輸出與其對應的觸發事件發生同時。這種模式可實現非常快的重複率。

20180320_Spectrum_TA31P2 圖2:使用多次重播模式在觸發輸入時輸出三個波形段

閘控重播:閘控重播(gated replay)取樣模式輸出由外部閘控訊號控制的波形資料(圖3)。資料只在閘控訊號處於預編程層級時才重新播放。

20180320_Spectrum_TA31P3 圖3:使用多次重播模式在觸發輸入時輸出三個波形段

序列模式:序列模式(sequence mode)將內部記憶體卡分割成多個不同長度的資料區段(圖4)。這些資料區段使用附加的序列記憶體,以使用者設定的順序加以連結。序列記憶體決定輸出區段的順序以及每段的循環使用次數。觸發條件可以定義為從一個區段前進到另一區段。使用序列模式,AWG可以透過簡單的軟體命令在重播波形之間進行切換,也可以在重播其它區段的同時重新定義各段的波形資料。

20180320_Spectrum_TA31P4 圖4:序列模式依照控制記憶體中指定的順序輸出波形區段

如何選擇AWG

選擇AWG需要讓AWG規格符合你的測試規格。

基本出發點一般是AWG可以產生的頻寬和最高頻率。該頻率必須大於或等於測試所需的最大頻率。值得注意的是諧波豐富的波形要求的頻寬是所需頻率的三到五倍。例如:100MHz頻寬的AWG可以輸出100MHz的正弦波,但只支援20MHz的方波。

如前所述,AWG的最大取樣速率至少必須是所需頻寬的兩倍。這是奈奎斯特(Nyquist)定理的限制,實際上,通常達到三到四倍的過度取樣會更好。取樣速率決定了能夠編程設計的最小時間增量。請注意,AWG通常會限制創建波形所需的最小取樣數量。它們通常需要波形包含偶數個樣本或是固定數量樣本的倍數(例如4、8、16等)。提出這些要求的原因在於許多AWG使用多工記憶體來取得高取樣速率。如果其多工模式是4:1,那麼波形必須是4個樣本的倍數。

波形記憶體長度決定了在無重複訊號的情況下,AWG可支援的最長波形持續時間。在波形中支援「循環使用」或重複冗餘元素的操作模式,將會減少所需的波形記憶體容量。

AWG的最大輸出級必須符合測試要求,否則可能需要外接一個頻寬超過AWG的放大器,才能讓組合的頻寬等於指定頻寬。

最高測試訊號振幅與最小振幅的比率同時決定了測試的動態範圍要求。這取決於AWG的振幅解析度,並以位元表示。請注意,AWG中的雜訊和非線性度將限制動態範圍小於理論值。實際的性能通常以ENOB(有效位元數)表示。

AWG需要用於產生波形和操作控制的軟體。幾乎所有的AWG都附帶通用作業系統的驅動程式。例如Spectrum的AWG提供了Windows和Linux驅動程式。驅動程式讓你能使用通用程式設計語言和平台(包括C/C ++、IVI、.NET、Delphi、Visual Basic和Python)編寫自己的軟體。驅動程式還支援協力廠商軟體,如LabVIEW(Windows)、MATLAB(Windows和Linux)和LabWindows/CVI。AWG通常包含全功能套裝軟體,如SBench 6。

創建波形

如果使用AWG的波形產生軟體,則可以從多個預定義的波形中進行選擇,例如正弦波、矩形波、三角波、鋸齒波、SINC波和DC波形。每個波形的頻率、相位和振幅都是可加以調整的;矩形、三角形和鋸齒波形的工作週期也是如此。圖5顯示這種軟體控制的典型例子。

20180320_Spectrum_TA31P5 圖5:AWG軟體通常包含每個AWG通道的正弦、矩形、三角形、鋸齒(斜坡)、SINC和DC波形,使用者還可調整其振幅、頻率和相位。

以數學方程式為基礎創建波形是最準確的方法。不僅精確且可重複,還能夠提供很大範圍的測試訊號。波形創建軟體包括一個函數編輯器,支援使用基於文本的方程式產生波形,如圖6所示。函數產生器編輯器接受文本格式的公式,還能選擇取樣速率、振幅和波形持續時間。

20180320_Spectrum_TA31P6 圖6:函數產生器編輯器讓使用者輸出基於方程式的波形,如圖中的掃頻正弦波

導入波形

波形也可以從其它來源創建或取得,包括像數位器和數位示波器等儀器,以及包括試算表、數學程式和系統整合軟體等軟體工具。從這些來源取得的波形可導入於SBench 6中,並使用表1列出的任何格式發送到AWG。

20180320_Spectrum_TA31T1 表1:SBench 6支援的典型波形源和資料格式

訊號處理

AWG支援軟體中的訊號處理功能,讓使用者得以使用結合支援總和、差異、乘積和比率的波形運算組合多個波形。移動平均和濾波(滑鍵/選值)可用來減少雜訊,提高輸入訊號的訊號雜訊比。

結論

模組化任意函數產生器可作為測試系統的理想訊號源,它具有小尺寸、配置靈活以及易於整合的特點。此外,它可支援高達400MHz的頻寬、1.25GS/s的取樣速率以及16位元的振幅解析度,使其得以提供廣泛的測試解決方案。